第1章 计算机系统知识

第1章 计算机系统知识

一 计算机硬件组成

1. 五大组成部件

  • 运算器
  • 控制器
  • 存储器（内存、外存、cache）
  • 输入设备
  • 输出设备
    CPU = 运算器 + 控制器
    主机 = CPU + 存储器

2. 中央处理器 CPU

  • 组成：运算器、控制器、寄存器组、内部总线

  • 功能：程序控制，操作控制，时间控制，数据处理功能

  • 运算器组成（执行算数和逻辑运算，并进行逻辑测试，如与或非比较等）

    • 算数逻辑单元ALU：实现对数据的算数和运算逻辑
    • 累积寄存器AC：运算结果和源操作数的存放区
    • 数据缓冲寄存器DR：暂时存放内存指令和数据
    • 状态条件寄存器PSW：保存运行结果的条件码内容

  • 控制器组成：（控制整个CPU的工作，最为重要，包括程序控制、时序控制等）

    • 指令寄存器IR：暂存CPU执行指令
    • 程序计数器PC：存放指令执行地址
    • 地址寄存器AR：保存当前CPU所访问内存地址
    • 指令译码器ID：分析指令操作码
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3. 存储器

  • 存储器结构（速度从高到低）：寄存器 – 高速缓存Cache – 主存 – 外存

二 计算机体系结构

1. 计算机体系结构分类

  • Flynn分类法
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2. 指令系统

  • 复杂指令系统 CISC ： 兼容性强，长度可变，有微程序实现
  • 精简指令系统 RISC：指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现
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3. 指令流水线原理

  • RISC流水线技术

    • 1)超流水线（时间换空间）
    • 2)超标量（空间换时间）
    • 3)超长指令字VLIM(执行多条指令，发挥软件作用)
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  • 流水线时间计算：

    设：总指令数为 n ; 单条指令总执行时间为 t单 ; 单条指令在流水线中耗时时间最长段时间 t周
    流水线周期： 指令执行时耗时最长的那个时间段 公式为： t周
    流水线执行总时间： 单条指令总执行时间 + （指令数 - 1） * 流水线周期 公式为： t总 = t单 + （n-1）* t周
    流水线吞吐率： 总指令数 / 流水线执行总时间 公式为：( n / t总 ) = ( n / t单 + （n-1）* t周 )

3. 总线结构

  • 按功能分：总线的分类：数据总线（DB），地址总线（AB），控制总线（CB）
  • 按位置分：
    • 内部总线（处理器内部通信总线）
    • 外部总线（设备一级的总线，计算机外部设通信的总线）