计算机系统层次结构¶
计算机系统的组成¶
计算机硬件¶
冯诺依曼机基本思想¶
-
计算机由五大部件组成: 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
-
指令和数据以同等地位存放在存储器中，并可按地址寻访
-
指令和数据都用二进制表示
-
指令由操作码和地址码组成
-
存储程序并按地址顺序执行
-
以运算器为中心（现代计算机以存储器为中心）
Note
冯诺依曼结构计算机中数据采用二进制编码表示，主要原因有:
-
二进制的运算规则简单
-
制造两个稳态的物理器件比较容易
-
便于用逻辑门电路实现算术运算（逻辑运算/真值运算）
计算机的功能部件¶
主存储器¶
主存储器的组成¶
-
存储体: 数据在存储体中按地址存储
-
MAR（存储地址寄存器）: MAR位数反映存储单元个数，即地址范围
-
MDR（存储数据寄存器）: MDR位数反映存储字长，即每次存取的数据位数
相关概念¶
-
存储元: 即存储二进制的电子元件，每个存储元可存储 \(1 bit\)
-
存储单元: 每个存储单元存放一串二进制代码，由若干个存储元组成
-
存储字: 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
-
在同一个存储器中，每个存储单元的宽度，即存储字长是固定的
-
\(1 Byte = 8 bit\)
运算器¶
运算器的组成¶
-
ACC（累加器）
-
MQ（乘商寄存器）
-
X（通用操作数寄存器）
-
ALU（算术逻辑单元）
相关概念¶
各个部件运算过程中存储的数据¶
| \(+\) | \(-\) | \(\times\) | \(\div\) | |
|---|---|---|---|---|
| ACC | 被加数、和 | 被减数、差 | 乘积高位 | 被除数、商 |
| MQ | - | - | 乘数、乘积低位 | 商 |
| X | 加数 | 减数 | 被乘数 | 除数 |
乘积高位与乘积低位
在计算机组成原理的二进制乘法运算中，为了处理 \(n\) 位数相乘得到 \(2n\) 位积的情况，通常将结果分为乘积高位和乘积低位存储。高位由累加器（ACC）存放，低位由乘商寄存器（MQ）存放，并在相乘过程中配合右移操作完成计算1。例如，当十进制运算 \(0.1 \times 0.1 = 0.01\) 积为两位小数，这时ACC和MQ就需要各存一位。
控制器¶
控制器的组成¶
-
CU（控制单元）: 分析指令
-
IR（指令寄存器）: 存放当前执行的指令
-
PC（程序计数器）: 存放下一条指令的地址，有自增功能
Tip
- CPU = 运算器 + 控制器 （+ 若干寄存器）
计算机软件¶
系统软件和应用软件¶
三个级别的语言¶
软件和硬件的逻辑功能等价性¶
计算机系统的层次结构¶
-
虚拟机器 \(M_4\) （高级语言机器）
-
虚拟机器 \(M_3\)（汇编语言机器）
-
虚拟机器 \(M_2\)（操作系统机器）
-
传统机器 \(M_1\)（机器指令系统）
-
微程序机器 \(M_0\)（微指令系统）
计算机系统的工作原理¶
"存储程序"工作方式¶
从源程序到可执行文件¶
指令执行过程的描述¶
初始时指令和数据存入主存，PC指向第一条指令，从主存中取出指令放入IR中，PC自动加1，指向下一条指令，CU分析指令并发出控制信号控制其他部件来执行指令。