計算機組成原理複習0625

ZephyrLee發表於2024-06-25
計算機

Tuesday, June 25, 2024

計算機組成原理複習·計算機系統概述

計算機發展歷程

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計算機系統層次結構

  • 計算機系統的組成
    • 硬體系統和軟體系統共同構成了一個完整的計算機系統。
      • 硬體是指有形的物理裝置，是計算機系統中實際物理裝置的總稱。
      • 軟體是指在硬體上執行的程式和相關的資料及文件。
    • 計算機系統效能的好壞，很大程度上是由軟體的效率和作用來表徵的，而軟體效能的發揮又離不開硬體的支援。
    • 對某一功能來說，其既可以用軟體實現，有可以用硬體實現，則稱為軟硬體在邏輯功能功能上是等價的。
      • 在設計計算機系統時，要進行軟/硬體的功能分配。通常來說，一個功能若使用頻繁且用硬體實現的成本較為理想，使用硬體實現可以提高效率。

計算機硬體

  • 馮·諾伊曼機 基本思想
    • 馮·諾伊曼在研究EDVAC機時提出了“儲存程式”的概念，“儲存程式”的思想奠定了現代計算機的基本結構，以此概念為基礎的各類計算機通稱為馮·諾伊曼機。
    • “儲存程式”的基本思想（即馮·諾伊曼機的基本思想）：將事先編制好的程式和原始資料送入主存後才能執行，一旦程式被啟動執行，就無須操作人員的干預，計算機會自動逐條讀取指令並執行，直至程式執行結束。
    • 馮·諾伊曼機的特點：
      • 採用“儲存程式”的工作方式。
      • 計算機硬體系統由運算器、控制器、儲存器、輸入裝置和輸出裝置5大部件組成。
      • 指令和資料以同等地位儲存在儲存器中，均用二進位制程式碼表示，形式上沒有區別，但計算機應能區分它們。
      • 指令由地址碼和操作碼組成，操作碼指出操作的型別，地址碼指出運算元的地址。
  • 計算機的功能部件
    • 運算器
      • 計算機的執行部件，用於進行算術運算和邏輯運算。
      • 運算器的核心是算術邏輯單元（ALU，Arithmetic and Logic Unit）
      • 運算器包含若干通用暫存器（通用暫存器組GPRs），用於暫存運算元和中間結果，如累加器（ACC），乘商暫存器（MQ），運算元暫存器（X），變址暫存器（IX），基址暫存器（BR）等，ACC(累加器), MQ(乘商暫存器), X(運算元暫存器)是必須的。
      • 運算器還包括程式狀態暫存器（PSW, Program Status Word, 程式狀態字），也稱為標誌暫存器，用於存放ALU運算得到的一些標誌資訊或處理機的狀態資訊，如結果是否溢位、有無產生進位或借位、結果是否為負等。
    • 控制器
      • 計算機的指揮中心，“指揮”各部件自動協調地進行工作。發出控制訊號，控制主存是進行讀操作還是寫操作、控制如何修改PC以得到下一條指令的地址、控制ALU執行何種運算等
      • 控制器由程式計數器（PC），指令暫存器（IR）和控制單位（CU）組成。
      • PC用來存放當前將要執行指令（也就是下一條指令）的地址，具有自動加1的功能（這裡的“1”是指一條指令的長度）即可自動形成下一條指令的地址，它與MAR之間有一條直接通路。
      • IR用來存放當前（正在執行）的指令，內容來自MDR。指令中的操作碼（OP(IR)）送往CU(控制單元)，操作碼（Ad(IR)）送往MAR，用以取運算元。
    • 儲存器
      • 儲存器分為主儲存器（又稱主存、記憶體儲器、記憶體）和輔助儲存器（又稱輔存，外部儲存器，外存）。
      • CPU能夠直接訪問主儲存器。
      • 輔助儲存器用於幫助主儲存器記憶更多的資訊。輔助儲存器中的資訊必須調入主儲存器後，才能被CPU訪問。
      • 按地址存取方式：按儲存單元的地址進行存取。
      • 主存的工作方式是按地址存取。
      • 主儲存器包括儲存體、地址暫存器(MAR)、資料暫存器(MDR)和時序控制邏輯。
        • 儲存體用於存放二進位制資訊。
          • 儲存體由許多儲存單元組成，每個儲存單元包含若干儲存元件，每個儲存元件儲存一位二進位制程式碼“0”或“1”。因此，每個儲存單元可以儲存一串二進位制程式碼，稱這串程式碼為儲存字，稱這串程式碼的位數為儲存字長，儲存字長可以是1B（8bits）或者位元組的偶數倍。
        • MAR用於存放訪存地址，經過地址譯碼後找到所選的儲存單元。即MAR用於定址，其位數對應儲存單元的個數，如MAR為10位，則由個儲存單元，記為1K。MAR的長度和PC（程式計數器，指向下一條指令，即存放下一條指令的地址）的長度相等。
        • MDR用於暫存要從儲存器中讀出或寫入的資訊。MDR的位數和儲存字長（一般為位元組的2次冪的整數倍）相等。
          • MDR和MDR雖然是儲存器的一部分，但在現代計算機中卻是存在於CPU中的，另外Cache（快取記憶體）也存在於CPU中。
        • 時序控制邏輯用於產生儲存器操作所需的各種時序訊號。
    • 輸入裝置
      • 輸入裝置的主要功能是將程式和資料以機器所能識別和接受的資訊形式輸入計算機。
      • 鍵盤、滑鼠、掃描器、攝像機等。
      • 輸入/輸出裝置（簡稱I/O裝置）是計算機與外界聯絡的橋樑，是計算機指不可缺少的重要組成部分。
    • 輸出裝置
      • 輸出裝置的任務是將計算機處理的結果以人們能接受的形式或其他系統所要求的資訊形式輸出。
      • 顯示器、印表機等。
      • 輸入/輸出裝置（簡稱I/O裝置）是計算機與外界聯絡的橋樑，是計算機中不可缺少的重要組成部分。
    • 一般將運算器和控制器整合到同一晶片上，稱為CPU(中央處理器)。CPU和主儲存器共同構成主機，除主機以外的其他硬體裝置統稱為外設（外部裝置）。
    • CPU包括 運算器（ALU(算術邏輯單元)，程式狀態暫存器(PSW)，X(運算元暫存器)、MQ(乘商暫存器)、ACC累加器）、控制器（控制單元（CU）、PC（程式計數器）、IR（指令暫存器））、MAR、MDR
    • CPU 和主存之間透過一組匯流排相連。匯流排（訊號線）中有地址線、資料線和控制線。
      • MAR中的地址資訊會直接送到地址線上，用於指向讀/寫操作的主存儲存單元。
      • 控制線中有讀/寫訊號線，指出是讀操作（將資訊從主存讀出到CPU）還是寫操作（將資訊從CPU寫入主存），根據是寫操作還是讀操作來控制是將MDR中的資料直接送到資料線上還是將資料線上的資料接收到MDR中，將資料線上的資料寫入所選的儲存單元還是將所選儲存單元中的資料讀出到資料線上。

計算機軟體

  • 系統軟體和應用軟體
    • 計算機軟體按功能分類，可分為系統軟體和應用軟體。
    • 系統軟體是一組保證計算機系統高效、正確執行的基礎軟體，通常作為系統資源提供給使用者使用。

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