计算机组成及结构_计算机组成思维导图

理解计算机系统：计算机的组成 　　组成原理学习方法(来自大学老师的总结):抽象课程，联想现实，克服畏难，转变思路。抓住信息流的变换、表示、处理、传送、存储。整体学习，避免孤立。 　　一.计算机系统简介 　　1.1 计算机系统的组成 　　计算机系统由软件和硬件构成，图1-1为计算机系统的基本组成。

图1-1 计算机系统组成 　　1.2 计算机系统层次结构 　　操作系统是一种系统软件，它是与计算机硬件直接打交道的人。我们通常说的操作系统工程师就会接触到底层硬件的驱动开发，就是让操作系统更好的控制各种硬件。

图1-2 计算机系统层次结构 　　图1-2展示了计算机系统的基本层次结构，从这个图当中我们也可以看出一个程序是如何编译运行的。 　　以C/C++程序为例子：

图1-3 C++/C 运行过程(理解过程)

图1-4 C++/C运行过程 　　一个程序的核心执行流程为编译和汇编，编译就是将特殊的语言例如C++编译为汇编器可以进行翻译的语言(test.s)，而汇编器将这种语言汇编为机器语言(test.o)。机器语言是计算机可以直接执行的代码和语言，主要成分为0和1。 　　编译笼统上来说是产生目标程序的过程(包括预处理、编译、汇编这些细节过程)，也就是从test.c到test.o就是广义的、非正式的编译过程。 　　1.3 语言分类 　　1.3.1 语言分级（笼统概念） 　　目前随着计算机科学水平不断提高，计算机语言已经发展出第四代、第五代甚至更高级的语言。第一代：机器码。也就是上文提到的机器语言，主要成分0、1。冯姓男子曾定下行业标准要用二进制表示指令和数据，因此机器码中既有指令也有数据。第二代：汇编码。机器码都是0、1比较难记，汇编码就是将机器码串改编为助记符。例如: add ax,1。底层就是一串二进制代码。第三代：高级语言。C都是高级语言，C++不用说，Python、JS这些脚本语言不用说，C#、Java这些更“面向对象”(Object-Oriented)的语言更不用说了。第四代：非过程语言。说白了，就是抽象程度更高了，我一句话，就能够自动生成高级语言并有序执行。例如SQL就是比较常见的第四代语言。第五代：智能语言。Prolog，只要给出事实和规则，它会自动分析其中的逻辑关系，然后允许用户通过查询，完成复杂的逻辑运算。 　　1.3.2 解释型/编译型语言 　　解释型语言和编译型语言的区别主要是是否编译，而不在于是否逐条执行。 　　举LZ最喜欢的三种语言为栗子。 　　Scala语言的运行过程:Scala语言是编译型语言，它的执行需要经过编译，但它是基于JVM平台逐条执行的。也就是每执行一条源码指令就编译成字节码程序在JVM平台上运行。 　　Python语言的运行过程:Python语言是解释型语言，需要带着一个解释器。例如： 先翻译成中间代码，解释器解读并执行。因为我们说源程序到产出机器码的过程才笼统叫做编译，因此这种源程序到中间代码的过程只能描述为“翻译”。 　　Java语言的运行过程:Java也是一门编译型的语言。源程序文件经过编译之后形成字节码文件(.class)，这种字节码文件还不能在操作系统上直接运行，还需要在JVM(Java Virtual Mechine)平台上运行。 　　二.计算机的基本组成 　　冯诺依曼冯大佬，被誉为“计算机之父”，20世纪最重要的数学家之一。兴趣爱好为博弈论、计算机、生化武器、原子弹等。

图2-1 冯大佬看似萎靡的生活其实充满生机 　　该冯姓男子创建了一个广为流传、并被“取其精华、弃其糟粕”的计算机结构—–冯诺依曼计算机。

图2-2 冯诺依曼计算机 　　取其精华： 　　1/采用存储程序的思路进行工作：将程序按照地址顺序放在内存储器中，运行时，按地址顺序取出存放在内存储器中的指令，并分析执行，当遇到跳转指令时，跳转(cs:ip)到指定地址,再按次序执行。 　　优点：计算任务能够按序列批量执行。 　　2/指令和数据都使用二进制表示：物理信号的逻辑就是基于0、1进行传输的。别看我们现在看它很容易，但是把你放到过去，你未必能想到。 　　3/指令和数据以同等地位存储于存储器，可按地址寻访，其中指令由操作码和地址码组成。 　　弃其糟粕： 　　1.使用运算器为中心：什么都要走运算器的流程？我就打印一个Pi运算器都要走半天?那我核心的计算任务就不用干了。 　　

图2-3 以运算器为中心 转变为 以存储器为中心 　　冯诺依曼计算机提出了计算机在硬件组成上的五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

