计算机组成原理概论

冯诺伊曼结构

冯诺依曼计算机的特点：

1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成存储程序
5. 以运算器为中心 （输入输出设备和存储器之间的数据传送通过运算器完成）

现代计算机组成结构

主要以存储器为中心

硬件的概念介绍：
· 硬件
·主机
- CPU
- 运算器
- 控制器
- 主存 (通常值内存)
· I/O设备
- 辅存 (通常值固态或者机械硬盘)
- 输入设备
- 输出设备

计算机结构抽象

一个简单的计算机大致由以下的这些部分组成

主储存器

• MAR (memory address register) 储存地址寄存器
• MDR (memory data register) 存储数据寄存器
• 存储体

存储体

存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字(word)：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit

例：
MAR = 4位 -> 总共有 $2^4$ 个储存单位，相当于寻址范围
MDR = 16位 -> 每个存储单元可以存放16bit

CPU

运算器

运算器: 用于实现算术运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）

ACC: 累加器，用于存放操作数，或运算结果。
MQ: 乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
X: 通用的操作数寄存器，用于存放操作数

ALU: 算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

控制器

CU (control unit): 控制单元，分析指令，给出控制信号
IR (instruction register): 指令寄存器，存放当前执行的指令
PC (program counter): 程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能

完成一条指令：取指令 -> 分析指令 -> 执行指令
PC, IR: 取指令
CU: 执行

计算机系统的层次结构

性能指标

储存器的性能指标

总容量 = 存储单元个数 x 存储字长 bit
= 存储单元个数 x 存储字长/8 Byte
Eg:

• MAR为32位
• MDR为8位
• 总容量 = $2^{32}\ast 8bit=4GB$

CPU的性能指标

• CPU主频 = 1 / 时钟周期
• CPI (Clock Per Instruction): 执行一条指令需要的时钟周期数
• 执行一条指令的好使 CPI * 时钟周期长度
• IPS (Instruction Per Second): 每秒执行多少条指令 = 主频 / 平均CPI
• FLOPS (Ploating-point Operations Per Second): 每秒执行多少次浮点运算

系统整体性能指标

• 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）
• 吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。
• 响应时间