计算机组成原理之机器：计算机系统的基本概念

计算机组成原理之机器

笔记来源：哈尔滨工业大学计算机组成原理（哈工大刘宏伟）

Chapter1：计算机系统的基本概念

1.1 计算机系统简介

从物理构成的角度对计算机系统分层

计算机组成原理主要关注微体系结构（Mirco-architecture）层和逻辑（Logic）层，学习主要部件的逻辑实现、主要部件之间的连接来实现datapath（指令执行过程中，数据所经过的路径，数据所经过的路径，包括路径中的部件，包括路径中的部件。它是指令的执行部件）、实现控制

Digital Circuits 数字电路层（利用模拟电路元件构建与门、非门）
Analog Circuits 模拟电路层（利用下层接口进一步构建放大器、滤波器等模拟电路部件，这些部件工作在连续电压下）
Devices 电子元件层（电子在不同物质中的移动特性构建电子元件，电子元件的特征可以用连接点、管脚、电流电压特征来描述）
Physics 物理层面（电子的移动）

从程序员视角对计算机系统进行分层

1.2 计算机的基本组成

计算机由五大部件组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备

哈佛结构和冯诺依曼结构主要区别在是否区分指令与数据。在教科书里这是两种截然不同的做法。实际上在内存里，指令和数据是在一起的。而在CPU内的缓存中，还是会区分指令缓存和数据缓存，最终执行的时候，指令和数据是从两个不同的地方出来的。你可以理解为在CPU外部，采用的是冯诺依曼模型，而在CPU内部用的是哈佛结构。—引自：为什么电脑还沿用冯·诺伊曼结构而不使用哈佛结构？

冯诺依曼结构以运算器为中心，输入设备数据输入运算器再到存储器，存储器数据先到运算器再到输出设备

以存储器为中心

现代计算机硬件框图

计算 $ax^2+bx+c$ 为例，了解计算机工作过程

将上述每一个动作用指令形式表示
[a]代表内存中a的具体值、[ACC]表示累加寄存器中的值

指令和数据都保存在存储器中

存储器的结构是什么？如何进行访问？每次访问获得的数据位数是多少？

存储器的基本组成

MAR中保存了存储单元的地址
MDR中保存了要送到CPU中的数据或要保存到存储体中的数据或刚刚从存储体中取出来的数据

运算器的基本组成

运算器的结构是什么？运算器功能是什么？运算器是如何工作的？加法？乘法？

为了是算术逻辑单元ALU能够对计算结果进行保存，必须在ALU的输入端加上寄存器，寄存器保存参与运算的数据，我们需要2个寄存器（累加寄存器ACC和数据寄存器X）作为输入数据的保存设备。
因为两个数相乘的结果，其结果位数远超两个数的位数，所以我们还需要一个乘商寄存器MQ负责数据的乘法与除法运算并可保存运算结果

加法操作过程

被加数存在ACC中	根据地址M取出加数到X中
将ACC中被加数与X中加数在ALU中相加	相加结果保存至ACC中

乘法操作过程

被乘数存在ACC中	根据地址M取出乘数到MQ中
将ACC中的被乘数移动到X	ACC清零用于后序保存乘法结果的高位
X中被乘数与MQ中乘数相乘	相乘结果的高位放在ACC，低位放在MQ

除法操作过程

被除数存在ACC中	根据地址M取出除数到X中
ACC中被除数与X中除数进行除法运算	相除结果中商保存在MQ中，余数保存在ACC中

以上各种动作都是在控制器控制下完成的

控制器的基本组成

控制器的结果如何？
控制器的功能？解释指令、保证指令的按序执行

CPU（运算器、控制器）、存储器

一条指令在主机上的完成过程，以取数指令为例
1.取指令过程
PC将取数指令的地址送给MAR，再由MAR送给存储体，在控制器的控制下存储体把指定存储单元中的内容（这里为取数指令）取出送入到MDR，将取数指令送入IR

2.分析指令，将IR中指令的操作码部分送往CU，经过CU译码后

3.执行指令
将IR中操作数的地址码部分送往MAR，由MAR将那个数取出送往MDR，将那个数送往ACC中保存

存数指令过程