系统组成

System

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概述 - 自学

系统组成

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微型计算机系统 - 自学

发展 - 自学

. 1946年，美籍匈牙利数学家 冯· 诺依曼 提出；它由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

. 是现代计算机的雏形，沿用至今。

运算器 Arithmetic Logical Unit

用于完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送等数据加工处理。

控制器 Control Unit

用于控制程序的执行，是计算机的大脑。

控制器根据存放在存储器中的指令序列|程序进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。

控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。

控制器和运算器共同组成中央处理器CPU - Central Processing Unit。

CPU的主要功能是解释计算机指令以及处理数据。

CPU是一块超大规模集成电路VLSI - Very Large Scale Integration Circuit，是计算机运算核心和控制核心。

存储器 Memory Unit

用于记忆|存储程序和数据。

程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中。

以字节|Byte为单位，一个字节占用一个存储单元。

每个存储单元都有唯一的地址号，CPU根据地址访问存储的内容

存储器可以分为内部存储器和外部存储器：

内部存储器：称为内存或者主存，存放将要执行的程序、数据或指令。

外部存储器：存放"暂时"用不着的程序和数据，可以和内存交换数据。 一般是磁盘、光盘、U盘、硬盘等。

输入设备 Input Unit

用于将数据或程序输入到计算机中，例如：鼠标、键盘。

人机交互的重要接口之一。

输出设备 Output Unit

将数据或程序的处理结果展示给用户，例如：显示器、打印机。

人机交互的重要接口之一。

思想

· 规定控制器是根据存放在存储器中的程序来工作的，即计算机的工作过程就是运行程序的过程。

. 为了使计算机能正常工作，程序必须预先存放在存储器中。这就是存储程序的概念。

特点

采用二进制形式表示数据和指令。

整个结构以运算器为中心，数据流动必须经过运算器，并由控制器集中控制。

采用存储程序和程序控制的工作方式。

. 一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分

硬件系统

. 组成计算机的各个硬件部分

. 眼睛能看得到的存在

软件系统

系统软件：是指担负控制和协调计算机及其外部设备、支持应用软件的开发和运行的一类计算机软件；它一般包括操作系统、语言处理程序、数据库系统和网络管理系统。如：Dos、Window、Linux、Android、IOS、COS

应用软件：为特定领域开发、并为特定目的服务的一类软件；它是直接面向用户需要，帮助用户提高工作质量和效率，甚至可以帮助用户解决某些难题等等；如：办公软件Office、社交软件QQ、Wechat、图形处理软件PS、杀毒软件、休闲娱乐软件等等。

. 根据冯·诺依曼机的"存储程序"概念，计算机的工作过程实际上就是执行指令和程序的过程。

指令 Instruction Code

. 指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，用来完成某一特定的操作。

. 计算机运行的最小功能单位。

. 指令通常用二进制代码形式表示，也可以用助记符表达的汇编语言形式表示。

. 一条指令由操作码 Opcode和操作数 Operand两部分组成。操作码表示计算机要完成的操作，如取数、加法等；操作数表示要操作对象的内容或所在内存单元的地址。

指令分类

类别	示例	说明
零地址指令		没有地址码，只有操作码
单地址指令	ADD a	自增/减；读；存
二地址指令	ADD a b	a+b，结果放在a
三地址指令	ADD a b c	a+b，结果放在c
四地址指令		额外增加：下一条指令的地址

指令系统 Instruction Code System

. 一台计算机所有指令的集合，称为该计算机的指令系统，也称指令集 Instruction Code Set。

. 不同的 CPU 能够听懂的语言不太一样。比如，我们的个人电脑用的是 Intel 的 CPU，苹果手机用的是 ARM 的 CPU。这两者能听懂的语言就不太一样。类似这样两种 CPU 各自支持的语言，就是两组不同的计算机指令集。

.CISC - Complex instruction set Computing，复杂指令系统计算机

.RISC - Reduced Instruction Set Computing，精简指令系统计算机

CISC vs RISC

特性	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	一般大于200	一般小于100
指令格式	一般大于4	一般小于4
寻址方式	一般大于4	一般小于4
指令字长	不固定	等长
可访存指令	不加限制	只有LOAD/STORE指令
各种指令使用频率	相差很大	相差不大
各种指令执行时间	相差很大	绝大多数在一个周期内完成
优化编译实现	很难	很容易
程序源代码长度	较短	较长
控制器实现方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为硬布线控制
软件系统开发时间	较短	较长

