计算机组成原理笔记整理

计算机组成原理

第一章计算机系统概述

1.1 计算机的基本概念

电子计算机是一种可以存储程序，并且通过执行程序指令，可以自动，高速，精确地对数字信息进行各种复杂处理，然后输出运算结果的高科技智能电子设备。

5个逻辑模块：
输入设备存储器输出设备运算器控制器

（如今运算器和控制器已集成在CPU中）

1.1.1 信息的数字化表示

在计算机中用数字代码（二进制代码）表示各种信息
在物理机制上用数字信号（数字型电信号）表示数字代码
信息数字化表示的优点：（1）物理上易实现信息的表示与存储（2）抗干扰能力强，可靠性高（3）数值表示范围大，精度高（4）可表示的信息类型广泛（5）能用数字逻辑技术进行处理

1.1.2 存储程序工作方式

编制程序
存储程序
自动，连续执行程序
输出结果

计算机的工作流程：
编写程序→输入程序→存储程序→转换为指令序列→执行指令→输出结果

1.1.3 计算机的分类

计算机从总体上来说分为两大类：模拟计算机和数字计算机

特点：
模拟计算机：由模拟运算器件构成，处理在实践和数值上连续的模拟量（如：电压，电流等）
数字计算机：由数字逻辑器件构成，处理离散的数字量

其中数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机

按照系统规模和计算能力，也可以分为：巨型机（超算），大型机，小型机，微型机等，随着超大规模集成电路技术的不断发展，类型的划分会动态变化。

1.2 计算机的诞生和发展

计算机之父–冯·诺依曼
EDVAC（冯·诺依曼思想）
第一台严格意义上的电子计算机（ENIAC，宾夕法尼亚大学，1946.2）

1.2.1 冯·诺依曼体系

（1）用二进制代码表示程序和数据；
任何复杂运算和操作都转换成二进制代码表示的指令，数据也用二进制代码来表示
（2）采用存储程序的工作方式；
将程序和数据存储起来（存储程序），让计算机自动地执行指令，完成各种复杂的运算操作（核心思想）。
（3）新型的现代计算机硬件组成；
存储器，运算器，控制器，输入设备和输出设备

奠定了现代电子计算机的理论基础

1.2.2 计算机的发展历程

1.2.3 未来的发展趋势

向巨型化方向
向微型化方向
向多媒体化方向
向网络化方向
向智能化方向

1.3 计算机系统的层次结构

硬件：是指构成计算机系统的实体和装置之类的有形设备，是组成计算机系统的物质基础。

软件：是指硬件所表达的各种内在信息，包括数据与控制程序。因为它们是无形的东西，所以称为软件或软设备。

1.3.1 计算机的硬件系统组成

1.硬件系统的基本组成模型

主要功能部件：
（1）CPU，主要由运算器，控制器等部件组成

运算器
- 功能：完成两类（算术和逻辑）运算
- 组成特点：
  - 主要有ALU(算术逻辑单元)构成，执行算术，逻辑运算以及移位循环等操作，是CPU功能的主要执行部件
  - ALU以全加器为核心，具有多种运算功能
  - 运算的位数越多，计算精度就越高，但期间也更复杂
  - 运算器的数据宽度一般是：8/16/32/64位
控制器
- 功能：产生控制命令（微命令），控制全机操作
- 基本组成：
  （2）存储器，存储数据和数字化后的程序
存储单元
地址
存储容量
内存储器（主存）
外存储器（辅存）
（3）输入输出设备
（4）总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送通路
数据总线
地址总线
控制总线
（5）接口，具有缓冲，转换，连接的功能的部件

2.计算机硬件的典型架构
（1）微型计算机：南-北桥架构

（2）小型计算机：多处理器架构

（3）超级计算机（超算）：集群式架构

（4）多处理机系统结构：用多处理器CPU构成
根据处理器之间连接的紧密程度，又分为：①紧密耦合型多机系统②松散耦合型多机系统

1.3.2 软件系统

软件类别：系统程序和应用程序
（1）系统程序：负责系统调度管理，提供运行和开发环境，各种服务，确保系统运行良好
（2）应用程序：利用计算机来解决应用问题所编制的程序，如工程设计程序，数据处理程序，自动控制程序，企业管理程序，情报检索程序，科学计算程序等等

1.3.3 硬，软件系统层次结构

计算机系统是一个由多层次的软件和硬件组成的系统，基本结构如下图所示：

1.3.4 软件和硬件的逻辑等价性

软件的特点：易于实现各种逻辑与运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约
硬件的特点：可以高速实现逻辑和运算的功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约

计算机中的软件，理论上都可以“固化”或“硬化”成硬件，以提高执行速度

1.4 计算机系统的性能指标

1.基本字长
（1）指一次数据操作的基本位数
（2）会影响计算的精度，指令的功能
2.外频
外频：外部频率或基频，也叫系统时钟频率

3.常用的CPU性能指标
（1）CPU的主频=外频✖倍频系数
（2）IPS，每秒执行指令数
（3）CPI，每一个指令执行过程中所需的时钟周期数量；
（4）FLOPS，每秒执行浮点运算的次数
（5）CPU的功耗

静态功耗是由于半导体电路自身的损耗造成的功耗