图2-4 现代计算机硬件框图主存储器包含了ROM和RAM，也就是内存。外存属于外设而不是主存。 　　三.从计算机处理问题的过程看五大部件 　　

*图3-1 计算机五大部件组成框图 　　STEP1: 取指令 　　机器启动后，将PC中存储的下一条指令的地址送入MAR，并命令存储器做读操作，存储器读出对应的指令并存入MDR。然后送入IR。[1] PC -> MAR[2] [MAR] -> MDR[3] MDR -> IR 　　STEP2：分析指令 　　IR中的指令送入CU进行分析。[4] OP(IR) -> CU 　　STEP3：执行指令 　　例如00000中分析出000001是取数指令，于是将0000001000送入MDR进行一个取数流程(将数据的地址送入MAR，并命令存储器读数据，将数据存储到MDR)。最后将数取到运算器的ACC中进行下一步操作，PC寄存器加一。[5] Ad(IR) -> MAR[6] [MAR] -> MDR[7] MDR -> ACC[8] (PC) + 1 -> PC 　　3.1 主存储器的构成 　　

图3-2 存储器的组成框图 　　存储体：存储体由许多存储单构成，每个存储单又包含多个存储件(触发器或者电容)，每个存储件能够寄存一位的0或者1。存储单：存放一串二进制代码/数据。一般存储单的大小为8位。每个存储单赋予一个地址号，计算机可以按照这个地址号寻访。存储字：几个存储单组成一个存储字。存储字长：存储单中二进制代码的位数。存储字长可以是8位、16位、32位等。 　　主存的工作方式就是按存储单的地址号存取存储字。这个流程称为简称。为了能够实现访存，主存中还必须配置两个寄存器MAR、MDR： MAR(Memory Address Register)：存储器地址寄存器，用于暂存欲访问的存储单地址，地址号的长度能够反映存储单的个数。例如MAR有10位，则存储单的个数就是2^10个，也就是有1024个存储单。MDR(Memory Data Register)：存储器数据寄存器，用于暂存从存储体某单取出的代码或者准备往某存储单存入的代码，反映的是存储字长。例如MDR有16位，则存储字长就是16位。 　　早期的计算机，存储字长=指令字长=数据字长，一次访存可以取出一条数据或者指令。 　　如今计算机需要适应高精度高内存利用效率的存储，存储字长、指令字长、数据字长可以各不相同。但它们都是字节的整数倍。 　　3.2 运算器运算流程 　　

图3-3 运算器如何进行加减乘除ACC(Accumulator)：累加器，有特殊用途的二进制八位寄存器。MQ(Multiple-Quotient Register)：乘商寄存器，在乘、商计算中用于保存计算参数与计算结果的寄存器。ALU（Arithmetic and Logic Unit): 算逻单，是能够实现多组算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。X：操作数寄存器，用于暂存参与运算的数，包括加数、减数、被乘数、除数等。 　　以乘法为例子： 我们要将乘数和被乘数分别放到MQ和X寄存器当中，最终计算结果是乘积高位保存到ACC，低位保存到MQ。 　　假设计算机读到了指令,其详细步骤为: 　　3.3 控制器的基本组成 　　

图3-4 控制器的基本组成 　　控制器是计算机的神经中枢，由它指挥各部件自动、协调地工作。CU：控制流程，负责计算机的流程控制。IR（Instruction Register）：指令寄存器，存储下一条需要执行的指令。PC（Program Counter）：指令计数器，存储下一条要执行指令的地址。ID（Instruction Decoder）：指令译码器，对指令进行分析解释。时序部件：提供时序功能。 　　3.4 I/O设备 　　CPU和主存构成了主机，除主机外的大部分硬件设备都可以称为I/O设备或者外设。 　　详细的外设知识点可以参照：【操作系统】总结五（I/O管理） – peterYong – 博客园 　　四.硬件主要技术指标 　　4.1机器字长 　　机器字长越长，计算机计算精度越高，针对高精度计算的运算次数越少，运算速度就越快。 　　常见的机器字长有32位、64位的。 　　4.2 运算速度 　　运算速度一般使用主频和MIPS来衡量。 　　1)MIPS – Million of Instruction Per Second 每秒执行多少百万条指令 　　2）主频。主频：CPU在单位时间内发出的脉冲数。单位为MHz。CPI(Cycle Per Instruction): 执行一条指令所需的时钟周期，也就是机器主频的倒数。 　　3）Flops 　　一般超算使用的是Flop/s也就是每秒执行多少次浮点数计算。

图4-1 2019年6月公布TOP100超级计算机 　　IBM的Summit尖峰的最大运算速度为每秒完成万亿次浮点运算(TFlops)。我国的“神威•太湖之光”峰值运算速度为每秒.9万亿次浮点运算(TFlops)。 　　4.3 存储容量 　　存储容量 = 存储单个数 x 存储字长 　　假设MAR为16位，MDR为32位。则存储单的个数是2^16也就是65536个存储单，存储字长为32位，总的存储容量也就是2^16 x 32 = 2M 位。 　　参考 　　[1] 系统架构师教程.第四版 P14-18 　　[2] 计算机组成原理 唐朔飞 第二版 高教社