計算機組成原理(唐朔飛)--第一篇 概論

本篇主要介紹計算機系統的基本組成、應用與發展，並通過對該書結構的介紹，指出學習該書的思路。

第一章 計算機系統概論

下一篇計算機組成原理(唐朔飛)–第二篇 計算機系統的硬件結構之系統總線

1.1 計算機系統簡介

1.1.1 計算機的軟硬件概念

硬件：計算機的實體部分，看得見的電子元器件。
軟件：事先編制的具有各種特殊功能的程序組成，通常存放在計算機主存或輔存中。軟件的發展可以充分發揮計算機硬件的功能，提高計算機的工作效率，而且已經發展到可以局部模擬人的思維。
軟件通常分爲系統軟件和應用軟件。

1. 系統軟件：主要用來管理整個計算機系統，監視服務，使系統資源得到合理調度，高效運行。包括：標準程序庫、語言處理程序、操作系統、服務程序、數據庫管理系統、網絡軟件。
2. 應用軟件：主要是爲了滿足用戶任務需求所編制的各種程序，如科學計算程序、數據處理程序、過程控制程序、事務管理程序。

1.1.2 計算機系統的層次結構

計算機系統的層次結構是隨着計算機的發展逐步發展起來的。

1. 早期只有機器語言，人們編寫機器語言後直接在實際機器M1上執行，因機器語言由01代碼組成，需要程序員對計算機硬件系統和指令系統特別熟悉，編寫難度較大。
2. 20世紀50年代出現了彙編語言，人們先用匯編語言編寫程序，彙編語言通過虛擬機器M2翻譯成機器語言，在實際機器M1上運行，M1輸出結果。彙編語言使用符號表示指令或數據所在的存儲單元地址，使程序編寫難度降低。彙編語言的劣勢是，擺脫不了實際機器的指令系統，而且同樣需要程序員對計算機硬件系統和指令系統非常熟悉。
3. 20世紀60年代出現了高級語言，高級語言把用戶編程與實際機器的操作分離開，人們在虛擬機器M3上進行高級語言編程，使用虛擬機將用戶編程代碼翻譯成彙編程序或機器語言。此時的計算機系統具有三層結構。
4. 不僅在實際機器M1上有向上延伸的各級虛擬機，同理，機器M1內部向下延伸出現了微程序機器M0，M0是直接將M1中的機器指令變成一組微指令，構成一個微程序。M0每執行完一個微程序，再將M1的下一條指令放入M0生成下一組微指令，繼續執行。此時的計算機系統具有四層結構，M0,M1,M2,M3。
5. 在傳統機器M1和虛擬機器M2之間還存在着一級虛擬機器，由操作系統軟件構成。操作系統向上，提供了在彙編語言和高級語言實現和使用過程中的基本操作，向下起到控制並管理計算機系統全部硬件和軟件資源的作用。

1.1.3 計算機組成和計算機體系結構

首先我們需要區分兩個概念，什麼是計算機組成？什麼是計算機體系結構？

• 計算機體系結構是程序員可見的計算機系統的屬性，比如從傳統機器M1的層次看，有指令集、數據類型、存儲器尋址技術、I/O機理大都屬於抽象屬性。站在不同的計算機系統層次上看，計算機體系結構也是不同的。
• 計算機組成是指如何實現計算機體系結構所體現的屬性。如指令的實現，即如何取指令、分析指令、取操作數、運算、送結果，這些都是計算機組成的問題。

1.2 計算機的基本組成

1.2.1 馮諾依曼計算機的特點

1. 計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備組成
2. 數據和指令以同等地位存儲於存儲器內，並可按地址尋訪。
3. 數據和指令以二進制形式存放。
4. 指令由地址碼、操作碼構成，操作碼錶示操作的屬性，地址碼錶示操作數的存放地址。
5. 指令在存儲器內按順序存放。通常指令是按順序執行，可根據運算結果或設定條件改變執行順序。
6. 機器以運算器爲中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送通過運算器完成。

1.2.2 計算機的硬件框圖

馮諾依曼計算機結構框圖：

各部件功能如下：
運算器：用來完成計算機的數值運算、邏輯運算，並將中間結果暫存在運算器中。
存儲器：存放數據和指令。
控制器：控制指揮程序的執行、輸入數據，運行以及處理運算結果。
輸入設備：用來將人們熟悉的信息形式轉換爲機器能識別的形式。
輸出設備：將計算機運行結果轉換成人們熟悉的信息形式。

