《计算机组成原理》阅读笔记一 计算机组成原理 计算机组成原理学习笔记。阅读书籍为唐朔飞老师《计算机组成原理》第3版（笔记中的截图均来自第2版pdf）
概论 概论主要介绍计算机系统的基本组成、应用与发展，对整体内容进行结构性介绍。 1. 计算机系统概论 1.1 计算机系统简介 1.1.1 计算机的软硬件概念 计算机系统包括硬件和软件。硬件指计算机的实体部分，即看得见摸得着的部分。软件指摸不着的内部程序，包括系统软件和应用软件。系统软件：用来管理计算机系统。例如：标准程序库、语言处理程序（翻译高级语言程序的编译程序等）、操作系统、服务程序、数据库管理系统、网络软件等。应用软件：用户根据任务需要编制的各种程序。 1.1.2 计算机系统的层次结构 高级程序语言，经过编译系统后，翻译得到汇编语言程序； 汇编语言程序，经过汇编系统后，得到机器语言程序； 机器语言程序会被解释为机器指令； 硬件执行机器指令。 1.1.3 计算机组成和计算机体系结构 计算机体系结构是指哪些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。 计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含了许多对程序员而言是透明的硬件细节。 指令系统体现了计算机的属性，这是计算机体系结构的问题，但是指令的实现（如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等）这是属于计算机组成问题。 因此，两台机器指令系统相同时，认为它们具有相同的结构，但是这两台机器是如何实现的这个指令系统，则可以完全不同。 1.2 计算机的基本组成 1.2.1 冯诺依曼计算机的特点 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成。指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。指令和数据均用二进制数表示。指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数载存储器中的位置。程序存放在存储器中，这是核心特点。机器以运算器为中心：输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。 1.2.2 计算机的硬件框图 典型的冯诺依曼计算机是以运算器为中心的，但是现代计算机已转化为以存储器为中心了，如下图所示。以运算器为中心，会导致运算器成为计算机系统的瓶颈。
运算器完成算术运算和逻辑运算，将运算中间结果保存在运算器内。存储器用来存放数据和程序。控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。输入设备将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式。如键盘鼠标。输出设备将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。如打印机、显示器。 由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，大规模集成电路制作工艺的出现，将运算器和控制器集成在同一个芯片上，即中央处理器CPU，输入与输出设备简称为I/O设备。 因此现代计算机可认为包括三部分：CPU、I/O设备与主存储器（Main Memory）。CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备可称为外部设备。 现代计算机组成框图如下图所示。
主存储器：存储器中的一类，用来存放程序和数据，可直接与CPU交换信息。存储器除了主存外，还包括辅助存储器，也称外存。算数逻辑单（ALU）：简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。控制单（CU）：用来解释存储器中的指令，发出各种操作命令来执行指令。ALU和CU是CPU的核心部件。 1.2.3 计算机的工作步骤 用计算机解决问题包括：上机前的准备和上机运行。下面用一个例子来描述整个过程。 上机前的准备包括：建立问题的数学模型；确定问题的计算方法；编制解决问题的程序。 【例如】：计算
。 首先，建立数学模型，已建立好了，上述公式就是解决某个问题的。 其次，确定上述公式的计算方法： 直观的结果可分为如下8步：将取至运算器中；乘以，得到，存在运算器中；乘以，得到，存在运算器中；将送至存储器中；取至运算器中；乘以，得到，存在运算器中；将从存储器中取出与相加，得，存在运算器中；取与相加，得结果。 若是将上式子改写为：，则只需要5步：将x取至运算器中；乘以，得，存在运算器中；加，得，存在运算器中；乘以，得，存在运算器中；加，得，存在运算器中。 为了更快地解决问题，选择5步的计算方法，至此计算方法确定了。 最后，编制程序。此处的程序指机器语言程序（高级语言程序最终都会被翻译为机器语言的）。我们要在某机器上运行的运算程序，需要知道该机器的相关信息。假设该机器的指令字长为16位，其中操作码占6位，地址码占10位。机器指令格式如下图：
