【计算机组成原理 1】计算机硬件概念

0️⃣ 参考

王道计算机考研408

1️⃣ 冯·诺依曼机

核心思想【存储程序】
存储程序就是将指令先放入内存中，再从内存读取指令执行，从而实现自动化。
核心【运算器】
说明：在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的
例如：乘法的实现，既可以在存储器中使用硬件电路实现乘法允许，也可以使用软件多次加法模拟

六大特点

由五个硬件部分组成【输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器】
指令和数据以同等地位存入存储器，并且可以按地址寻访
指令和数据都是二进制
指令由操作码和地址组成
”存储程序“
以运算器为中心

弊端

可以发现数据一开始放入存储器时，不能直接放入存储器需要经过运算器、读取数据时不能直接从存储器读取，还要经过运算器

所以运算器压力🍐很大，至此，现代计算机诞生。

2️⃣ 现代计算机

核心特点：【以存储器为中心】，解决了冯·诺依曼机让运算器压力大的问题
CPU诞生：【运算器+控制器】，紧密联系，提高效率

设备总结

主机

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设备

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3️⃣ 存储器

基本结构图

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读取过程

读
1. CPU先将需要取的地址放入MAR
2. 主存储器控制逻辑去找地址对应得值
3. 找到后写入MDR
4. 最后CPU通过数据线路取走MDR的数据
取
1. CPU将想要写入的位置放在MAR
2. CPU将想要写入的数据放在MDR
3. CPU通过控制总线告诉主存储器，“我要写”
4. 主存储器通过这三个信息就明白了，就去存

存储体

存储单元：一串二进制代码

存储字：就是存储单元中存的东西（一串二进制代码）
存储字长：存储单元中二进制代码的长度
存储元：小电容，存储一个bit

计算细节和混淆点

存储体中取出的数据是要放入MDR的，所以MDR位数 = 存储体位数（存储字长）

例如
- MAR = 4位，说明有个序号，也就是有16个存储单元【整体的个数】
- MDR = 16位，说明存储字长为16，也就是一个字（word，不是字节）的大小为16bit
混淆点【字和字节和比特位】
- 字（word），不确定，看计算机
- 字节（Byte），1B = 8bit，8个比特位，是固定的【100Mbps，大约就是100/8 MB/s】
- 比特位（bit），可以简称比特，也可以简称位

4️⃣ 运算器

ACC【Accumulate Register】累加器，存放操作数或运算结果
MQ【Multiple-Quotient Register】乘商存储器，存放操作数或运算结果
X 通用的操作数存储器，多个
ALU【Arithmetic and Logic Unit】算术逻辑单元，核心，其他都是寄存器，它才是老大

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5️⃣ 控制器

CU【Control Unit】控制单元，核心
IR【instruction Register】指令寄存器，存放当前执行指令
PC【Program Counter】程序计数器，存放下一条指令地址，自动加1

宏观的完成一条指令

取指令 PC
分析指令 IR
执行指令 CU

6️⃣ 执行过程【难点】

高级语言 -> 机器语言

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第一条指令

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(PC)是指读取PC中的数据

（PC） -> MAR 【此时MAR = 0】，由于PC存储下一条指令的地址，所以最开始从PC中拿，地址！地址！地址！这里比较绕，下一条地址也就是这次该执行的地址，不要专牛角尖
M（MAR） -> MDR【MDR = 000001 0000000101】，由地址在存储体中找到相应的指令或值
（MDR）-> IR【IR = 000001 0000000101】
OP（IR） -> CU 将IR中的操作码部分取出，交给CU分析，然后分析出是取数指令
AD（IR） -> MAR 【MAR = 0000000101(5)】，由CU分析出取数，就取出IR中地址码的数
M（MAR） -> MDR 【MDR = 0000000000000010（2）】
（MDR） -> ACC 【ACC = 2】，在控制单元的控制下，将数据放到ACC中

第二条指令

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PC执行完上一条指令后，会自动+1，所以现在PC = 1

（PC） -> MAR 【MAR = 1】
M（MAR） -> MDR 【MDR = 00100 0000000110】
（MDR） -> IR 【IR = 00100 0000000110】
OP（IR） -> CU 【CU = 00100】

