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终于有人把＇计算机组成原理学习笔记＇整理出来了

1.计算机组成原理概论

计算机：数字电子计算机

组成：计算机硬件系统的逻辑实现

原理：不以具体机型为依托的，基本实现原理。

计算机组成原理：掌握如何实现的具体细节。

1.1计算机系统简介

计算机系统由两大部分组成：硬件和软件。软件又包括系统软件和应用软件。

系统软件可以管理整个计算机系统：

语言处理程序（将高级语言转换为机器可以懂得指令）

操作系统

服务性程序（比如数学库、MPI服务程序进行并行之间的通信）

数据库管理系统

网络软件

应用软件是按照任务需要编制成的程序。

可以简单将软件看作一个层次结构，硬件为软件提供接口，系统软件又为应用软件形成接口，来完成不同的程序。

对于计算机的物理结构层次，我们这门课主要研究逻辑层和微电路层的具体实现方式。

计算机系统的指令层次如下图所示

操作系统可以管理软硬件的资源。

计算机系统结构定义了系统软硬件的交界面，定义了哪些功能由软件实现，哪些功能由硬件实现，定义为==程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性==。（指令系统，数据类型，寻址技术，I/O机理），即程序员需要理解的东西。

计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性，即具体指令的实现。

1.2计算机的基本组成

1.2.1冯诺依曼结构

上图实线表示数据流动，虚线表示控制反馈。

计算机结构由五大部件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。

以运算器为中心，==程序存储在存储器中==。

指令和数据以同等地位保存在存储器中，可以按照地址寻找。

指令和数据由二进制表示，指令由操作码和地址码组成，操作码指明指令要干什么，地址码指明操作数的地址。

冯诺依曼结构以运算器为中心，容易形成瓶颈。我们可以使用存储器作为中心来进行优化，但是还不够。

1.2.2现代计算机硬件框图

指令和数据都是保存在存储器中的。

1.2.3存储器的基本组成

MAR是存储器地址寄存器，保存了存储单元的地址和编号，长度反映存储单元的个数。

MDR是存储器数据寄存器，保存了要存入存储体的数据或刚从存储体拿出来的数据，长度反映存储字长。

利用MAR和MDR来将数据放入存储器。

1.2.4运算器的结构

ALU（算术逻辑单元），通常是一个组合电路，输入撤销，输出也撤销，因此需要加上寄存器保存参与运算的计算。

数据寄存器X保存输入参数，ACC为累加寄存器，保存结果，乘法可能使得数据位数保存不下，使用MQ寄存器保存低位。

上表中存放了不同运算中，运算器的工作过程，以乘法为例，操作过程如下：

首先将被乘数取出来放到ACC中

从指令中的乘数地址M中取出乘数，送入MQ中

将被乘数送到X中

将ACC清零

完成乘法操作，结果由ACC和MQ保存

这些操作的过程顺序是由控制器来控制完成的。

1.2.5控制器的基本结构

控制器的功能是解释指令（完成指令）、保证指令的按序执行。

PC（程序计数器）寄存器保存了当前指令的地址，进行取指令，PC有计数功能。

IR（指令寄存器）存放当前要执行的指令，将操作码送入CU进行分析。

CU（控制单元）发出控制信号，控制相对应的部件来执行指令。

下面以取数指令为例分析指令执行过程（取数送到ACC中）

PC保存指令的地址，送到MAR进行寻址

MAR根据地址到存储体中找到保存的指令

MDR从存储体中取出指令

送到IR中，IR存放要执行的指令

IR将操作码送入CU中进行分析

同时将地址码送到MAR中找这个数的数据

MAR根据地址到存储体中找到要取的数

MDR保存从存储体中取出的数

CU控制下，将要取的数送到ACC中。

CU分析控制这些步骤的过程。

1.3计算机硬件的主要技术指标

机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中寄存器位数有关。

运算速度：主频、核数以及每个核支持的线程数、CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）、MIPS（每秒执行百万条指令）、FLOPS（每秒浮点运算次数）。

存储容量：主存容量（可使用存储单元个数×存储字长来表示存储体容量，MAR*MDR）（也可使用字节数来表示）、辅存容量（字节数表示）。

2.计算机的发展以及应用

2.1计算机的发展史

第一台计算机，1946年ENIAC，十进制运算。

电子技术的发展与计算机体系结构技术的发展对计算机的发展产生了决定性作用。

根据硬件技术来对计算机进行划分代码

电子管→晶体管→大规模集成电路→大规模集成电路→超大规模集成电路

软件技术的发展：机器语言（面向机器）、汇编语言（面向机器）、高级语言（面向问题）。

2.2计算机的应用

科学计算和数据处理

工业控制和实时控制

网络技术

虚拟现实

办公自动化和管理信息系统

CAD/CAM/CIMS

多媒体技术

人工智能

3.系统总线

3.1总线（bus）的基本概念

总线是连