王道 第一章 计算机系统概述

王道 第一章 计算机系统概述

主要内容:

  • 基本部件的结构和组织方式
  • 基本运算的操作原理
  • 基本部件和单元的设计思想

处理器+内存=计算机

存储器

存储器(高速缓存、主存储器、虚拟存储器):文都教育说:现在不叫存储器,叫存储系统

运算器:进行算数运算+逻辑运算;一次通常只算两个数字,多个数据计算会拆开,一次运算两个数据

位数多:计算精度越高(小数精确,整数范围大),运算快(一次算64位,在32位机器上要两次,64位机器一次),但是所需的电子器件也多,运算器长度一般是8、16、32、64.

一般来讲,运算器的字长和寄存器、数据总线大小是一样的。如果字长是32位的机器,寄存器和数据总线也都是32.

字长:字长是一个变化的概念,和字节不一样。一个字节是8位二进制。对于64位字长的机器,一个字是64,对于32位字长机器,一个字是32.


存储器:保存程序(指令)和数据

目前采用半导体器件来作为存储器,一个半导体触发器可以记忆一个二进制代码(0/1),一个数假设用16位二进制代码表示,那么需要16个触发器来保存这个代码。

存储元:保存一个二进制位的触发器。(就是一个触发器)

存储单元:若干个存储元构成一个存储单元。计算机每次访问以存储单元为单位,市面上的机器都是以一个字节为一个存储单元(但是在考试中就会出现各种)。

地址:每个存储单元的编号(门牌号)

控制器

控制器:发号施令的部件,本质就是执行程序,程序由指令构成,取指令、分析指令(译码)、执行指令。保证指令按照规定序列自动连续执行,对异常情况和请求及时响应和处理。

运算器

对于复杂运算,计算机在运算前必须化成多步简单的加减乘除等基本操作来做。每个基本操作就叫做一条指令。而解算某一问题的一串指令序列,叫做该问题的计算程序,简称程序。例如求解二元一次方程,解题步骤的每一步,只完成一种基本操作(一条指令),而整个解题步骤就是一个简单的计算程序。

冯诺依曼结构:数据和指令都存在同一个存储器。一般把他们分开放,一个存储器分为代码区数据区,但是都是二进制编码。存储程序并且按照地址执行,这是冯诺依曼型计算机的设计思想。

机器语言和汇编语言都是硬件语言,不同的计算机机器语言和汇编语言是不一样的。汇编和机器语言是一一对应的。

控制器依靠存储的程序来控制机器,让机器协调地完成计算任务,这叫程序控制。

取指令的时间叫取指周期,执行指令的时间叫执行周期,取指+执行周期=指令周期。根据时间来区分指令和数据,取指周期内取出的二进制编码是指令,执行周期内取出的二进制编码是数据。

控制器反复交替地处在取指周期和执行周期中。每取出一条指令,控制器中的指令计数器就加1,从而为取下一条指令做好准备,这也就是指令为什么在存储器中顺序存放的原因。

指令计数器(PC)不一定是加1,主要是看一条指令占了几个存储单元。如果是一个存储单元,那么下一条指令地址就是加1.如果一条指令占了两个存储单元,那么下一条指令地址就是加2.

性能指标

CPU工作一秒钟,100ms是用来运算,900ms用来输入输出,它的运算利用率是10%,输入输出利用率是90%。

一般来讲,总线宽度是和机器字长是吻合的。32位计算机的数据总线宽度一般也是32位。

1G X 16bits,表示2^30个存储单元,一个存储单元里有16位二进制数。

对于容量和速度,K、M、G是不一样的。1G在速度上是10的9次方。

这里的MHz和GHz就是10的6次方和10的9次方,

3.6GHz,指的是每秒有 3.6 * 10^9 个时钟周期,每个时钟周期的时间是1 / (3.6 * 10^9)秒。