(考研计算机组成原理)第一章计算机系统概述-第二节：计算机系统层次结构

Posted 2021-08-04 快乐江湖

文章目录

• 一：冯诺依曼体系结构
• • （1）存储程序计算机
  • （2）层次结构
• 二：计算机硬件概述
• • （1）存储器
  • • A：存储元、存储单元、存储体、存储字和存储字长
    • B：存储器的基本结构
  • （2）运算器
  • • A：运算器基本结构
    • B：运算器过程伪代码描述
  • （3）控制器
  • • A：指令
    • B：控制器基本结构
    • C：控制器过程伪代码描述

一：冯诺依曼体系结构

在冯诺依曼体系结构中，计算机的硬件主要有**存储器，运算器，控制器，输入和输出设备（也叫做I/O设备）**组成。

（1）存储程序计算机

冯诺依曼体系结构也叫做存储程序计算机，计算器和计算机的唯一区别就是计算器是不能编程的，只能做电路板中设定好的固定的运算。

这也就意味着计算器本质就是一个不能编程的计算机，其在硬件层面已经将逻辑写死，如果需求更改，则需要更改硬件。比如下面的插线板式计算机

而对于我们的存储程序计算机，程序运行是会被加载进内存的，所以可以通过加载不同的程序来解决不同的问题，这也就是冯诺依曼的伟大之处。

（2）层次结构

还有下面这样

其中“运算器+控制器=CPU，CPU+主存=主机”

二：计算机硬件概述

（1）存储器

A：存储元、存储单元、存储体、存储字和存储字长

目前我们采用半导体器件来承担存储任务，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，就可以记忆一个二进制代码。比如1个数需要用16位二进制代码表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码，这16个触发器就是一个存储单元。

主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含多个存储元，每个存储元存储1位二进制代码0或1.故存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，这串代码的位数称为存储字长，存储字长一般是一个字节（8位）或字节的偶数倍。许多存储单元共同构成了一个存储体。

B：存储器的基本结构

存储器分为主存（内存）和辅存（外存）。CPU可以直接访问的是内存，内存主要存放的是程序和数据，是计算机实现“存储程序”控制的基础；外存中信息必须加载进内存后，CPU才可以访问

主存最基本构成如下。存储体存放二进制信息，MAR存放访存地址，经过地址译码后找到所选存储单元；MBR用于暂时存要从存储器中读入或写入的信息。

【考点】

• 数据在存储体中是按照地址存储的，每个地址对应一个存储单元；
• 存储单元数目=$2^{MAR位数}$，例如如果MAR为10位，则存储单元数目为$2^{10}=1024$。它用于寻址，其长度和PC长度一致
• MDR的位数表示存储字长，例如MDR为16，表示存储字长为16，也表示1个字(word)=16bit
• 注意区分字（word）和字节（Byte），1个字节等于8个bit，而1个字的大小取决于机器
• 1B=1个字节，1b=1个bit

（2）运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算数运算和逻辑运算

• 算数运算：比如加减乘除
• 逻辑运算：比如与、或、非、异或、比较等等

A：运算器基本结构

其中ALU是运算器造价最为高昂的部分，其实就是一堆复杂的电路

其余三个分别是寄存器，辅助ALU完成计算功能，作用如下了解即可

B：运算器过程伪代码描述

设M为主存中的某一个存储单元，(M)表示取M中的数据，->表示将内容送入寄存器

加法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入操作数寄存器X，即(M)->X；然后两者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC)+(M)->(ACC)

乘法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入乘商寄存器MQ作为乘数，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的内容放入X寄存器作为被乘数，即ACC->X，接着将ACC清零，即0->ACC，然后乘数乘以被乘数，一个送入乘积高位，一个送入乘积低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法实现：假设ACC中已经存在一个数，首先取M的内容送入X作为除数，即(M)->X，ACC中的内容作为被除数，结果一个放入MQ作为整数部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一个放入ACC作为余数，即(ACC)%(X)->ACC

（3）控制器

控制器是计算机的指挥中心，由其指挥各部件自动协调地进行工作

A：指令

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序本质就是一系列按照一定顺序排列的指令
控制器靠指令指挥机器工作，人们用指令表达自己的意图，并交给控制器执行

指令=操作码+地址码

操作码就是指示计算机要干什么，地址码可以理解为干这些事情需要的原材料在哪里，比如主存中就有可能存储一些我们需要用到的数据，甚至可以是一些IO设备，比如键盘的地址

B：控制器基本结构

控制器基本结构如下

• 控制单元（CU）：分析指令、发出信号、协调操作
• 指令寄存器（IR）：存放当前要执行的指令，注意内容来源于MDR，因为指令和数据一样也被存在存储器
• 程序计算器（PC）：存放当前要执行的指令地址， 与MAR直接连通，并且可以自动+1

C：控制器过程伪代码描述

完成一条指令的过程为：取指令（PC）->分析指令（IR）->执行指令（CU）

具体过程：首先取出指令，即(IR)，接着获取指令的操作码，即OP(IR)，然后获取指令的地址码，即AD(IR)，然后将操作码送入控制单元分析，即OP(IR)->CU，操作码表示需要干什么，但是干活需要原材料，所以再把指令的地址码送入MAR，AD(IR)->MAR,从MAR指示的存储体取出原材料即可。