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计算机组成原理

计算机硬件的主要技术指标


    机器字长是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数(整数运算即定点整数运算)。因为计算机中数的表示有定点数和浮点数之分,定点数又有定点整数和定点小数之分,这里所说的整数运算即定点整数运算。机器字长也就是运算器进行定点数运算的字长,通常也是CPU内部数据通路的宽度。
    机器字长反映了计算机的运算精度,即字长越长,数的表示范围也越大,精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。倘若CPU字长较短,又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,这样势必影响整机的运行速度。
    机器字长与主存储器字长通常是相同的,但也可以不同。不同的情况下,一般是主存储器字长小于机器字长,例如机器字长是32位,主存储器字长可以是32位,也可以是16位,当然,两者都会影响CPU的工作效率。


    计算机的运行速度取决于:机器的主频、执行什么样的操作、主存本身的速度如何等都有关。

  1. 普通法:一种早期的衡量运算素的的方法,即用完成一次加法或乘法所需的时间。
  2. 吉普森(Gibson)法:综合考虑每条指令的实行时间以及他们在全部操作中所占的百分比,即,其中为机器运行速度;为第种指令占全部操作的百分比数;为第种指令的执行时间。
  3. MIPS:现在机器的运算速度普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量,并用MIPS(Million Instruction Per Second,百万条指令每秒)作为计量单位。
  4. CPI(Cycle Per Instruction)即执行一条指令所需的时钟周期(机器主频的倒数)数.
  5. FLOPS(Floating Point Operation Per Second):浮点运算次数。


    存储容量
    存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。即存储容量 = 存储单元个数*存储字长。

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·诺伊曼在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念。以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺伊曼机。其特点如下:

  1. 计算机由运算器、储存器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成
  2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内,并可按地址寻访
  3. 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载存储器中的位置。
  4. 指令载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,可更具运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
  5. 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计算机计算机制


  • M:存储器的任一地址号
  • [M]:对应M地址号单元中的内容
  • X:X寄存器(操作数寄存器)
  • [X]:X寄存器中的内容
  • ACC(Accumulator):累加器
  • [ACC(Accumulator)]:累加器中的内容
  • MQ(Multiplier-Quotient Register):乘商寄存器
  • [MQ]:乘商寄存器中的内容

    加法操作过程
  1. [M] -> X
  2. [ACC] + [X] -> ACC
    减法操作过程
  1. [M] -> X
  2. [ACC] - [X] -> ACC
    乘法操作过程
  1. [M] -> MQ
  2. [ACC] -> X
  3. 0 -> ACC
  4. [X] * [MQ] -> ACC//MQ
  5. 注释://表示两个寄存器串联
    除法操作过程
  1. [M] -> X
  2. [ACC] / [X] -> MQ
  3. 余数R在ACC中
③控制器
    控制器工作三阶段:
  1. 取指过程:命令存储器独处一条指令
  2. 分析过程:对指令进行分析,指出该指令要完成什么样的操作,并按寻址特征指明操作数的地址
  3. 执行过程:根据操作数所在的地址以及指令的操作码完成某种操作
    控制器的构成:
  1. 程序计数器(Program Counter,PC):用来存放当前欲执行指令的地址,与主存的MAR之间有一条直接通道,且具有自动加1的功能,即可自动形成下一条指令的地址。
  2. 指令寄存器(InstructionRegister,IR):用来存放当前的指令,其内容来自主存的MDR。
  3. 控制单元器(CU):用来分析当前指令所需完成的操作,并发出各种位操作命令序列,用以控制所有被控对象。
④I/O
    I/O子系统中包括各种I/O设备及其相关接口。每一种I/O设备都由I/O接口与主机联系,他接收CU发出的各种控制命令,并完成相应的操作。

计算机的总线结构

①单总线结构


    单总线结构简单,便于扩充,但所有传送都通过一组共享总线,因此很容易达到瓶颈,不得不使用多总线结构。

②多总线结构

双总线:



多总线结构:









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原文地址《 计算机组成原理》发布于2020-3-6

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