《计算机组成原理》笔记一

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纲要：

• 计算机系统简介

• 计算机系统基本组成

• 计算机硬件主要技术指标

1.1 计算机系统简介

Q1:现代计算机由哪几部分组成？(顶层抽象)

A:软件 + 硬件。本课程主要讲硬件的设计逻辑。

系统复杂性管理方法

• 1、抽象：隐藏系统中不重要的细节

• 2、层次化：划分为多个模块，分别对模块设计

• 3、模块化：有明确定义的功能与接口

• 4、规则性(regularity)：模块更容易被重用

从程序员角度来分层：高级语言—>汇编语言—>操作系统—>机器语言—>微指令系统

1.2 计算机的基本组成

一、冯诺依曼计算机特点

• 五大部分组成(运算器、控制器、存储器、输入、输出) (是不是一定需要这五个部件？)

• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按址寻访

• 指令和数据都是二进制表示(为什么用二进制？换成别的进制不可以吗？)

• 指令由操作码与地址码组成

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">存储程序</mark>(核心特征)

• 以运算器为中心

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其结构的问题：<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">以运算器为核心</mark>，运算器成为性能的瓶颈；不具有层次化特征

二、计算机硬件框图

改进：

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">以存储器为中心</mark>的计算机硬件框图

• image-20190618141831974.png

• 层次化划分：

image-20190618142029902.png

注：主存+CPU构成主机；辅存和输入输出设备构成I/O系统

将图中每个部分进一步细化，再重新组装起来就构成了计算机组成系统。(层次化+模块化)

思考：真正的运算器、控制器、存储器结构都是什么样的？(这正是本课程要学习的)

Q:一个现实中的问题，如何用计算机来解决？

Q:是不是所有的问题都可以用计算的方法来解决？(可计算性理论/算法理论)(e.g.图灵机停机问题)

假设我们面对的是一个可计算问题，如何解决一个问题呢？

三、计算机工作步骤

我们设定一个可计算的问题，来对计算机组成框图的各个部件进行细化。

1、上机前的准备

• 建立数学模型

• 确定计算方法

• 编制解题程序

  • 程序：运算的全部步骤

  • 指令：每一个步骤

• 编程举例：

  • image-20190619114800662.png

  • 可以看出上面两种算法，前一种有一些将计算结果保存到存储器中的步骤，后者全都在运算器中进行运算。

  • 把上面的步骤用指令的方式表示：

image-20190619115632966.png

前8个地址保存的是指令，后5个地址保存的是数据；每一条指令都由操作码和地址码组成；其中注意乘法部分，将乘法的结果存放到ACC中，可能存在溢出的问题，如何解决呢？

指令和数据保存在存储器中，所以存储器是什么样的？如何访问呢？每次访问获得的数据的位数是多少呢？我们先从存储器的结构来看。

2、计算机的解题过程

2.1存储器的基本组成

image-20190620164411717.png image-20190620164438168.png

类比：

• 存储体 — 存储单元 — 存储原件(0/1)

• 大楼 — 房间 — 床位 (有人/没人)

重要概念：

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">存储单元</mark> ：存放一串二进制代码(可能是指令，也可能是数据)

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">存储字</mark> ： 存储单元中二进制代码的组合

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">存储字长</mark>：存储单元中二进制代码的位数(32位/64位)

每个存储单元赋予一个地址号，每个存储单元中存放一个存储字；存储单元按地址寻访

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">MAR</mark>(Memory Address Register)存储器地址寄存器：存地址的，反映存储单元的个数

• <mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">MDR</mark>(Memory Data Regester)存储器数据寄存器：存数据的，反映存储字长

  设MAR=4位 说明存储单元个数是2的4次方=16个（反映存储单元的个数）;

  MDR=8位，说明存储字长8位

解释：计算机中的主存数据寄存器(MDR)，与主存地址寄存器(MAR)帮助完成CPU和主存储器之间的通信：

• MAR用来保存数据被传输到的位置的地址或者数据来源位置的<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">地址</mark>；

• MDR保存要被写入地址单元或者从地址单元读出的<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">数据</mark>。

2.2 运算器的基本结构及操作过程

运算器的功能是什么，如何工作？

• 加法运算

• 乘法运算

• 或与非

运算器结构：

image-20190621105615891.png

• ALU（Arithmetic Logic Unit）：算数逻辑单元，核心运算单元；通常是个组合电路，其特点是如果输入撤销，那么输出结果也会撤销，所以如果要保存结果需要在输入输出端加上相应的寄存器（ACC，X）；

• ACC（Accumulator）：累加器；

• X： 数据寄存器；

• MQ：乘商寄存器（在乘法过程中，产生的结果是操作数的两倍）为了把乘法结果都保存下来，需要此寄存乘法增加的部分；

	ACC	MQ	X
加法	被加数、和		加数
减法	被减数、差		减数
乘法	乘法结果的高位	乘数、乘法结果的低位	被乘数
除法	被除数、余数	商	除数

乘法：加法+移位操作 (<u style="box-sizing: border-box;">这里有点不太清楚</u>)

