计算机组织与结构笔记

1 计算机系统概论

1.1 计算机体系结构

层次结构：

1.1.1 冯·诺依曼体系结构

又称普林斯顿体系结构
分为五个部分：

• 存储器
• 控制器
• \(\color{red}{运算器}\)
• 输入设备
• 输出设备

如上所示，以运算器为中心。

冯·诺依曼计算机特点

• 指令和数据以同等地位存储于存储器，按地址访问，且都参与运算， 用二进制码表示
• \(\color{red}{指令由操作码与地址码组成}\)

1.1.2 现代计算机体系结构

可以发现，现代计算机体系结构是以存储器为中心的，这是由于存储器的读写速度很大程度上限制的计算机的运算速度，所以将结构改变可以提高计算机性能。

• 运算器&控制器
  皆坐落于中央处理器，即 \(CPU\ (\ central\ processing\ unit\ )\)

• 存储器
  分为内存储器和外存储器

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 主存储器的组成

主存储器可以直接与 \(CPU\) 交换信息，即为运行内存。
除主存储器外，还有辅存储器，即为外存。

一个存储器有多个存储体，存储体是存储器的主要构成部分。

\(\textbf{按地址访问内存}\)

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

\(存储容量=字数\times字长\)

• 地址寄存器
  简称 \(MAR\) \((\ Memory\ Address\ Register\ )\)，由于存储器与CPU工作速度不一致，需要临时储存当前CPU所访问的地址。其位数对应存储单元的个数，如 \(MAR\) 有10位， 则存储单元有 \(2^{10}\) 个。
• 数据寄存器
  简称 \(MDR\ (\ Memory\ Data\ Register\ )\)，保存要被写入地址单元或者从地址单元读出的数据，产生原因同MAR
• 控制总线
  有两条指令，读操作和写操作，对应两条信号线

1.2.2 运算器的组成

分为四部分

• 算术逻辑单元
  又称\(\ ALU\ (\ Arithmetic\ Logical\ Unit\ )\)，主要负责算数运算和逻辑运算 \(e.g.\) 加减乘除，与或非异或，移位补位等.
• 累加器
  又称\(\ ACC\ (\ Accumulator\ )\),主要负责累加/减，如多个数累加/减，存储当前的和/差，等全部运算完毕后写回内存.
• 乘商寄存器
  又称\(\ MQ\ (\ Multiple—Quotient\ Register\ )\),由于乘除法在计算时对于两个操作数并不能通过一次操作得出结果，需要多次累加/减才能得到结果（类比高精乘除）.

1.2.3 控制器的组成

由4个部件组成

• 控制单元
  又称\(\ CU\ (\ Control\ Unit\ )\),主要负责控制控制器的工作，是核心部件。根据当前指令的要求，发送脉冲信号给各部件

• 程序计数器
  又称\(\ PC\ (\ Program\ Counter\ )\),它与主存的\(MAR\)之间有一条直接通路，且具有自加1的功能，为当前地址加一，方便下一次储存。开始程序前，要将起始地址送入，即取\(MAR\)的第一条指令的地址。

• 指令寄存器
  又称\(\ IR\ (\ Instruction\ Register\ )\),存放当前要执行的指令，方便下一步进行译码。

• 指令译码器
  又称\(\ ID\ (\ Instruction\ Decoder\ )\),从\(IR\)中读取指令，用于分析校对指令中的指令码，并判断是否非法，如果非法此指令作废，否则根据此指令向 \(CU\) 发送信号。根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。\(CU\) 再进行进一步的信号发出与控制。