简单介绍了计算机是什么，计算机的发展过程，组成，结构关系，工作过程，硬件技术指标。内容有点多，概述已经写在了本文开头的目标中。

目标

1.理解计算机软硬件概念
2.理解计算机系统的多层次结构和虚拟机的概念
3.理解计算机组成与计算机体系结构的关系

4.理解冯·诺依曼计算机的特点
5.初步理解存储器，运算器和控制器的组成与功能，并能描述运算器加、减、乘、除四则运算的操作过程
6.能正确绘制细化的计算机硬件组成框图，并能基于此图描述主机完成一条指令（如存数、取数、加法、减法）的过程

7.了解计算机主要的硬件指标，能区分机器字长、指令字长和存储字长，能理解主频、MIPS、CPI、FLOPS等运算速度指标

关于计算机

什么是电子计算机?

能存储程序和数据，能执行机器指令，能自动、高速、精确进行信息处理的现代化电子设备。

计算机有多种分类方法

按用途（专用，通用）
按规模（个人，小型，大型，巨型）
按处理的信号（数据信号，模拟信号）
按体系结构
SISD（Single instruction, Single data）单指令单数据流
SIMD（Single Instruction,Multiple Data）单指令多数据流
MISD（Multiple Instruction,Single Data）多指令单数据流
MIMD（Multiple Instruction,Multiple Data）多指令多数据流

计算机系统简介

1.计算机系统软硬件组成

graph LR;
    A[计算机系统]-->B[硬件]
    A[计算机系统]-->C[软件]
    B-->Ba[运算器]
    B-->Bb[控制器]
    B-->Bc[存储器]
    B-->Bd[输入设备]
    B-->Be[输出设备]
    C-->Ca[系统软件]
    C-->Cb[应用软件]
    Ca-->Cc[操作系统]
    Ca-->Cd[语言处理程序]
    Ca-->Ce[数据库管理系统]
    Ca-->Cf[等等]

2.从解题过程分析计算机层次结构

graph LR;
    A[机器语言程序]-->B[运行]
    subgraph  
        B
    end
    B-->C[结果]

机器语言时代计算机解题过程

graph LR;
    A[汇编语言源程序]-->B[汇编]
    subgraph  
        B-->|机器语言目标程序|C[运行]
    end
    C-->D[结果]

汇编语言时代计算机解题过程

graph LR;
    A[高级语言源程序]-->B[编译+汇编]
    subgraph  
        B-->|机器语言目标程序|C[运行]
    end
    C-->D[结果]

高级语言时代计算机解题过程

3.计算机的层次结构

graph TB;
    subgraph 软件
        A["虚拟机器M4（高级语言机器）"]-->B["虚拟机器M3（汇编语言机器）"]
        B-->C["虚拟机器M2（操作系统机器）"]
        Aa["用编译程序翻译成汇编语言程序"]-.->Ba["用汇编程序翻译成机器语言程序"]
        Ba-.->Ca["用机器语言解释操作系统"]
    end
    subgraph 硬件
        C-->|"控制并管理计算机系统全部软硬件资源，为用户使用计算机系统提供方便"|D["传统机器M1（机器语言机器）"]
        D-->E["微程序机器M0（微指令系统）"]
        Da["用微指令解释机器指令"]
        Ea["由硬件直接执行微指令"]
        Da-.->Ea
    end

计算机的基本组成

1.冯·诺依曼计算机的特点

1.计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部件组成。（硬件组成）
2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访。（存储特点）
3.指令和数据用二进制表示。（编码特点）
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。（指令格式）
5.指令在存储器中按顺序存放。（便于顺序执行）
6.机器以运算器为中心，I/O设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。（结构特点）

2.计算机的硬件框图

1.典型的冯·诺依曼计算机结构框图
实线表示数据信息，虚线表示控制信息

2.以存储器为中心的计算机结构框图
空心箭头表示数据信息，实线表示控制信息，虚线表示控制器之外的其他设备向控制器所做的反馈信息，如设备状态等

3.现代计算机的组成框图

graph LR;
    A["运算器 ALU"]-->E["CPU"]
    B["控制器 CU"]-->E["CPU"]
    C["存储器"]-->F["主存"]
    E-->I["主机"]
    F-->I["主机"]
    C["存储器"]-->G["副存"]
    G-->H["I/O设备"]
    D["输入设备"]-->H["I/O设备"]
    J["输出设备"]-->H["I/O设备"]
    I-->K["硬件"]
    H-->K["硬件"]