除法：减法+移位操作 (<u style="box-sizing: border-box;">这里有点不太清楚</u>)

<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">(回去看看《编码》、《CSAPP》第二章理解理解，再回过来看看)</mark>

2.3 控制器的基本结构

运算器中各种操作都是在控制器的控制下执行的。那么控制器的功能是什么，进而其结构应该是什么样的呢？

功能：

• 解释指令

• 保证指令按顺序执行

基本结构：

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完成一条指令：

• 取指令(PC)

• 分析指令(IR)

• 执行指令(CU)

结构：

• CU：核心控制单元，执行指令

• PC：程序计数器，用来存放当前要执行<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">指令的地址</mark>，具有计数功能(PC) + 1 —> PC(不同的机型，这里不一定+1，即相邻两个指令的物理地址不一定相邻)

• IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令

2.4 主机完成一条指令的过程(极其重要！)

这里要好好理解每一个指令步骤，理解了每一个步骤就相当于理解了这一章。

(1)主机完成一条取数指令的步骤

取数指令的功能：把存储体(主存/内存)中的数存到ACC中

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完成一条指令的三个阶段：

1. 取指令

2. 分析指令

3. 执行指令

（注：指令：操作码+地址码）

<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">取数操作步骤分析</mark>（如图）：

1. 要执行的指令的地址保存在PC中，指令保存在存储体中；第一步将PC中要执行的指令的地址放入MAR;

2. MAR将指令地址送给存储体M；

3. 在控制器的控制下，存储体M将指令地址中的指令送给MDR;

4. 在控制器的控制下，将MDR中的指令存到IR中；(到此，取指令的操作完成；PC—>MAR—>M—>MDR—>IR)

5. 分析指令：将IR中指令的操作码部分给CU，由CU去分析控制执行；

6. 把IR中指令中待取的数的地址部分送到MAR；

7. MAR将数的地址送给存储体M；

8. 在控制器的控制下，存储体M将数的地址中的数送给MDR;

9. 在控制器的控制下，MDR中的数交给ACC保存。

(2)主机完成一条存数操作步骤

存数指令的功能：把存放在ACC中的计算结果存到内存单元M中

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<mark style="box-sizing: border-box; background-color: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); background-position: initial initial; background-repeat: initial initial;">存数操作步骤分析</mark>（如图）：

1. 要执行的指令的地址保存在PC中，指令保存在存储体中；第一步将PC中要执行的指令的地址放入MAR;

2. MAR将指令地址送给存储体M；

3. 在控制器的控制下，存储体M将指令地址中的指令送给MDR;

4. 在控制器的控制下，将MDR中的指令存到IR中；(到此，取指令的操作完成；PC—>MAR—>M—>MDR—>IR)

5. 分析指令：将IR中指令的操作码部分给CU，由CU去分析控制执行；

6. 把IR中指令中待存的数的地址送到MAR；(从这一步开始不同)

7. MAR将数的地址送给存储体M，告诉存储体要存进来一个数，其地址是多少；

8. 在控制器的控制下，将ACC中要存的数交给MDR;

9. 在控制器的控制下，将MDR中的数交给存储体。

存取数指令已经分析完了，那么加法、乘法、停机、打印等指令在这个模型下怎么执行？(自行思考)

2.5 程序在计算机上如何执行

一条指令的执行步骤我们已经知道了，那么一条程序(多条指令的指令集)的执行步骤就是把一条条指令按顺序执行；

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这里同样只是分析了取指令的步骤，任何一条指令都可以分为三步执行：取指令—>分析指令—>执行指令。注意PC执行完一条指令之后，就可以+1了，指向下一条指令的地址。

1.3 计算机硬件指标

一.机器字长

CPU一次能处理数据的位数（如可以对两个8位二进制数进行加法，就是8位），与CPU中的寄存器（ACC,X,MQ）的位数有关。

一般来说，机器字长越长性能越好。

二.运算速度

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前两个是硬件指标；后四个是从指令执行的角度来衡量的。

三.存储容量

存放二进制信息的总位数

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1.4 总结

• 首先，本课程介绍的是硬件的组成逻辑。介绍了4中复杂系统的管理方法：抽象、层次化、模块化、规则化等。

• 然后，本章介绍了一条程序的指令（分为操作码和地址码）到底是在主机中怎样执行的，我觉得这部分对我来说很重要，我大概了解了计算机关于程序或指令执行的重要结构：运算器、存储器、控制器，并且了解他们如何工作的。

• 最后，介绍了计算机的硬件指标，其实也就是分别对应于CPU结构和存储器结构，简单了解一下。