現代計算機硬件結構圖：

1.2.3 計算機的工作步驟

• 上機前的準備

1. 建立數學模型
2. 確定計算方法
3. 編制解題程序

• 計算機的工作過程

1. 主存儲器
   主存的工作方式就是按照存儲單元的地址號實現對存儲字的存、取。這種存取方式稱爲按地址存取。
   下面分別介紹主存的構成部件：
   存儲體內部由一個個存儲單元構成，每個存儲單元又包含多個存儲元件，每個存儲元件能寄存一位二進制代碼0或1。存儲字是存在存儲單元中的二進制代碼，存儲字可以表示一串字符、二進制數、一條指令。存儲字長是存儲字的長度。
   MAR是存儲器地址寄存器，它的位數對應存儲單元的個數。
   MDR是存儲器數據寄存器，它的長度對應存儲字長。
   隨着硬件技術的發展，主存都製成大規模集成電路的芯片，而將MAR,MDR集成在CPU中。
   早期計算機的存儲字長與指令字長、數據字長相等，但隨着計算機的應用範圍不斷擴大，解題精度不斷提高，往往要求指令字長、數據字長是可變的。因此現在存儲字長、指令字長、數據字長三者可各不相同，但它們必須是字節的整數倍。

2. 運算器
   
   
   加法操作過程
   減法操作過程
   
   乘法操作過程
   
   除法操作過程
   

3. 控制器
   
   控制器的主要作用指揮各部件自動協調的工作，具體步驟是讀取指令、分析指令、執行指令。
   下面分別介紹控制器中的各個部件：
   CU：控制單元，分析當前指令需要完成的操作，併發出各種微指令序列，控制被控對象。
   IR：指令寄存器，存放當前欲執行的指令，指令來源於MDR。
   PC：程序計數器，存放當前欲執行指令的地址，與存儲器的MAR有一條直接通路，且具有自動加一(根據計算機的不同加的數字也不同)的功能。

4. I/O
   每一種IO設備都由I/O接口與主機聯繫，它接收CU發出的各種控制命令，並完成相應操作。

主機上完成一條指令的過程(取數過程)

注：序列號與圖中序號對應

1. 首先程序計數器PC在CU的控制下將地址送到MAR中。
2. MAR將地址送給存儲體。
3. 在控制器的控制下，存儲體將對應地址存儲單元中的取數指令送給MDR。
4. MDR將對應的取數指令送給IR。
5. IR將指令寄存器中指令的操作碼部分送給CU，CU進行指令分析。我們的指令是將存儲單元M中保存的數據存儲到ACC中去。
6. IR將指令寄存器中地址部分送給MAR。
7. MAR將地址送給存儲體。
8. 在控制器的控制下，存儲體將對應地址M，存儲單元中的數據送給MDR。
9. MDR將數據送到ACC中。

1.3 計算機硬件的主要技術指標

衡量一臺計算機性能的優劣是根據多項技術指標綜合確定的，既包含硬件的各種性能指標，又包括軟件的各種功能。這裏主要討論硬件的技術指標。

1.3.1 機器字長

機器字長是指CPU一次能處理數據的位數，通常與CPU的寄存器位數有關。 字長越長，能表示的數的範圍越大，精度越高。並且機器字長影響數據運算速度。

1.3.2 存儲容量

存儲容量=存儲單元個數x存儲字長

1.3.3 運算速度

早期用一條指令運算的時間衡量計算機運算速度，後來又用吉普森法按頻率對指令運算時間進行加權運算。現在機器運算速度普遍採用單位時間內執行指令的平均條數來確定，MIPS作爲計量單位(每秒執行百萬條數據)。也可以用CPI執行一條指令的時鐘週期、FLOPS每秒浮點運算次數來衡量。

1.4 本書結構

第二章 計算機的發展及應用

2.1 計算機的發展史

1946年 美國 ENIAC，爲美軍彈道實驗室研究，通過搬動開關和插拔電纜編程，沒有存儲器，計算速度被編程耗時抵消了。
電子技術和計算機體系結構技術推動計算機的發展，所以計算機的發展歷史是按硬件技術的發展劃代的。

2.2 計算機的應用

1. 科學計算與數據處理
2. 工業控制和實時控制
3. 網絡技術
4. 虛擬現實
5. 辦公自動化和管理信息系統
6. CAD/CAM/CIMS
7. 多媒體技術
8. 人工智能

2.3 計算機的展望

1. 計算機具有類似人腦的智能(人工智能)
2. ？替代傳統的硅芯片(量子計算機)