3.计算机各部件的组成

3.1存储器的基本组成

1.存储体（大楼） - 存储单元（房间） - 存储元件（床位）

存储单元 存放一串二进制代码，按地址寻访

2.MAR 存储器地址寄存器，其位数反映存储单元的个数

3.MDR存储器数据寄存器，其位数反映存储字长

3.2运算器的基本组成及操作过程

ALU:算数逻辑单元

ACC:累加器

MQ:乘商寄存器

X:操作数寄存器

1.加法操作过程

graph LR;
    subgraph 指令
        A["加（操作码）"]---B["M（地址码）"]
    end

第1步：初态 ACC中已经置好了被加数
第2步：把内存M单元中的数据取过来装入到X中 [M]–>X
第3步：ACC提供被加数，X提供加数，由ALU完成运算后放入ACC中，这就是第1步中已经存在数据的由来 [ACC]+[X]–>ACC

tip：M表示加数的地址，加上方括号的[M]表示该地址存放的数据，也就是加数本身

2.减法操作过程（与加法极其相似）

graph LR;
    subgraph 指令
        A["减（操作码）"]---B["M（地址码）"]
    end

第1步：初态 ACC中已经置好了被减数
第2步：**[M]–>X**
第3步： [ACC]-[X]–>ACC

3.乘法操作过程

由于乘法的操作比较复杂，比如16位乘16位可能得到一个32位的数，所以存放的时候需要用到两个16位的寄存器，把高位（前16位）放到ACC中，把低位（后16位）放到MQ中

graph LR;
    subgraph 指令
        A["乘（操作码）"]---B["M（地址码）"]
    end

第1步：初态 ACC中已经置好了被乘数
第2步：**[M]–>MQ**
第3步：**[ACC]–>X**
第4步：0–>ACC(清空ACC)
第5步：**[X][MQ]–>ACC//MQ*

4.除法操作过程

MQ中存放商，ACC中存放余数

graph LR;
    subgraph 指令
        A["除（操作码）"]---B["M（地址码）"]
    end

第1步：初态 ACC中已经置好了被除数
第2步：**[M]–>X**
第3步：**[ACC]/[X]–>MQ** 余数在ACC中

运算器操作过程总结

	ACC	MQ	X
加法	被加数，和		加数
减法	被减数，差		减数
乘法	乘积高位	乘数，乘积低位	被乘数
除法	被除数。余数	商	除数

3.3控制器的基本组成

CU:控制单元

IR:指令寄存器，存放着当前欲执行的完整指令，操作码+地址码

PC:程序计数器，存放当前欲执行的指令地址，有计数功能,指向下一条指令地址，实现指令的顺序执行(PC)+1-->PC

第1步：PC给出指令的地址，CU根据地址在主存中取出该指令，放入到IR
第2步：CU从IR中取出指令的操作码，进行分析，根据分析结果发出控制信息

graph LR;
    A["完成一条指令"]-->Aa["取指令(PC)"]
    A-->Ab["分析指令（IR）"]
    A-->Ac["执行指令（CU）"]
    Aa-->B["取指 访存"]
    Ab-->B
    Ac-->C["执行 访存"]

更细化的计算机硬件组成框图：

计算机的工作过程

大致逻辑：取指令-分析指令-执行指令

取数指令

主机完成一条指令的过程，以取数指令为例

通过计算机各部件的组成的1、2、3节，我们了解到存储器，运算器和控制器的工作过程，接下来是更完整的组成框图的工作过程。

取指令

第1步：PC–>MAR，PC给出指令的地址，放入到MAR中。
第2步：MAR–>存储体，根据MAR中的地址，通过译码，选中存储体中的地址存储单元。
第3步：存储体–>MDR，把锁定的地址的内容放入到MDR中。
第4步：MDR–>IR，（这里PC发出的地址可能是指令，也有可能是数据，我们以取数指令为例）将MDR中的指令放入到IR中。

分析指令

第5步：IR–>CU，当IR接收到指令之后，提交到CU，并由CU来分析接下来要执行什么操作。

执行指令

第6步：IR–>MAR，根据冯·诺依曼计算机的特点，指令包括操作码和地址码，CU根据操作码完成分析，发现这是一条取数的指令，再由地址码要求IR取出操作对象。
第7步：MAR–>存储体，MAR通过译码，在存储体中找到相应的存储单元。
第8步：存储体–>MDR，在存储单元中，取出数据，放入到MDR中。
第9步：MDR–>ACC，将数据传给ACC，等待运算处理。

