【计算机组成原理】第一章计算机系统概论

<>1.1 计算机系统简介

<>1.1.1 计算机的软硬件概念

<>计算机组成概览：

<>1.1.2 计算机系统的层次结构

<>物理角度：

<>程序员角度：

系统复杂性管理的方法之一：抽象

区别两点：

* 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（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（如：怎样实现乘法指令）。
<>1.2 计算机的基本组成

<>1.2.1 冯.诺依曼计算机的特点

<>六个特点：

* 计算机由五大部件组成。
* 指令和数据以同等地位存于存储器中，可按地址寻访。
* 指令和数据用二进制表示。
* 指令由操作码和地址码组成。
* 存储程序。
* 以运算器为中心。
<>1.2.2 计算机硬件框图

<>传统冯.诺依曼计算机硬件框图：

两个缺点：

* 以运算器为中心，运算器成为了计算机的瓶颈。
* 复杂繁琐。
<>改进后的以存储器为中心的计算机硬件框图：

缺点：

* 依旧较为复杂，层次性不高
<>现代计算机硬件框图：

系统复杂性管理的方法之二：层次化、模块化、规则性。

<>1.2.3 计算机的工作步骤

<>上机前的两个准备：

* 建立数学模型，例：
* 确定计算方法:
注：并非所有的问题都可以用计算解决 —— 计算可行性理论

<>计算ax2 + bx +c 的步骤:

<>优化后(ax+b)x+c的算法:

总结：优化后的算法，速度更快，所需存储空间最小

<>用指定的指令格式描述:

如指令：

取数 a
对应的指令码：

000001 0000001000
文本描述：
[a] --> ACC
<>于是就有了计算(ax+b)x+c的指令清单：

总结：指令和数据都是保存在存储器中

<>存储器的基本结构：

* 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。
* 按地址寻访：每个储存单元赋予一个地址。 <>举个栗子：设MAR=4位，MDR=8位，则存储单元个数=16，存储字长=8。
总结：运算器通过读取存储器内存储的指令和数据完成操作。

<>运算器的基本结构:
<>① 加法操作过程
指令：

加 M
初态：

X ACC MQ 内存单元M
NULL 被加数 NULL 加数
过程：
1. [M] --> X 2. [ACC] + [X] --> ACC <>② 减法操作过程
指令：

减 M
初态：

X ACC MQ 内存单元M
NULL 被减数 NULL 减数
过程:
1. [M] --> X 2. [ACC] - [X] --> ACC <>③ 乘法操作过程
指令：

乘 M
初态：

X ACC MQ 内存单元M
NULL 被乘数 NULL 乘数
过程：
1. [M] --> MQ 2. [ACC] --> X 3. 零--> ACC 3. [X]×[MQ] --> ACC//MQ <>④ 除法操作过程
指令：

除 M
初态：

X ACC MQ 内存单元M
NULL 被除数 NULL 除数
过程：
1. [M] --> MQ 2. [ACC] --> X 3. [X] ÷ [MQ] --> MQ//ACC
注：乘除法的过程1和过程2顺序可变，指令的执行顺序由控制器控制。

<>控制器的基本结构：

<>主机完成一条指令的过程：
<>1. 取数指令的执行过程
步骤：

* 取指令（① ~ ④）
① 指令的地址存放在PC中，将地址由PC传给MAR。
② 再将地址由MAR传给存储体。
③ 在控制单元CU的控制下，将指令取出并放入到MDR中。
④ 在控制单元CU的控制下，将指令由MDR传给IR。
* 分析指令（⑤）
⑤ 将指令的操作码部分由IR传给CU控制单元（由CU对操作码分析并发出相应的控制信号来完成对应操作）。
* 执行指令（⑥ ~ ⑨）
⑥ 在控制单元CU的控制下，将IR中的地址码部分传给MAR。
⑦ 再将操作数的地址由MAR传给存储体。
⑧ 由存储体将操作数传入MDR中。
⑨ 由MDR将操作数传入ACC当中，至此取数指令执行结束。 <>2. 存数指令的执行过程
步骤：

* 取指令（① ~ ④）
① 指令的地址存放在PC中，将地址由PC传给MAR。
② 再将地址由MAR传给存储体。
③ 在控制单元CU的控制下，将指令取出并放入到MDR中。
④ 在控制单元CU的控制下，将指令由MDR传给IR。
* 分析指令（⑤）
⑤ 将指令的操作码部分由IR传给CU控制单元（由CU对操作码分析并发出相应的控制信号来完成对应操作）。
* 执行指令（⑥ ~ ⑨）
⑥ 在控制单元CU的控制下，将IR中的地址码部分传给MAR。
⑦ 再将地址码由MAR传给存储体，告诉存储体将要存入的数的地址。
⑧ 在CU控制单元的控制下，将需要存入的数由ACC传给MDR。
⑨ 由MDR将数传到存储体当中，至此存数指令执行结束。
总结：

* 在如图所示的指令架构中，任何指令的执行步骤中步骤1取指令的过程总是相同的（皆为① ~ ④）。
* 任何一条指令的执行都需要经过三步（取指令、分析指令、执行指令）。
<>综上所述，ax2 + bx + c 程序的运行过程即为：

* 将程序通过I/O设备送至计算机。
* 将程序的首地址传入到PC中。
* 启动程序运行。
* 对每一条指令循环进行（取指令 --> PC=PC+1 --> 分析指令 --> 执行指令）的过程，直至打印指令的结束。
* 打印结果。
* 停机。
（完）

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