其中，操作码表示机器所执行的各种操作，如取数、存数、加减乘除、停机、打印等。地址码表示参加运算的数字在存储器内的位置。下图表示了操作码与具体操作的对应表。
在编写上述程序之前，需要先将存到存储器的相应单内。 现在可以编写程序了。
至此，面向某机器的机器语言程序就编写完成了，可以进行下一步的上机运行了。 上机运行 为了更清楚地描述计算机内部的运行过程，我们需要了解一个更细化的计算机组成框图。
在介绍程序运行过程之前，得先熟悉一下主存储器、运算器、控制器、I/O四部分。 主存储器 主存储器包括存储器M、各种逻辑部件及控制电路等。 存储体M由许多存储单组成，每个存储单又包含若干个存储件，每个存储件能存储一个二进制码0/1。存储字就是一个存储单内存储的这串二进制码，二进制码的长度就是就是存储字长。存储字长可以是8位、16位、32位（8的倍数）。每个存储单都有一个唯一的地址号，不会与其余存储单冲突。 主存的工作就是按存储单的地址号来对存储单进行读写。这种方式就是按地址存取。为了实现按地址访问的方式，主存中配置了两个寄存器MAR和MDR。 MAR(Memory Address Register)是存储器地址寄存器，用来存放欲访问的存储单的地址。MAR的位数与存储单的个数是相关的，如MAR有10位，那么存储单就有个存储单。 MDR(Memory Data Register)是存储器数据寄存器，用来存放从存储单中取出/写入的数据。MDR的位数与存储单的位数，即存储字长是相等的。 随着硬件技术地发展，主存都制成大规模集成电路的芯片，MAR与MDR也都集成在了CPU芯片中。 运算器 运算器最少包括3个寄存器：ACC、MQ、X。当然现代计算机内部往往设有通用寄存器组。ACC是累加寄存器，MQ是乘商寄存器，X为操作数寄存器。 下面是个寄存器所存放的各类操作数。
控制器 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。控制器中包括PC、IR、CU。控制器完成一条指令，具体包括3步：取指：从PC寄存器中取出指令的地址，去相应的地方得到相应的指令放到IR寄存器中。其中，PC寄存器存放待执行指令的地址。IR寄存器存放待执行指令。分析：从IR寄存器中取出待执行的指令，分析操作码和地址码。OP(IR)代表操作码，Ad(IR)代表地址码执行：分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列。 I/O I/O包括各种I/O设备及其相应的接口。每种I/O设备都由接口与主机联系，它接收CU发出的控制命令，并完成相应的操作。 熟悉完上述四部分，下面根据下图描述一下计算机完成一条取数指令（从存储体中取某个数到ACC中）的全过程。PC中存放着指令的地址，将其送到MAR；根据MAR中的地址，去存储体中获得具体的指令，并放到MDR中；MDR中的指令送入IR中；OP(IR)即IR存放的指令中的操作码部分送入CU，CU进行分析，分析后得知这是取数指令；Ad(IR)送给MAR；根据MAR中的地址，去存储体获得具体的数据，并放到MDR中；将MDR中的数据送入ACC寄存器。 上面机器的运行过程就是执行一条指令的过程：从存储体中取一个数到ACC的过程。执行的机器语言程序，就是机器顺序执行一条条指令的过程。将程序通过输入设备送至计算机；程序首地址 —-> PC;启动程序运行；取指令：PC -> MAR -> M -> MDR -> IR, (PC) + 1 -> PC;分析指令：OP(IR) -> CU; 分析出这是一条取数指令。执行指令：Ad(IR) -> MAR -> M -> MDR -> ACC; 执行取数指令。…一条条指令顺序执行下去 1.3 计算机硬件的主要技术指标 1.3.1 机器字长 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。 字长越长，数的标识范围越大，精度越高。 机器字长对硬件的造价也有较大的影响。 1.3.2 存储容量 存储容量包括主存容量和辅存容量。 主存容量是指主存中存放二进制码的总位数：存储单的个数乘以存储字长。MAR的位数可以反应存储单的个数，MDR的位数反应存储字长。 现代计算机以字节数来描述容量的大小。一个字节为8位。 1.3.3 运算速度 计算机的运算速度与许多因素有关：机器的主频、操作类型、主存速度等。 评价运算速度的方式：吉普森法：考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比。MIPS：1秒钟能执行几百万条指令。CPI：执行一条指令所需的时钟周期。FLOPS：每秒钟的浮点运算次数。
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