存数指令

主机完成一条指令的过程，以存数指令为例

与取数指令比较，大致流程相同，直到第7步，MAR中的地址锁定存储体的存储单元位置之后，存数指令需要将数据放入到存储体中。

执行指令

第8步：ACC–>MDR，将ACC中的数据放入到MDR中。
第9步：MDR–>存储体，将MDR中的数据，放入到锁定的存储单元位置，完成存数。

与前一张图大致不变，8和9的箭头互换

例题1 加法指令的信息流程

以加法指令ADD M（M为主存地址）为例，写出完成指令的信息流程（从取指令开始）

答案

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取指令：PC–>MAR–>M–>MDR–>IR
分析指令：OP(IR)–>CU
执行指令：Ad(IR)–>MAR–>M–>MDR–>X,ACC–>ALU同时X–>ALU,ALU–>ACC

例题2 指令和数据如何区分

指令和数据都在于存储器中，计算机如何区分它们?

答案

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方法1：根据不同阶段去区分，取指阶段取的是指令，执行阶段取的是数据；
方法2：根据地址的来源区分，来自PC寄存器的地址取的是指令，来自IR寄存器的地址码部分的地址取的是数据。

一个程序的运行过程

graph TB;
A["将程序装入计算机主存中"]-->B["程序首条指令地址-->PC"]
B-->C["启动程序运行"]
C-->D["取指令 PC-->MAR-->M-->MDR-->IR"]
D-->E["分析指令 OP(IR)-->CU"]
E-->F["执行指令 AD(IR)-->MAR-->M-->MDR-->ACC"]
D-->G["一个指令周期"]
E-->G
F-->G
G-->H["执行下一条指令……周而复始地执行指令周期"]
H-->I["停机"]

例题3 计算位数，指出信息通路

设主存储器容量为64K*32位，并且指令字长、存储字长、机器字长三者相等，写出图中各寄存器的位数，并指出那些寄存器之间有信息通路。

答案

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分析：

64K*32位：主存储器由64K个存储单位构成，每个存储单位可以存放一个字长为32位的存储字。（一栋楼，有64个房间，每个房间有32张床）
指令字长 = 存储字长 = 机器字长 =32位

64K个存储单元编号需要几位二进制数？
1K = 2¹⁰
64 = 2⁶
64K = 2⁶ * 2¹⁰ = 2¹⁶
也就是64K需要16个二进制数来表示，也就是64个房间的编号，从0000……0（16个）到1111……1（16个）。

这个地址从哪儿来？
PC（上步推导得 16位）

访存时该地址存放在哪儿？
MAR（由PC输入，所以也是16位）

从我个人角度理解，存放数据的都是32位，存放地址的都是16位。至于信息通路已经由例题1和例题2演示了。



最终答案

计算机硬件的技术指标

机器字长

概念

CPU一次能处理的位数，与CPU中的寄存器位数有关。

对其他字长的概念理解

存储字长：存储器中一个存储单元（存储地址）所存储的二进制代码的位数，MDR寄存器的位数取决于存储字长。
指令字长：计算机指令字的位数，IR寄存器的位数取决于指令字长。
数据字长：计算机中一个特定的类型数据所存储所占用的位数。

运算速度

指标

对运算速度的理解

1.主频、外频二者的关系
主频：CPU内核工作的时钟频率
外频：系统总线时钟频率
主频 = 外频*倍频系数
主频不能单独决定运算速度的快慢

2.主频，MIPS与CPI的关系
MIPS：百万条指令/每秒。
MIPS = f * 10^-6/CPI

例题

莫计算机主频为1GHz，在其上运行的某目标代码含2*10^5条指令，共有A、B、C、D四类指令，每类指令的CPI值及其在目标代码中所占比例如下表，求目标代码的运行速度MIPS。

指令类型	CPI	所占比例
A	1	60%
B	2	18%
C	4	12%
D	8	10%

答案

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解：MIPS = f * 10^-6/CPI
= 1*10⁹*10^-6/(1*60%+2*18%+4*12%+8*10%)
= 1000/2.24
= 446.4

存储容量

概念

存储器存放二进制信息的总位数

graph TB;
    A["存储容量"]-->B["主存容量"]
    A-->C["辅存容量"]
    B-->D["存储单元个数 * 存储字长"]
    D--> E[" "]
    subgraph 例3
        E["10(MAR) * 8(MDR) =<br>1K * 8位(容量)"]
    end
    B-->F["字节数"]
    F-->G[" "]
    subgraph 例2
        G[2<sup>13</sup>b = 1KB]
    end
    C-->H["字节数"]
    H-->I[" "]
    subgraph 例1
        I["80GB(1GB = 2<sup>30</sup>B)"]
    end

第一章 完