. 不同的计算机类型，其指令系统的指令条数和功能也不尽相同。根据功能，指令系统可分为以下五种类型

数据传送：负责数据在内存与CPU之间的传输。

数据处理：对数据进行算术、逻辑或关系运算。

程序控制：控制程序中指令的执行顺序，如条件转移、无条件转移、调用子程序、返回、停机等。

输入/输出：用来实现外部设备与主机之间的数据传输。

状态管理：对计算机的硬件进行管理等。

寻址方式

. 寻找地址码|操作数；对指令的寻址；对数据的寻址

立即寻址：操作数放在指令中，操作数也叫立即数；如果操作数比较大，突破了地址码长度的限制，就必须通过存放地址来指向数据；速度最快

直接寻址：操作数存放在内存中，地址码直接给出对应的内存地址

间接寻址：地址码存放的是操作数在内存中的地址

寄存器寻址：操作数存放在寄存器；地址码给出使用的寄存器的编号

寄存器间接寻址：操作数存放在内存，其地址由寄存器给出；地址码给出寄存器的编号

. 内存存放：操作数本身或操作数的地址

. 寄存器存放：操作数本身或操作数的地址

程序 Program

. 指能完成特定功能的一组指令的有序集合。

. 计算机按照程序设定的指令顺序依次执行，完成对应的一系列操作，这就是程序执行的过程。

执行过程 Processing

取指令：根据当前控制器中程序计数器的指令起始地址值，从内存中取出指令送往控制器的指令寄存器存储起来。

分析指令：将指令寄存器中存放的指令送往指令译码器，对操作码进行译码，即将指令的操作码转换成相应的控制电位信号，由地址码确定操作数地址。

执行指令：由操作控制部件发出该操作所需要的一系列控制信号，驱动相应部件完成该指令所要求的操作。程序计数器自动加1：为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。

取			取			取
	分析			分析			分析
		执行			执行			执行

流水线

. 多条指令执行的并行处理技术

. 每个阶段由不同的处理部件完成，所以要确保处理部件没有空闲，利用效率和处理效率要高

. 整体处理过程明显缩短

取	取	取	取	取	取	取
	分析	分析	分析	分析	分析	分析	分析
		执行	执行	执行	执行	执行	执行	执行

零地址指令采用( )。

立即寻址

间接寻址

堆栈寻址

变址寻址

下拉关于流水线方式执行指令的叙述中，不正确的是（）。

流水线方式可以提高单条指令的执行速度

流水线方式可以同时执行多条指令

流水线方式提高了各部件的利用率

流水线方式提高了系统的吞吐率

主频

. 机器内部主时钟的运行频率，常以MHz、GHz为单位；主频越高，执行指令的速度越快

. 时钟周期，主频的倒数：CPU时钟周期=1/主频；1Khz=1*103 次/秒，即每秒103个时钟周期

. CPI：指令的平均时钟周期 clock per instruction；每条指令执行需要的时钟周期

. IPC：周期运行指令条数 instruction per clock；IPC=1/CPI

运算速度

. 用每秒执行的指令数来衡量

. MIPS - million instruction per second，每秒百万条指令；MIPS=主频/CPI=主频*IPC

. MFLOPS - million floating-point operation per second，每秒百万次浮点运算

主频是80Mhz，CPI是4；求MIPS

分析：从单位的变换入手

80MHZ，即每秒80M的时钟周期：80M clock/秒

CPI是4，即每个指令需要4个时钟周期：4 clock/指令

80M/4=20M 指令/秒=20MIPS

字长

. 指CPU一次能处理的数据的位数。

机器字长：通常说的32位或64位，指的是计算机执行一次整数运算能够处理的二进制数据的位数

存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的位数；一般和机器字长相等，也可以是机器字长的整数倍

指令字长：一条指令包含的二进制代码的位数；可以等于存储字长；也可以是存储字长的整数倍

机器字长32位，存储字长8位，读的时候一次读32位，相当于读了4个存储单元的数据，再通过其它方法使用其中特定的数据

CPU核数

. 多核CPU可以增强计算机的并行处理能力。目前CPU有双核、4核、8核和12核、16核等多种类型。

存储容量

. 指能存储信息的最大容量，一般包含主存容量和辅存容量。常用单位有MB、GB、TB等。