计算机组成原理(1)--计算机系统概论

一、计算机系统简介

1.计算机系统软硬件概念

计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。
所谓“硬件”，是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机
设备的实物组成，如主机、外部设备等。
所谓“软件”，它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。（摘自计算机组成原理第3版 唐朔飞 ）

a.计算机系统的组成

b.硬件系统

计算机硬件系统的一种构成形式：

c.软件系统

2.计算机系统的层次结构

a.计算机的解题过程

b.计算机的层次结构

3.计算机体系结构和计算机组成

在学习计算机组成时，应当注意如何区别计算机体系结构与计算机组成这两个基本概念。

a.计算机体系结构

计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与
功能特性。
计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员（也包括汇编语言程序设计
者和汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、 I/O
机理等，大都属千抽象的属性。
指令系统体现了机器的属性，这是属千计算机结构的问题。
有无乘法指令

b.计算机组成

计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
但指令的实现，即如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等，这些都属于计算机组成问题。
如何实现乘法指令。

二、计算机的基本组成

1.冯·诺依曼计算机的特点

1945 年，数学家冯·诺依曼 (von Neumann) 在研究 EDVAC 机时提出了“存储程序”的概念。
以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。它的特点可归结如下：

• 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。

• 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。

• 指令和数据均用二进制数表示。

• 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

• 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

• 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

2.计算机的硬件框图

💎典型的冯·诺依曼计算机结构框图：

运算器：用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
存储器：用来存放数据和程序。
控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果（指挥程序运行）。
输入设备：用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠
标等。
输出设备：可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输
出等。

💎以存储器为中心的计算机硬件框图：

💎现代计算机硬件框图：

CPU：ALU（运算器）、CU（控制器）
存储器：主存、辅存
主机：CPU、存储器
I\O设备：输入设备、输出设备
硬件：主机、I\O设备

3.计算机的工作步骤

a.上机前的准备

建立数学模型
确定计算方法
编制解题程序

b.计算机的工作过程

细化的计算机组成框图：

几个基本概念
存储器：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
存储元：存储器的最小组成单位，用以存储1位二进制代码。
存储单元：是CPU访问存储器基本单位，由若干个具有相同操作属性的存储元组成。
单元地址：在存储器中用以标识存储单元的唯一编号，CPU通过该编号访问相应的存储单元。
字存储单元：存放一个字的存储单元，相应的单元地址叫字地址。
字节存储单元：存放一个字节的存储单元，相应的单元地址叫字节地址
存储体：存储单元的集合，是存放二进制信息的地方
MAR：存储器地址寄存器反映存储单元的个数
MDR：存储器数据寄存器反映存储字长

三、计算机硬件的主要指标

1.机器字长

指的是CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度越高。
机器字长也会影响机器的运算速度。若CPU字长较短，但要运算位数较多的数据，那么需要经过两次或多次的运算才能完成，影响机器的运算速度。
机器字长对硬件造价有影响。

2.存储容量

存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量指的是主存中存放二进制代码的总位数。
{存储容量=存储单元个数*存储字长}
MAR的位数表明存储单元的个数；
MDR的位数表明存储字长。
例：MAR为16位，其存储单元有65536个=216
64K 1K=1024= 210
MDR为32位，表示存储容量为216*32= 221=2M位
辅存容量通常用字节数表示，硬盘容量为80G

3.运算速度

存储容量：是存储器可以容纳的二进制信息量.
以字节（byte简写为B）为单位。常用的单位还有KB、MB、GB等。1Byte＝8bit；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB；1TB=1024GB
指令执行时间：是指取指令和执行指令所花时间的总和。
可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。
兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。
性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标