计算机组成原理 王道考研2021 第一章：计算机组成原理概述 -- 计算机硬件的基本组成认识各个硬件部分

Posted 2021-12-28 CodeJiao

1. 计算机硬件的基本组成

---

1.1 早期冯诺依曼机

通常来说，用硬件实现，成本更高，但效率也更高。用软件实现，成本更低，但效率也较低。

---

1.2 冯·诺依曼计算机的特点

在微处理器问世之前，运算器和控制器分离，而且存储器的容量很小，因此设计成以运算器为中心的结构，其他部件都通过运算器完成信息的传递。

冯·诺依曼在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念，“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机，其特点如下:

1. 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
2. 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访。
3. 指令和数据均用二进制代码表示。
4. 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。
5. 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。
6. 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

---

1.3 现代计算机的结构

而随着微电子技术的进步，同时计算机需要处理、加工的信息量也与日俱增，大量I/O设备的速度和CPU的速度差距悬殊，因此以运算器为中心的结构不能够满足计算机发展的要求。现代计算机已发展为以存储器为中心，使I/O操作尽可能地绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率。

目前绝大多数现代计算机仍遵循冯·诺依曼的存储程序的设计思想。

可以简化为下面的结构：

---

2. 认识各个硬件部分

---

2.1 主机的内部细节

---

2.1.1 主存储器

存储器是计算机的存储部件，用来存放程序和数据。

存储器分为主存储器(简称主存，也称内存储器)和辅助存储器(简称辅存，也称外存储器)。CPU能够直接访问的存储器是主存储器。辅助存储器用于帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后,才能为CPU所访问。

主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一位二进制代码“0”或“1”。因此存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，称这串代码的位数为存储字长，存储字长可以是1B (8bit）或是字节的偶数倍。

主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器是按内容访问的)。

主存储器的最基本组成如图1.3所示。存储体存放二进制信息，地址寄存器(MAR）存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器（MDR）用于暂存要从存储器中读或写的信息，时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。

MAR（Memory Address Register）用于寻址,其位数对应着存储单元的个数，如MAR为10位，则有210=1024个存储单元,记为1K。MAR的长度与PC的长度相等。

MDR（Memory Data Register ）的位数和存储字长相等，一般为字节的二次幂的整数倍。

注意：MAR与MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的；另外，高速缓存(Cache）也存在于CPU 中。

---

2.1.2 运算器的基本组成

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。算术运算是按算术运算规则进行的运算，如加、减、乘、除；逻辑运算包括与、或、非、异或、比较、移位等运算。

运算器的核心是算术逻辑单元（Arithmetic and Logical Unit，ALU)。

---

2.1.3 控制器的基本组成

---

2.2 I/O设备（外设）

输入设备:

输入设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机。最常用也最基本的输入设备是键盘，此外还有鼠标、扫描仪、摄像机等。

输出设备:

输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。最常用、最基本的输出设备是显示器、打印机。计算机的输入/输出设备(简称I/O设备)是计算机与外界联系的桥梁，是计算机中不可缺少的重要组成部分。

---

---