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计算机组成原理第一章

时间:2024-04-07 09:32:27浏览次数:25  
标签:CPI 计算机 第一章 指令 机器语言 原理 执行 CPU

计算机组成原理

计算机的组成

硬件系统和软件系统构成了一个完整的计算机系统。(硬件和软件在逻辑上是等价的,即硬件和软件可以实现相同的功能,硬件成本高,软件效率高。)

[硬件]  有形的物理设备

[软件]  在硬件上运行的程序和相关文档

计算机硬件

1.冯诺依曼计算机
  • 以运算器为中心
  • 控制流的驱动方式
  • 按地址访问并顺序执行指令是冯诺依曼机的工作方式的特点。这就是存储程序的思想体现,将事先编辑好的送入主存中,一旦程序被启动,无需操作人员的干预,系统自动执行指令,直到执行结束
  • 指令和数据以同等地位存储在计算器中,即都是二进制
  • 指令由操作码和地址码组成!!!

[注意]  现代计算机使用存储器为中心

2.计算机的功能部件

I/O设备:输入设备和输出设备。也就是Input和Output

存储器:分为主存和辅存。CPU能够直接访问的是主存储器,辅存的作用是更大的空间,当需要使用辅存中的事物是,会被调入进主存中。

主存储器包括地址寄存器(MAR)和数据寄存器(MDR)。MAR:用于存址。MDR通常等于存储字长。两者虽然是存储器的一部分,但他们现在被集成在CPU中。

eg:一个16K×8位的存储器,就有14位的MAR和8位的MDR

运算器:包括算术逻辑单元ALU,寄存器MQ,IX,累加器ACC,以及程序状态寄存器(操作系统主要涉及)等等。

控制器:由程序计数器PC,指令寄存器IR,控制单元CU组成。

PC中存放的是下一个指令的地址,IR中存放的是当前指令的地址。

当指令被执行后PC会自动加“1”,这里的1指的是一个指令长度

eg:相对寻址的指令长度占3B,当前指令地址为240(十进制),当前指令执行结束,PC + "1" = PC + 3 =243(十进制)

第五章中央处理器中会详细说明执行步骤,这里进行简要叙述:

(PC) → MAR

M(MAR) → MDR

(MDR) → IR

(PC)+1 → PC

OP(IR) → CU

AD(IR) → MAR

3.计算机软件
三个级别的语言:
  • 机器语言:唯一可以直接被计算机执行的语言

  • 汇编语言:利用助记符实现的语言

  • 高级语言:C,C++,Python等等

  • [注意!]  汇编语言和高级语言需要被转换成机器语言才能被计算机所执行。

三个不同的翻译程序:
  • 汇编程序:将汇编语言程序翻译成机器语言

  • 解释程序:将高级语言中的语句按顺序逐条翻译成机器指令并执行,即逐句翻译立马执行

  • 编译程序:将高级语言成语翻译成汇编语言或机器语言,全部翻译形成机器语言文件后才执行

  • [注意!]  编译程序执行时间较长,运行速度快,解释程序方法简单,运行速度慢

4.计算机系统的工作原理

流程为:预处理阶段→编译阶段→汇编阶段→链接阶段

  • 预处理阶段是处理程序语言中的宏定义,例如C中的#之后的东西

  • 编译阶段就是将源程序变成汇编语言程序

  • 汇编阶段就是将汇编语言程序变成机器语言指令文件

  • 链接阶段就是将其变为exe可执行文件

5.计算机的主要性能指标
  1. 机器字长:计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。通常与通用寄存器的位数相等。字节(8位)的整数倍

  2. 数据通路带宽:数据总线一次能并行传送信息的位数

  3. 主存容量:主存储器所能存储信息的最大容量,通常以字节来衡量,也可用字数×字长来表示。

    eg:512K×16位 512K代表的是MAR指代的信息,512K = 2的19次方,即MAR19位;16位则代表MDR有16位

4.运算速度:

  • 吞吐量和响应时间 ⭐

    • 吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量

    • 响应时间是指用户向计算机发送一个请求,系统做出相应并取得结果的等待时间

  • CPU时钟周期和主频⭐⭐⭐⭐⭐

    • CPU时钟周期是CPU工作的最小单位时间

    • 主频就是f

  • CPI:执行一条指令所需的时钟周期数⭐⭐⭐⭐⭐

    • IPC:每秒执行多少条指令=f/CPI(平均CPI)

    • IC:总指令条数

  • T即CPU执行时间

    • =时钟周期数/主频

    • =(IC*CPI)/主频

  • MIPS即每秒执行多少百万条指令

    • =IC/(执行时间×106)

    • =f/(CPI×106)

  • IPS 每秒执行多少条指令(指令执行速度)⭐2023年考察

    • =f/平均CPI

与之相关的还有MFLOPS(百万次浮点运算)106,GF 109,TF 1012 ,PF 1015,EF 1018,ZF 1021

复习提示解决:

计算机由输入设备,输出设备,运算器,控制器,存储器五部分组成,冯诺依曼结构以控制器为中心,现代计算机以运算器为中心

主频高的CPU不一定比主频低的CPU快,因为CPU执行时间等于时钟周期数/主频,或者是(CPI*IC)/主频。当前美味确定的公式来定量两者的数值关系

翻译程序:包括编译程序和解释程序

汇编程序:将汇编语言变成机器语言

编译程序:将高级语言变成汇编语言或机器语言,一次性

解释程序:将高级语言变成机器语言,一条一条

王道习题总结:

习题1.3.3

1.MIPS描述的是计算机的运行速度

2.机器字长等于计算机CPU内运算器位数,以及通用寄存器的宽度。

3.透明的概念是指用户或程序员看不到的。本题中程序计数器可以被汇编程序员通过jmp指令来设置,而状态寄存器和通用寄存器只有可以被汇编程序员可见才可以实现编程。而IR,MAR,MDR,是CPU的内部寄存器,对程序员均不可见

4.计算机组织,指令集和系统结构都会影响CPI,而时钟频率和CPI大小无关

5.要背诵记住M,G,T,P,E,Z从9开始依次递乘10的3次方

6.向后兼容的意思是新机可以兼容之前的系统

标签:CPI,计算机,第一章,指令,机器语言,原理,执行,CPU
From: https://blog.csdn.net/yingxuya5/article/details/137428286

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