CU分析后发现，是一个乘法操作，开始指挥IR去取数
AD（IR） -> MAR 【MAR = 0000000110（6）】
M（MAR） -> MDR 【MAR = 0000000000000011（3）】
（MDR）-> MQ 【MQ = 3】
CU发现是乘法操作，先（ACC） -> X【X = 2】,将被乘数放入X3 * 1,3是被乘数
（MQ）（X）-> ACC 【ACC = 32 = 6】,如果结果很大，会放入MQ辅助存储

第三条指令

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可以发现前面取数指令是相同的，下面直接就省略了

CU分析后发现是一条加法指令
AD（IR） -> MAR 【MAR = 0000000111(7)】
M（MAR） -> MDR 【MDR = 0000000000000001（1）】
M（MDR） -> X 【X = 1】
（ACC） + （X） -> ACC 【ACC = 7】，由ALU实现加法运算

第四条指令

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CU分析后发现是一条存储指令
AD（IR） -> MAR 【MAR = 0000001000(8)】
（ACC） -> MDR 【MDR = 7】，先将要存储的数据放在MDR中
控制单元会通过控制总线告诉主存储器，此次要进行写操作，然后主存储器就会把MDR放入MAR的地址中【原始数据y = 8】

第五条指令

CU分析后发现是一条停机指令，就结束了

总结分析

慢慢不难发现，前面的取数操作基本上是一样的，变化的是在CU分析完操作码后的操作

冯·诺依曼机的特点更加明显
- 五大部件
- 指令和数据平等存放在存储器中
- 指令和数据都是二进制
- 指令 = 操作码 + 地址码
- 存储程序
- 以运算器为中心

7️⃣ 计算机系统的层次结构

五层结构

M4【高级语言机器】，执行高级语言
M3【汇编语言机器】，执行汇编语言
M2【操作系统机器】，向上提高操作系统指令

M1【传统机器】，执行机器指令
M0【微程序机器】，执行微指令

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三个级别的语言

高级语言【编译器、解释器】
汇编语言【相当于机器码的助记符号】
机器语言【真正能执行的】

编译、汇编、解释程序统称为：翻译程序

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机体与机组的区别

计算机体系结构，研究的是硬件和软件之间的接口设计
计算机组成原理，研究的是如何用硬件实现定义的接口

8️⃣ 计算机性能指标

存储器

总容量 = 存储单元的个数（ $2^{MAR}$ ） * 存储单元的容量(len(MDR))

例如
- MAR为32位，MDR为8bit
  则，总容量为 $2^{32}* 8bit = 4Gb * 8bit = 4GB$

$2^{10} = 1Kb * 8bit = 1KB$
$2^{20} = 1Mb * 8bit = 1MB$
$2^{30} = 1Gb * 8bit = 1GB$
$2^{40} = 1Tb * 8bit = 1TB$

CPU【重点】

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CPU时钟周期：也就是上图中一段的脉冲信号【单位：微秒、纳秒】
CPU主频： $\frac{1}{CPU时钟周期}$ 【单位：Hz】
CPI(Clock cycle Per Instruction)：执行一条指令所需的时钟周期数【是一个数】，这个还会受到其他硬件约束，所以一般都是考虑平均CPI
执行一条指令的耗时：CPI * CPU时钟周期
CPU执行时间： $\frac{指令条数 * CPI}{CPU主频}$

例如：
CPU主频1000Hz，程序包含100条指令，平均CPI位3，则该程序在CPU上执行需要多久？
$\frac{100 * 3}{1000}$

IPS(Instructions Per Second)：每秒钟执行多少条指令【IPS= $\frac{CPU主频}{平均CPI}$ 】，当然也有KIPS、MIPS…

FLOPS：每秒执行多少次浮点运算，当然也有KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS

注意
这里K是10^3,M是106…是1000的倍数，与容量的要区分开

9️⃣ 系统整体性能指标

常见指标

数据通路带宽：也就是数据传输总线的容量
吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
响应时间：处理到处理结束的时间
基准程序：…鲁大师…

CPU小问题

主频高一定比主频低的快吗？
- 不一定，因为CPI不一样
- 例如：A主频2GHz CPI=10，B主频1GHz CPI=1。
  - A（IPS）= $\frac{2}{10} = 0.5$
  - B（IPS）= $\frac{1}{1} = 1$
  - 所以B更快
CPI也相同会更快吗？
- 不一定，指令系统不同，也是不一样的
基准程序越快越好吗？
- 不一定，因为，每个电脑的侧重点不同，存在语句的频度差异