【考研408】 计算机组成原理 第一章

前言

本文章是笔者学习考研408过程中，根据王道B站公开课和王道书做的笔记，有需要的兄弟们可以看看。
文章学了就会更新，学完一章会重新开一篇新的文章，所以一共会有七篇文章（如果我学的完的话），我也会收录在我的专栏里面。

第一章 计算机系统概述

第一节 计算机系统概述

什么是计算机系统

外设就是鼠标、键盘和显示器这类的东西

硬件的发展

第一阶段 艾尼亚克 冯诺依曼

第二代 体积变小 还出现了语言Fortran

第三代 元件继续缩小变成了集成电路

第四代 拥有了超大规模的集成电路

摩尔定律：
集成电路上的晶体管数量，约每隔十八个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍。半导体存储器的发展也满足这个定律
软件的发展
一开始使用的是机器语言，即二进制，后来在机器语言的基础上又发明了汇编语言，之后还出现了其他越来越简单方便的语言

系统类的软件也在不断的发展

目前的发展趋势

第二节 计算机系统层次结构

计算机系统的组成（硬件和软件的定义）

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。
硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称。
软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。

计算机硬件

冯诺依曼计算机的特点
冯诺依曼在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念，“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机统称为冯诺依曼机，其特点如下：

存储程序的基本思想：将事先编制好的程序和原始数据送入主存储器后才能执行，一旦程序被启动执行，就无须操作人员的干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束。简单来说，就是将程序指令和数据以二进制形式共同存储在计算机的内存中。

• 采用存储程序的工作方式
• 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部件组成
• 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机能区分它们
• 指令和数据均用二进制代码表示
• 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
  

补充：还有一个特点就是以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成，这样会导致一个缺陷，运算效率的降低，所以现代计算机的结构为了解决这个缺陷提高计算机运行的性能，改成了以存储器为中心的结构，具体如下图所示。

同时，运算器和控制器被放在了同一块集成电路上，我们称这两者为CPU。而主存储器和CPU被合称为主机。

存储器分为主存储器和辅存储器，主存就是计算机的内存，辅存指的是机械硬盘固态硬盘，这里主机指的是主存储器和CPU，辅存被归类为IO设备。
手机中的APP一般都是存放在辅存中的，当APP需要运行时，才会把相关的数据读到内存中去。

计算机的功能部件：
（1）输入设备
输入设备的主要功能是把程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机。最常用也最基本的输入设备是键盘，此外还有鼠标、扫描仪、摄影机等等；
（2）输出设备
输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或者其他系统所要求的信息形式输出。最常用的有显示器、打印机。输入输出设备，简称IO设备，是计算机与外界联系的桥梁，是计算机中不可缺少的重要组成部分；
（3）存储器
存储器分为主存储器和辅助存储器。CPU能够直接访问的存储器是主存储器。辅助存储器用于帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存储器后，才能为CPU所访问。主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式被称为按地址存取方式。主存储器的基本组成如下图所示：
[图片]
存储体存放二进制信息。
存储体由许多的存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一位二进制代码0或者1，因此存储单元可存储一串二进制代码，这串代码被称为存储字，称这串代码的位数为存储字长，存储字长可以是1B（8bit）或是字节的偶数倍，16bit、32bit或者64bit。
存储器地址寄存器被称为MAR，全称是memory address register，用来存放地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。
存储器数据寄存器被称为MDR，全称是memory data register，用来暂存要从存储器中读或者写的信息。
时序控制逻辑用于存储器操作所需的各种时序信号。

MAR的位数反映了存储单元的个数，如果MAR有两位，那么存储单元的个数就是2^2，这个很好理解，因为如果只有两位，那么最大只能表示11，在十进制中，这个数是3，而地址是从0开始计数的，所有一共能表示四个数字，0,1,2,3，所以一共有四个。
MDR是用来临时存放存储单元中的存储字的，所以它的位数应该和存储字的位数相同，一般是8bit，或者16bit。
（4）运算器
运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。算术运算是按算术运算规则进行的运算，如加减乘除；逻辑运算有与、或、非、异或、比较、移位等等运算。
运算器的核心是算术逻辑单元（arithmetic and logic unit ALU）。
运算器还包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如累加器（accumulator register ACC），乘商寄存器（multiplier-quotient register MQ），操作数寄存器（operand register X），变址寄存器（Index register IX），基址寄存器（base register BR），前三个寄存器是必须具备的。

（5）控制器
控制器是计算机的指挥中心，指挥各部件自动协调地进行工作。
控制器由程序计数器（PC program counter）、指令寄存器（IR instruction register）和控制单元（CU control unit 最核心）组成。
PC用来存放当前想要执行指令的地址，具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址，它与主存储器的MAR之间有一条直接通路。
IR用来存放当前的指令，其内容来自主存储器的MDR。指令中的操作码OP送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列；而地址码Ad送往MAR，用以取操作数。

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器（CPU）。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机以外的其他硬件装置（外存、I/O设备等）统称外部设备，简称外设。

举例说明：
我们写出的高级语言，会先编译成机器能够读懂的二进制代码，存放在存储体中。

初始状态时，（PC）= 0 ，指向第一条指令的存储地址
第一步，（PC）-> MAR ， PC存放的内容会通过地址总线，输入到MAR中，使得（MAR）= 0，同时控制器会通过数据总线，告诉主存储器我这次要执行的是读取操作

第二步和第三步，MAR会在存储器中找到0地址所对应的二进制代码，把这串代码放到MDR中，也就是M（MAR）-> MDR， 使得（MDR） = 000001 0000000101

第四步，MDR寄存的代码会通过数据总线，送到IR中，也就是（MDR）-> IR，使得（IR）= 000001 0000000101

第五步，IR中的操作码会传递给CU，即OP（IR）-> CU，（CU） = 000001，
CU分析后，得知这个是取数指令

第六步第七步第八步， IR中的地址码会传递给MAR，即Ad（IR）-> MAR，（MAR）= 0000000101 = 5 ， MAR找到5对应的二进制代码，把它放到MDR中，即M（MAR）- > MDR , （MDR） = 000000000000000010

第九步，MDR的值会传递给累加器ACC，即（MDR）-> ACC , ACC = 000000000000000010 = 2

通过这九步，才完成了取数指令，令（ACC） = 2
上一条指令取指后，PC会自动加1，此时（PC）= 1，（ACC）= 2，然后执行下一条指令，过程是类似的
#1 （PC）-> MAR , （MAR）= 1
#2 M（MAR）-> MDR , （MDR） = 000100 0000000110
#3 （MDR）-> IR , （IR）= 000100 0000000110
#4 OP（IR）-> CU
#5 Ad（IR）-> MAR , （MAR） = 0000000110 = 6
#6 M（MAR）-> MDR , （MDR） = 0000000000000011
#7 （MDR）-> MQ , （MQ）= 0000000000000011 = 3
#8 （ACC）-> X , （X） = 2
#9 CU会告诉ALU执行乘法操作，然后（MQ）* （X）->ACC , （ACC）= 6

后面都是大同小异的，我就不一个个敲了，看看PPT得了

计算机软件

计算机系统的层次结构

计算机系统的工作原理

第三节 计算机的性能指标

计算机的主要性能指标

几个专业术语