计算机组成原理 第一章 计算机系统概述
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一、计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统构成。
如果一个功能既可以用硬件实现，又可以用软件实现，则称为软件和硬件在逻辑功能上是等价的。例如对于乘法，我们可以设计电路，让其能够直接计算乘法，也可以设计软件通过多次加法的方式来实现。一般来说， 硬件实现成本较高，效率也高，软件实现则反之。
既然某些功能具有软/硬件逻辑功能的等价性，那么我们在设计一个计算机系统时需要明确哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现。软件和硬件功能界面的划分是由设计目标、性能性价比、技术水平等综合因素决定的。
指令集体系结构（ISA）：规定了软件和硬件之间的界面。设计计算机系统的ISA，就是要定义其可以支持哪些指令，以及每条指令的作用是什么、每条指令的用法是什么。
二、计算机硬件
1.冯 · 诺依曼计算机
冯 · 诺依曼在研究 EDVAC 机时提出了存储程序的概念，其基本思想是：将实现编制好的程序和原始数据送入主存储器后才能执行，一旦程序被启动执行，就无需操作人员的干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束。
以此为基础的计算机统称冯 · 诺依曼计算器，具有如下特点：
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采用存储程序的工作方式。
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计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备 5 大部件组成。
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指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们。
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指令和数据均用二进制代码表示。
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指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。
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机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
上图为冯 · 诺依曼计算机硬件系统的结构，可以看到机器以运算器为中心，数据需要以运算器为中转站传输到存储器和输出设备。这种方式较为低效，因此现代计算机的结构都是以存储器为中心，输入设备可以直接将数据传输到存储器中，具体如下图所示：
这种方式更多地解放了运算器的时间，可以进行更多运算。
由于运算器和控制器之间的逻辑关系十分紧密，这两个部件通常被集成在同一个芯片上的，即 CPU（CPU包括运算器和控制器）。CPU和主存储器统称为主机，不包括辅存。辅存一般指固态硬盘等，我们将其归为I/O设备。辅存的信息必须调入主存之后才能为CPU所访问。我们常说的运行内容即为主存，机身内存则为辅存。
2.各个硬件的工作原理
（1）主存储器
主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式。
主存储器由存储体、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、时序控制逻辑构成。
存储体存放二进制信息；MAR 存放访存地址；MDR 用于暂存要从存储器中读或写的信息；时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。
存储体由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一位二级制代码 0 或 1。存储单元存储的这一串二进制代码称为存储字，这串代码的位数为存储字长，存储字长可以是 1B（8bit）或是字节的偶数倍。
MAR用于寻址，其位数反映了最多可寻址的存储单元的个数。
MDR的位数通常等于存储字长。
注意：MAR 和 MDR 虽然是存储器的一部分，但在现代计算机中却是存在于 CPU 中的；此外，后面将提到的高速缓存（Cache）也是存在于 CPU 中。故 CPU 不只包含运算器和控制器。
（2）运算器
运算器用于实现算术运算和逻辑运算。
运算器包括若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如 累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR） 等，其中前三种寄存器是必须具备的。
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ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果。
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MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
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X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数，可能有多个。
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ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算术运算、逻辑运算。
运算器内还有程序状态寄存器（PSW），也称标志寄存器，用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息，如结果是否溢出、有无产生进位或借位、结果是否为负等。
在进行不同的运算时，各存储器担任不同的功能。值得注意的是，进行乘法运算时，无论得到的乘积是否超过单个寄存器的存储上限，都会使用 ACC 来存放高位，MQ 来存放低位，因为结果本身是两倍长度。
| 加 | 减 | 乘 | 除 | |
|---|---|---|---|---|
| ACC | 被加数、和 | 被减数、差 | 乘积高位 | 被除数、余数 |
| MQ | 乘数、乘积低位 | 商 | ||
| X | 加数 | 减数 | 被乘数 | 除数 |
（3）控制器
控制器由 控制单元（CU）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC） 组成。
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CU：控制单元，分析指令，给出控制信号。
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IR：指令寄存器，存放当前执行的指令。
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PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加 1 的功能。
完成一条指令需要经历：取指令、分析指令、执行指令三个阶段（前两阶段也可统称取值）。
（4）工作流程
下面以第一条取数指令为例讲述工作流程：
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初始情况下，（PC）= 0，指向第一条指令的存储地址（括号表示寄存器中存储的内容）
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#1：（PC）-> MAR，导致（MAR）= 0
