第一章：计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

软硬件概念

计算机系统

重点记住硬件系统简单来说就是由主机+外设构成。

计算机的解题过程

电脑的应用程序由高级语言构成，但是计算机不能够直接理解高级语言，所以需要先通过“翻译”，把高级语言转换为计算机可以直接理解的低级语言，才能够执行相关的指令。

计算机系统的层次结构

首先我们知道计算机只能识别低级语言，而低级语言都是由二进制编码，所以编程难度较大，为了更加方便的记忆低级语言，从而出现了汇编语言。
简单的来说，汇编语言也是面向机器的编程语言，区别在于汇编语言采用了助记符号，让程序猿可以更容易理解代码。
汇编语言实际机器同样不能直接识别，所以需要将汇编语言翻译为低级语言，这里用于翻译的机器就被称为“虚拟机器”。
然而汇编语言的编程难度同样很大，所以出现了高级语言。高级语言更容易理解和编程。与汇编语言一样，同样需要虚拟机进行翻译。
高级语言的翻译程序有两种：

• 编译程序
• 解释程序

两者的不同在于：

• 编译程序：一次翻译，多次执行
• 解释程序：一次翻译，一次执行

实际机器完成二进制指令实际还可以划分为多个动作，所以实际机器又可以向下分解为微指令机器M0。

本课程主要研究的就是硬件部分。

计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构

程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性。

例如：指令系统、数据类型、寻址系统、I/O机理。 例如：有无乘法指令

计算机组成

实现计算机体系结构所体现的属性

具体执行的实现。 例如：如何实现乘法指令

1.2 计算机的基本组成

冯诺依曼计算机的特点

基本特点

• 计算机由运算器、控制器、输入设备、输出设备、存储器五大部分组成
• 指令和数据以同等的地位存放在存储器当中，并且可以按照地址进行访问
• 指令和数据均由二进制表示
• 指令由操作码和地址码两大部分组成
• 指令在计算机中按照顺序进行存放
• 机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器之间通过运算器完成。

  传统计算机有第六个特点，也就是以运算器为中心，但是现代计算机普遍以存储器为中心，其余五个特点现代计算机仍然保留。

冯诺依曼计算机硬件构图

冯诺依曼计算机硬件的整体架构分为五个部分：

• 输入设备：把外界的信息转化为机器能识别的形式
• 输出设备：把执行结果输出为人们熟悉的形式
• 存储器：存储指令和数据
  • 主存：内存条部分
  • 辅存：辅助存储器，包括硬盘，光盘，磁带等
• 运算器：做逻辑运算和算数运算
  • 以**ALU**为核心
• 控制器：指挥程序运行
  • 以**CU**为核心

传统计算机以运算器为核心，数据输入之后先经过运算器，再到存储器，再返回运算器，最后再输出，但是现代计算机并不是以运算为主，所有数据都经过运算器会导致运算器压力过大。

实线代表数据和指令的流动，虚线代表控制信息的流动。

以存储器为中心的硬件构图

现代计算机的普遍硬件架构如下，以存储器为核心。

同时控制器和运算器可以统称为CPU，所以计算器硬件的构成又可以分为三个部分：

• CPU(中央处理单元)
• 存储器
• 输入/输出设备

如果要划分为两部分构成硬件系统，则是主机（CPU再加上存储器的主存部分）+外设（输入输出+辅存）。

整体架构图如下：

计算机的工作步骤

上机前准备

1. 建立数学模型
2. 确定计算方法
3. 编制解题程序

   程序：运算的全部步骤 指令：每一个步骤

举个例子：计算ax2 + bx + c
步骤如下：

取x            至运算器中
乘以x     在运算器中
乘以a        在运算器中
存ax^2    在存储器中
取b            至运算器中
乘以x        在运算器中
加ax^2    在运算器中
加c            在运篁器中

运算器中只能做运算，不可以存储数据，所以运算第二次取数据的时候，会覆盖前一次运算完的数据，所以需要在第四步把ax2先存入到存储器当中。

采用不同的计算方式可以化简步骤，例如原式可以化为：(ax + b)x + c，那么步骤就可以是：

取x            至运算器中
乘以a        在运算器中
加b            在运算器中
乘以×        在运算器中
加c            在运算器中

