2.计算机组成原理之计算机系统概论

2024-03-26 12:44:58

计算机系统概论

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计算机系统概论

计算机系统简介

问题1：现代计算机系统由哪两部分构成？

物联网：

把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，形成智慧地球。

计算机的多态性

计算机的软硬件概念

计算机的软硬件概念：计算机系统由硬件和软件两部分构成

硬件：计算机的实体，如主机、外设等；
软件：由具有各类特殊功能的信息（程序）组成；

软件：

系统软件：用来管理整个计算机系统；如：语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件
应用软件：按任务需要编制成的各种程序。

计算机系统的简单层次结构

系统复杂性管理的方法-1：抽象

抽象-对于一个过程或者一件制品的某些细节有目的的隐藏，以便把其他方面、细节或者结构表达得更加清楚-----百度百科；
抽象-指高级的模型，和低级的实体相对-----*
抽象-隐藏系统中不重要的细节。 -----David Harris

从物理构成的角度抽象：

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构：

计算机组成与计算机体系结构从研究内容上来说有什么区别呢？

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
- （指令系统、数据类型、寻址技术、 I/O机理）
- 例：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
- （具体指令的实现）
- 例：如何实现乘法指令。

计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机的特点：

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于存储器，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（核心特点），程序存放在存储器中，具有存储程序特征的计算器都是冯诺依曼计算机；
以运算器为中心。

该结构图的缺点：

1.以运算器为中心，运算器会成为计算机的瓶颈（数据的输入输出必须经过运算器，运算器还需要处理算术逻辑运算）；
2.不具备层次结构。

系统复杂性管理的方法-2（3’Y）

层次化（Hierachy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块；再对子模块进行设计或继续细化；
模块化（Modularity）：（模块必须）有明确定义（well-defined）的功能和接口；
规则性（regularity）：模块更容易被重用；

计算机的工作步骤

问题：一个现实中的问题（假设可计算问题），如何用计算机来解决？

1.上机前的准备

建立数学模型
确定计算方法
编制解题程序
- 程序 —— 运算的全部步骤
- 指令 —— 每一个步骤

编程举例：计算 ax^2 + bx + c

确定算法模型及计算方法：

采用算法2；

指令格式举例：

基于算法2编写相应的指令；
ACC - 寄存器，取数的结果、加法的结果、减法的结果等默认保存在ACC中；
问题：乘法指令存在问题，例：8位 * 8位会产生溢出；

计算程序清单：

指令和数据都是保存在存储器中的；
指令和数据用二进制表示；

2.计算机的解题过程

问题：存储器的结构？

问题：如何进行访问？

问题：每次访问获得的数据的位数是多少呢？

(1)存储器的基本组成

组成：存储体 - 存储单元 - 存储元件(0/1)
对应：大楼 - 房间 - 床位(无人/有人)
存储单元 – 存放一串二进制代码；指令和数据都是存放在存储单元中；
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；
每个存储单元赋予一个地址号；

MAR-存储器地址寄存器：

保存存储单元的地址；
反映存储单元的个数；

MDR-存储器数据寄存器：

保存了要放入CPU 或要放入存储体中的数据；
反映存储字长；

例：

设 MAR=4位，MDR=8位（二进制）；
存储单元个数16，存储字长8；

存储单元如何进行访问？

存储单元是按地址寻访；

(2)运算器的基本组成及操作过程

问题：运算器的结构是什么？

问题：运算器功能是什么？，如何工作的？

例：加法、减、乘法、除、逻辑运算：或、与、非等；

运算器的基本组成及操作过程：

核心： ALU ，算元运算单元；
X 寄存器，作为运算的输入；
ACC 寄存器，也用于保存运算的结果；
MQ 寄存器，也称乘商计数器，乘法操作运算的结果的长度要增加一倍，把增加出来的部分保存在 MQ中；
计算机中的乘法：乘法是通过加法+移位的方式实现，乘数和被乘数都是二进制，能过累加器把结果累加起来，累加器使用ACC，运算结果 ACC保存结果的高位，MQ保存结果的低位；
计算机中的乘法：乘法是使用 ACC 通过累加+移位的方式实现；
计算机中的除法：除法是通过减法+移位的方式实现；

加法操作过程 (指令加 M)：

初始态，被加数放入 ACC 寄存器中；
取数，将地址M的数据放入 X 寄存器中， [M] -> X ；
累加，将结果放入ACC中， [ACC] + [X] -> ACC 。

减法操作过程：

乘法操作过程 (指令乘 M)：

初始态，将被乘数放入 ACC 寄存器中；
取数，将乘数 [M] 放入 MQ 寄存器中；
将被乘数放入 ACC 寄存器中；
因为乘法是使用 ACC 通过累加+移位的方式实现，执行累加前要将 ACC 置0 ， 0 -> ACC；
执行乘法，将结果的高位保存在 ACC 中，低位保存在 MQ 中。

注：步骤 2 和 3 的执行顺序可互换，或者并行处理，但其它指令总体是需要按顺序执行的；哪些指令可以并行，哪些指令必须按先后顺序执行这个工作由控制器来负责。

二进制乘法示例：

除法操作过程：

除法是通过减法+移位的方式实现；

二进制除法示例：

(3)控制器的基本组成

问题：控制器的功能？

解释指令和保证指令的按序执行；

问题：控制器的基本结构如何呢？

运算器、控制器、存储器构成了什么？

构成了一台计算机的主机；

(4)主机完成一条指令的过程

程序在主机上是如何执行的。

主机完成一条指令的过程-以取数指令为例：

阶段一：取指令
- 对应操作： 1,2,3,4
- 1,2：PC 存放当前欲执行指令的地址，PC 把该指令地址送给 MAR，再由 MAR 送给存储体；
- 3,4：在控制器的控制下，存储体把指定存储单元中保存的取数指令取出，送入到 MDR ，再送入到 IR ，IR保存当前欲执行的指令；
阶段二：分析指令
- 对应操作：5
- 分析指令大量操作是在 CU 控制单元内部执行，分析指令只需将指令的操作码部分放入 CU 中，再由CU 控制相应的部件去执行相应的指令；
阶段三：执行指令
- 对应步骤：6,7,8,9
- 6,7：因为指令为取数指令，从IR 开始将地址码部分送入 MAR ，再由 MAR 送入存储体；
- 8,9：在控制器的控制下，从存储体中将取数指令要取的数存入 MDR，再送入到 ACC 寄存器中。