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#2：主存储器根据 MAR 中存储的内容，找到存储体里0号地址所对应的数据
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#3：M（MAR）-> MDR，导致（MDR）= 000001 0000000101（M指主存储器）
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#4：（MDR）-> IR，导致（IR）= 000001 0000000101
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#5：OP（IR）-> CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知是取数指令
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#6：Ad（IR）-> MAR，指令的地址码送到MAR，导致（MAR）= 5
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#7：主存储器根据 MAR 中存储的内容，找到存储体里0号地址所对应的数据
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#8：M（MAR）-> MDR，导致（MDR）= 0000000000000010 = 2
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#9：（MDR）-> ACC，导致（ACC）= 0000000000000010 = 2
取指令（#1 - 4）、分析指令（#5）、执行取数指令（#6 - 9）
一般来说，不同指令的取指令和分析指令的过程都是相同的，执行阶段才会出现区别。
三、计算机软件
1.系统软件和应用软件
软件按其功能分类，可分为系统软件和应用软件。
系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件包括：操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序等。
应用软件指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序，例如我们平时常用的各种 APP 等。
2.三个级别的语言
三种机器语言的特点：
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机器语言：也称二进制代码语言。机器语言是计算机唯一可以识别和执行的语言。
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汇编语言：汇编语言使用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码。
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高级语言：如C、C++、Python等。
各种翻译器的概念：
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汇编程序（汇编器）：将汇编语言程序翻译成机器语言程序。
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解释程序（解释器）：将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行。
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编译程序（编译器）：将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言程序。
注意：编译程序和解释程序都能够将高级语言翻译成机器语言，前者是将源程序一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次），会生成目标代码文件；后者则是对每一个语句进行翻译并立即执行，即每次执行都要进行翻译，并且不会生成目标代码文件。因此解释型的语言要比编译型的语言效率更低。JavaScript、Python、Shell等都是解释型语言。
四、计算机系统的层次结构
1.层次结构
从下到上分别为微程序机器层 -> 传统机器语言层 -> 操作系统层 -> 汇编语言层 -> 高级语言层
没有配备软件的纯硬件系统称裸机；第 3 到 5 层称为虚拟机器，即软件实现的机器。
层次之间关系紧密，下层是上层的基础，上层是下层的扩展。下面两层属于硬件部分，上面三层属于软件部分，软件与硬件之间的界面就是指令集体系结构（ISA）。本课程所探讨的主要内容就是传统机器 M1 和微程序机器 M0。
2.从源程序到可执行文件
文件的翻译需要经过预处理阶段、编译阶段、汇编阶段、链接阶段这四个阶段。
五、计算机的性能指标
1.机器字长
我们通常说的“某 16 位或 32 位机器”，其中的 16、32 指的就是机器字长，简称字长。字长是指计算机进行一次整数运算（定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，通常与 CPU 的寄存器位数、ALU 有关。
机器字长、指令字长和存储字长的关系
- 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数
- 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的位数
早期的存储字长一般与指令字长、机器字长相等，因此访问一次主存储器便可读取出一条指令或一个数据。但随着计算机的发展，指令字长和机器字长都可变，但必须是字节的整数倍。
2.存储器的容量
主存容量是指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节（B）来衡量，也可用字数×字长（如 512K×16 位）来表示存储容量。MAR 位数反映存储单元个数，MDR 位数反映存储单元的字长。
3.CPU的性能指标
CPU时钟周期：单位：微秒（us），纳秒（ns）
CPU主频（时钟频率）：等于1/CPU时钟周期
CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数
注:1：不同指令的 CPI 可能不同，因此一般 CPI 指某程序中所有指令执行所需的平均时钟周期数，即平均 CPI。相同指令的 CPI 也有可能不同，例如对于一个取数指令，其CPI还和主存、内存当前的状态有关。
注意2：时钟频率并不会影响 CPI，但可加快指令的执行速度。例如，执行一条指令需要 10 个时钟周期，则一台主频为 1GHz 的 CPU，执行这条指令要比一台主频为 100MHz 的 CPU 快。
IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令，等于主频/平均 CPI
MIPS：每秒执行多少百万条指令
FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算
MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS：每秒执行多少百万、十亿、万亿、千万亿、百京、十万京次浮点运算
4.系统整体的性能指标
数据通路带宽：外部数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据），它与 CPU 内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。
吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量
响应时间：指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得他所需要的结果的等待时间。
基准程序（Benchmarks）：专门用来进行性能评价的一组程序，能够很好的反应机器在运行实际负载时的性能。但并不是绝对准确的。