计算机组成原理

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

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

1.1.2 存储程序工作方式

  1. 编制程序。
  2. 存储程序。
  3. 自动，连续执行程序。
  4. 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

  1. 向巨型化方向。
  2. 向微型化方向。
  3. 向多媒体化方向。
  4. 向网络化方向。
  5. 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：

  • 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：

  • 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）。

  • 输入输出设备 。

  • 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。

  • 接口 ：具有缓冲，转换，连接的功能的部件。

  1. 计算机硬件的典型架构
    • 微型计算机 ：南 - 北桥架构

 * **小型计算机** ：多处理器架构


 * **超级计算机（超算）** ：集群式架构。
 * **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

  1. 软件类别：系统程序 和 应用程序。
    • 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。
    • **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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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

    • 指一次数据操作的基本位数。
    • 会影响计算的精度，指令的功能。

  2. 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

    • CPU 的主频 = 外频✖倍频系数。
    • IPS，每秒执行指令数。
    • CPI，每一个指令执行过程中所需的时钟周期数量。
    • FLOPS，每秒执行浮点运算的次数。
    • 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。

  4. 数据传输率

    • 带宽 =（位宽✖工作频率）/8（B/S）
    • 物理含义：单位时间内数据的传输量。
    • 注意：计算 PCI - E 总线的带宽时，一般还要考虑编码方式，单双工模式和通道路数等。

  5. 存储器的容量

第二章 数据的表示，运算与校验

2.1 数值及其相互转换

2.1.1 进位计数制

  1. 数值的基与权

    • 在任一数制中，每一数位上允许使用的计数符号的个数被称为该数制的 基数 。
    • 每 1 位都对应 1 个表示该位在数码中的位置的值，这个值就称为数位的 权值 w。
    • 常用进位制：2 进制，8 进制，16 进制。

  2. 进制之间的转换

    • 十进制转换为 R 进制：

      • 整数部分：除 R 取余法。
      • 小数部分：乘 R 取整法。
      • 例：将十进制数 43 转换为二进制、八进制、十六进制。
        • 二进制：101011。
        • 八进制：53。
        • 十六进制：2B。

    • R 进制转换为十进制：

      • 按权展开求和。
      • 例：二进制数 101011 转换为十进制数：43。
    • 二进制与八进制、十六进制的转换：
      • 二进制转换为八进制：从右往左，每三位二进制数转换为一位八进制数。
      • 二进制转换为十六进制：从右往左，每四位二进制数转换为一位十六进制数。
      • 例：二进制数 101011 转换为八进制数：53，转换为十六进制数：2B。