计算机组成原理

CPU中央处理器

​ 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处 理、程序运行的最终执行单元。

控制器

​ 控制器（controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

运算器

​ 运算器的基本功能是完成对各种数据的加工处理，例如算术四则运算，与、或、求反等逻辑运算，算术和逻辑移位操作，比较数值，变更符号，计算主存地址等。运算器中的寄存器用于临时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。运算器中还要设置相应的部件，用来记录一次运算结果的特征情况，如是否溢出，结果的符号位，结果是否为零等。计算机所采用的运算器类型很多，从不同的角度分析，就有不同的分类方法。从小数点的表示形式可分为定点运算器和浮点运算器。定点运算器只能做定点数运算，特点是机器数所表示的范围较小，但结构较简单。浮点运算器功能较强，既能对浮点数，又能对定点数进行运算，其数的表示范围很大，但结构相当复杂。从进位制方面分为二进制运算器和十进制运算器。一般计算机都采用二进制运算器，随着计算机广泛应用于商业和数据处理，越来越多的机器都扩充十进制运算的功能，使运算器既能完成二进制的运算，也能完成十进制运算。计算机中运算器需要具有完成多种运算操作的功能，因而必须将各种算法综合起来，设计一个完整的运算部件。

CPU = ALU ➕ CU 

​ ALU 算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）：是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由"And Gate"（与门） 和"Or Gate"（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。

​ CU 控制单元（Control Unit）：负责程序的流程管理。控制单元是整个 CPU 的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。

​ 假设CPU是一个工厂，一个核心就是工厂的一个车间。

​ 那么运算器就是工厂里普通工人，只负责生产，即运算。

​ 而寄存器就是一个工具人，有时需要传递信息（数据），有时候需要搬运物资（数据）。

​ 控制器则是车间主管，管理调剂所有普通和工具人，压榨他们的劳动价值。

​ 直到有一天，工厂发现一个车间（核心）效率不够，就只能增加车间（核心）来提高整个工厂效率。

​ 但是渐渐地又有新的问题出现，工具人虽然效率高，但是数量不多，而随着越来越多的原材料涌入，工具人搬不过来，这个时候工厂就采用小板车(cache)，专门用来运输、寄存工具人搬不过来的数据，而且各工厂可以共享其中一部分。

​ 随着车间数量（核心数目）增加到八，工厂有些时候出货量挺高（全部车间开工），有些时候只有一两个车间在工作。（部分车间工作，其余车间围观—调度问题）

​ 而且整个工厂一起开工，用电量和发热量也急剧上升，但是各车间的效率仍然低下，而且还得担心电力供给、散热、物资运输等等各类问题。

​ 终于，在投入了大研发后，工厂的厂房布局设计（架构）有了大改进。各部门之间的交通更便利了；并且，工厂也重新招聘短小精悍的工人（提升制程工艺），将以前那种牛高马大，光吃不干的大块头全部淘汰了。至此，同样大的车间，能融入更多的工人干活了，而且短小精悍的工人，吃的饭还少（功耗低）。

程序执行的过程

CPU指令的执行流程

存储器

​ 存储器是许多存储单元的集合，按单元号顺序排列。每个单元由若干二进制位构成，以表示存储单元中存放的数值，这种结构和数组的结构非常相似，故在VHDL语言中，通常由数组描述存储器 。

​ 存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。存储器可分为主存储器(简称主存或内存)和辅助存储器(简称辅存或外存)两大类。和CPU直接交换信息的是主存。

​ 主存的工作方式是按存储单元的地址存放或读取各类信息，统称访问存储器。主存中汇集存储单元的载体称为存储体，存储体中每个单元能够存放一串二进制码表示的信息，该信息的总位数称为一个存储单元的字长。存储单元的地址与存储在其中的信息是一一对应的，单元地址只有一个，固定不变，而存储在其中的信息是可以更换的。

​ 指示每个单元的二进制编码称为地址码。寻找某个单元时，先要给出它的地址码。暂存这个地址码的寄存器叫存储器地址寄存器(MAR)。为可存放从主存的存储单元内取出的信息或准备存入某存储单元的信息，还要设置一个存储器数据寄存器(MDR)。

内存

​ 内存储器有很多类型。随机存取存储器( RAM)在计算期间被用作高速暂存记忆区。数据可以在RAM中存储、读取和用新的数据代替。当计算机在运行时RAM是可得到的。它包含了放置在计算机此刻所处理的问题处的信息。大多数RAM是“不稳定的”，这意味着当关闭计算机时信息将会丢失。只读存储器(ROM)是稳定的。它被用于存储计算机在必要时需要的指令集。存储在ROM内的信息是硬接线的”（即，它是电子元件的一个物理组成部分），且不能被计算机改变（因此称为“只读”）。可变的ROM，称为可编程只读存储器(PROM)，可以将其暴露在一个外部电器设备或光学器件（如激光）中来改变。

​ 优点：速度快

​ 缺点：断电即消失

外存

​ 优点：永久保存

​ 缺点：速度慢

输入设备

​ 输入设备：向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。

输出设备

​ 输出设备（Output Device）是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。

实例

吃饭

​ 1.判断自己饿不饿

​ 2.看看吃什么

​ 3.买完了看看能不能吃

​ 4.吃

打开QQ

​ 1.双击QQ快捷方式—发送指令给CPU,让CPU找到qq在外存的位置。

​ 2.运行（内存和外存二选一）

​ 3.qq启动

​ 4.内存和外存的交互一定是CPU在协调控制

计算机硬件组成

1.CPU

​ 运算器：判断和计算 逻辑运算+算数运算

​ 控制器：控制所有的硬件

2.内存

​ 优点：速度快

​ 缺点：断电即消失

3.外存

​ 优点：永久存储

​ 缺点：速度慢

4.输入设备：输入内容

5.输出设备：输出内容