指令构成

前面我们知道，计算的程序都是由指令构成的，所谓指令由下面两部分构成：

• 操作码：用于标记指令执行的是什么动作，例如000001表示改指令是取操作。
• 地址码：用于标记动作执行需要的数据地址。

所以上述计算ax2 + bx + c的实际指令执行过程如下：

这里的ACC表示的是寄存器，相当于一个暂时存储数据的地方。

计算机的解题过程

存储器的基本组成

存储器的基本组成如下：

其中存储体包含若干存储单元，每一个存储单元又包含若干存储元件，每一个存储元件代表一个二进制信息（0或者1）。
所以：

• 存储单元：存放一串二进制代码
• 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

  例如：存储单元的存储字为0110，那么存储字长为4。

访问主存实际访问的就是存储体，而访问存储体实际就是按照存储单元的地址进行寻访。
接下来是MAR和MDR：

• **MAR**：存储器地址寄存器（反映存储单元个数）
• **MDR**：存储器数据寄存器（反映存储字长）

寄存器相当于数据暂存的地方，所有的数据在存入和取出的时候，都需要经过寄存器。
地址寄存器用于存储数据需要在实际存储体中存放的位置，如果地址寄存器有四位，那么根据二进制编码的组成，就会有24=16种编码组成，16种地址编码就代表了16个存储单元，也就能从地址寄存器的位数反应存储单元的个数。
数据寄存器就是存储真实的数据，所以数据寄存器的字长是多少，就代表存储字长是多少。

假设MAR是4位，存储单元有24=16个 假设MDR是8位，存储字长就是1*8=8

运算器的基本组成和操作过程

运算器的基本组成如下：
其中：ALU作为逻辑运算单元为核心单元，负责逻辑运算和算数运算，ACC，MQ，X是三个常用的寄存器。
做四则运算存储如下：

以加法为例：
在执行加法操作之前，一般会先把被加数先取出，存入ACC当中，再把被加数取出存入X当中，两个数同时送个ALU，根据指令的操作码执行加法操作，最后结果返回给ACC。

其余三则运算类似。
这里需要注意的是ACC是作为累加寄存器，一开始默认都会存储被加/减/乘/除数，乘法部分需要一开始把ACC当中的数据先存入X当中，也就是[ACC]->X。
做乘法运算的时候，两个数字相乘可能会导致存储器位数不够存储相乘之后的大数字，所以需要分高位低位进行存储。

控制器的基本组成

控制器想要控制指令的完成，有下面三个步骤：

• 取指令，一般通过**PC**（程序计数器，本质上也是一个**地址寄存器**）完成
• 分析指令，一般通过IR完成，IR用于存放当前欲执行的指令
• 执行指令，一般通过CU完成

  PC取指令的过程如下：程序一开始会赋予PC初始的指令地址，指令的地址又是相对连续的，所以PC只要不断使得PC = PC +1，就可以按照顺序执行完所有的指令。 注意这里的指令地址是指令原始的地址，不是指令构成里面的地址码。

主机完成一条指令的过程

我们以取数指令（从存储体当中取出一个数存入ACC中）为例：

介图实在是太麻烦了画的，所以就直接截图看看了。

步骤分析如下：

1. 程序一开始给PC（程序计数器）赋予初始的指令地址，PC将地址传入MAR（地址寄存器）当中。
2. 存储体根据MAR当中的地址寻访到相应的取数指令。
3. 存储体把这条指令返回给MDR（数据寄存器）。
4. MDR将指令发送给IR（分析指令）。
5. IR将分析完的指令发送给CU（执行指令），执行取数指令。
6. IR把指令地址码（注意是地址码，不是地址）存入MAR。
7. 存储体根据MAR当中的指令地址码（注意是地址码，不是地址）寻访到相应的数据。
8. 存储体把这个数据返回给MDR。
9. MDR将数据发送至ACC（累加寄存器）当中。

   上面九个步骤对应图中的九个步骤。 其余指令也类似，就不再赘述。 存数指令如下，就不解析了，应该都看得懂了。

1.3 计算机硬件的主要技术指标

机器字长

CPU一次能处理数据的位数，和CPU中的寄存器位数有关。
虽然之前所说的存储字长也和寄存器位数有关，但机器字长不等同于存储字长。
通常情况机器字长等于存储字长，但是也有可能机器字长大于存储字长。
详情参见：
计算机组成原理——机器字长、指令字长、存储字长白芷加茯苓的博客-CSDN博客数据字长和机器字长相等吗

运算速度

计算机的运算速度有以下几个指标：

• 主频
• 吉普僧法
• MIPS（每秒执行百万条指令）
• CPI（执行一条指令的时钟周期数）
• FLOPS（每秒浮点运算次数）

  我觉得这个只要了解就好了，主要我也不想再写了。

存储容量

存储容量分为：

• 主存容量
• 辅存容量

其中主存容量=存储单元个数 * 存储字长。
例如：MAR有10位，MDR有8位。
那么主存容量 = 210 * 8 = 8Kb，（注意这里是b也就是位，换算为B（Byte），由1B = 8b可得主存容量为1KB）