计算机组成原理之机器

笔记来源：哈尔滨工业大学计算机组成原理（哈工大刘宏伟）

Chapter1：计算机系统的基本概念

1.1 计算机系统简介

从物理构成的角度对计算机系统分层

计算机组成原理主要关注微体系结构（Mirco-architecture）层和逻辑（Logic）层，学习主要部件的逻辑实现、主要部件之间的连接来实现datapath（指令执行过程中，数据所经过的路径 ，数据所经过的路径，包括路径中的部件 ，包括路径中的部件。它是指令的执行部件）、实现控制

Digital Circuits 数字电路层（利用模拟电路元件构建与门、非门）
Analog Circuits 模拟电路层（利用下层接口进一步构建放大器、滤波器等模拟电路部件，这些部件工作在连续电压下）
Devices 电子元件层（电子在不同物质中的移动特性构建电子元件，电子元件的特征可以用连接点、管脚、电流电压特征来描述）
Physics 物理层面（电子的移动）


从程序员视角对计算机系统进行分层

1.2 计算机的基本组成

计算机由五大部件组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备

哈佛结构和冯诺依曼结构主要区别在是否区分指令与数据。在教科书里这是两种截然不同的做法。实际上在内存里，指令和数据是在一起的。而在CPU内的缓存中，还是会区分指令缓存和数据缓存，最终执行的时候，指令和数据是从两个不同的地方出来的。你可以理解为在CPU外部，采用的是冯诺依曼模型，而在CPU内部用的是哈佛结构。—引自：为什么电脑还沿用冯·诺伊曼结构而不使用哈佛结构？

冯诺依曼结构以运算器为中心，输入设备数据输入运算器再到存储器，存储器数据先到运算器再到输出设备

以存储器为中心

现代计算机硬件框图

计算$a{x}^2+bx+c$为例，了解计算机工作过程

将上述每一个动作用指令形式表示
[a]代表内存中a的具体值、[ACC]表示累加寄存器中的值


指令和数据都保存在存储器中

存储器的结构是什么？如何进行访问？每次访问获得的数据位数是多少？

存储器的基本组成

MAR中保存了存储单元的地址
MDR中保存了要送到CPU中的数据 或 要保存到存储体中的数据 或 刚刚从存储体中取出来的数据

运算器的基本组成

运算器的结构是什么？运算器功能是什么？运算器是如何工作的？加法？乘法？

为了是算术逻辑单元ALU能够对计算结果进行保存，必须在ALU的输入端加上寄存器，寄存器保存参与运算的数据，我们需要2个寄存器（累加寄存器ACC和数据寄存器X）作为输入数据的保存设备。
因为两个数相乘的结果，其结果位数远超两个数的位数，所以我们还需要一个乘商寄存器MQ负责数据的乘法与除法运算并可保存运算结果

加法操作过程

被加数存在ACC中	根据地址M取出加数到X中
将ACC中被加数与X中加数在ALU中相加	相加结果保存至ACC中

乘法操作过程

被乘数存在ACC中	根据地址M取出乘数到MQ中
将ACC中的被乘数移动到X	ACC清零用于后序保存乘法结果的高位
X中被乘数与MQ中乘数相乘	相乘结果的高位放在ACC，低位放在MQ

除法操作过程

被除数存在ACC中	根据地址M取出除数到X中
ACC中被除数与X中除数进行除法运算	相除结果中商保存在MQ中，余数保存在ACC中

以上各种动作都是在控制器控制下完成的

控制器的基本组成

控制器的结果如何？
控制器的功能？解释指令、保证指令的按序执行

CPU（运算器、控制器）、存储器

一条指令在主机上的完成过程，以取数指令为例
1.取指令过程
PC将取数指令的地址送给MAR，再由MAR送给存储体，在控制器的控制下存储体把指定存储单元中的内容（这里为取数指令）取出送入到MDR，将取数指令送入IR

2.分析指令，将IR中指令的操作码部分送往CU，经过CU译码后

3.执行指令
将IR中操作数的地址码部分送往MAR，由MAR将那个数取出送往MDR，将那个数送往ACC中保存

存数指令过程

程序（很多指令）在主机上是如何执行的

1.3 计算机硬件的主要技术指标

购买机器要关注机器性能是否能够满足自身要求