计算机组成原理 概述

绪论

计算机硬件结构

早期冯诺依曼机

概念

指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，主存里面存贮的不仅有数据还有指令，而且他们的形式都是相同的

组成部分

• 存储器:计算机的存储部件，存放程序和数据
• 控制器: 计算机的控制器: 计算机的指挥中心指挥中心
• 运算器: 计算机的执行部件，算术运算 (+、-) 逻辑运算 (与，或，异或等)
• 输出设备: 将计算机处理结果以人类所能接受形式或其他系统所要求的信息形式输出
• 输入设备: 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
  

特点

(1)计算机由五大部件组成
(2) 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并按地址寻问
(3) 指令和数据均以二进制代码表示
(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

现代计算机

(1) 以存储器为核心
(2)CPU=运算器+控制器
(3) I/O设备=输入设备+输出设备

现代计算机体系的抽象

计算机功能部件

graph LR
C[现代计算机的结构]---C1[控制器]---D1[指挥各部件使得程序执行]
C---C2[存储器【核心】]---D2[存放数据和指令]
C---C3[运算器]---D3[算术运算和逻辑运算]
C---C4[输入设备]---D4[将信息转化成机械能够识别的形式]
C---C5[输出设备]---D5[将结果转化成人们熟悉的形式]

存储器

• 存储元: 即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
• 存储单元: 每个存储单元存放一串二进制代码
• 存储字: 存储单元中二进制代码的组合
• 存储字长: 存储单元中二进制代码的位数
• 机器字长: 计算机能一次处理的二进制代码长度
• 指令字长: 指令的二进制长度

运算器

• ACC:累加器，用于存放操作数，或运算结果
• MQ:乘商寄存器，在乘、除计算时用于存放操作数或者运算结果
• X:通用的操作数寄存器，用于存放操作数
• ALU:算术逻辑单元，是运算器的核心
  

控制器

概念

• PC: 程序计数器，存放下一条指令的地址
• IR: 指令寄存器，存放当前正在执行的指令
• CU: 控制单元，分析指令，给出控制信号

[公式]

• MAR位数=PC位数，PC所能寻址的范围，就是地址的范围
• MDR位数=IR位数，其实这里的指令也是一种数据。

指令的执行

• CPU: 中央处理器;PC: 程序计数器;MAR:存储器地址寄存器
• ALU: 算术逻辑部件;IR: 指令寄存器;MDR: 存储器数据寄存器
• GPRs: 通用寄存器组 (由若干通用寄存器组成，早期就是累加器)
  

指令的执行

三个阶段: 取指令、分析指令、执行指令
(A) 开始时，将第一条指令地址->PC
(8) (PC) -> MAR，发“读”命令，M(MAR)->MDR，使(MDR)->IR
? (PC) +1->PC
(D) 翻译IR的操作性质
(E) 取操作数
(F) 将操作数送往运算器，进行运算
(G) 送结果
(a) 寄存器
(b)内存

计算机性能指标

计算机系统层次

数据链路带宽计算例子

总线带宽指的是总线在单位时间内可以传输的数据总量，等于总线 位宽 与 工作频率 的乘积。 例如：对于64位、800MHz的前端总线，它的数据传输率就等于64bit×800MHz÷8 (Byte)=6.4GB/s 内存带宽 指的是内存 总线 所能提供的数据传输能力。 例如：DDR400内存的数据传输频率为400MHz，那么单条模组就拥有64bit×400MHz÷8 (Byte)=3.2GB/s的带宽。

磁盘容量计算

1、计算磁盘容量
磁盘容量有两种计算方法，格式化容量和非格式化容量，下面用课本上的例题来说明

题目如下
假设一个有3个盘片的硬盘，共有4个记录面，转速为7200/分钟，盘面有效记录区域的外直径为30CM，内直径为10CM，记录位密度为250位/MM，磁道密度为8道/mm，每个磁道分16扇区，每扇区512字节。
试计算该硬盘的格式化容量和非格式化容量和数据传输率？

非格式化容量=总磁道数x内径磁道周长x位密度

所以计算非格式化容量的时候需要先算出总磁道树，总磁道数怎么计算呢?
总磁道数=磁盘面数x（外半径-内半径）x磁道密度
在这个题中，总磁道数=4 x (15-5) x 80=3200

所以非格式化容量=3200 x Pi x 10 x 10 x 250/8 最后算出来的是字节数，根据需要转换成k或者m,得到结果是29.96m

格式化容量=每个扇区的字节数x每道的扇区数x每个记录面的磁道数x记录面数=总的磁道数x每道扇区数x扇区字节数

这里计算非格式化容量就要简单很多了

总磁道数3200，扇区数16，扇区字节数512，算出来就是3200x16x512/1024/1024=25m