【计算机组成原理】计算机硬件的基础组成、认识各个硬件部件

淩亂°似流年 2024-03-26 16:01 63阅读 0赞

## 计算机组成原理（一） ##

计算机内部是通过**电信号**传递数据

**电信号：分为高电平和低电平，分别代表1/0**

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*  数字、文字、图像如何用二进制表示?
 *  CPU如何对二进制数进行加减乘除?
 *  如何存储这些二进制数的?
 *  如何从内存中取出想要的数据?
 *  CPU如何识别和执行我们写的程序?
    
    这些问题我们在下面会得到解释，请往下看

### 计算机系统的概述 ###

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计算机系统=硬件+软件

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软件分为系统软件和应用软件

系统软件：用来管理整个计算机系统。eg：操作系统

应用软件：按任务需求编制成的各种程序.eg:抖音，王者荣耀

#### 硬件的发展: ####

**第一代计算机：**

逻辑元件是电子管，因此被称为电子管时代

体积超大、耗电量超大

**第二代计算机：**

逻辑元件：晶体管，被称为晶体管时代

体积和功耗降低了，出现了面对过程的编程语言

并且fortran的操作系统

**第三代计算机：**

逻辑元件：中小规模集成电路，因此被称为中小规模集成电路时代

**第四代：**

超大规模集成电路时代

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**机械字长：**

**计算机一次整数运算所能处理的二进制位数**

### 计算机硬件的基础组成 ###

#### 存储系统： ####

**将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器。**

然后将其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束。

#### 冯诺依曼机结构： ####

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**黑色的线是数据线**

**蓝色的线是控制器接受和指挥各个部件的控制线or反馈线**

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**CPU=运算器+控制器**

现代计算机以存储器为中心

存储器分为主存储器和辅助存储器

**冯.诺依曼计算机的特点:**

*  1.计算机由五大部件组成，
 *  2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
 *  3.指令和数据用二进制表示
 *  4.指令由操作码和地址码组成
 *  5.存储程序
 *  6.以运算器为中心

CPU+主存储器=主机

辅助存储器、输入输出设备为I/O设备

而I/O设备+主机=硬件

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### 认识各个硬件部件 ###

#### 主存储器： ####

**主存储器：存储体+MAR（地址寄存器）+MDR（数据寄存器）**

数据在存储体内按地址存储

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存储体分为一个一个存储单元

存储单元:每个存储单元存放一串二进制代码  
存储字(word):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，,一般是8个bit的整数倍

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数据在存储体内按地址存储

MAR：反映存储单元的个数

MDR：存储字长

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Xzmd5cAp-1677643705130)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228213158117.png)\]][img-Xzmd5cAp-1677643705130_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228213158117.png]

MAR=4位（4个比特位），对应2的四次方个存储单元（因为四个比特位，对应4的全排列种可能）

MDR=16位，一个字（存储字长）=16bit

#### 运算器： ####

运算器：用来实现算术运算、逻辑运算

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PMdAPl6m-1677643705131)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228213353656.png)\]][img-PMdAPl6m-1677643705131_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228213353656.png]

ACC：累加器，用于存放操作数or运算结果

MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用来存放操作数or运算结果

X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数

ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的登录实现算术运算、逻辑运算

**ACC、MQ都可以用来存放操作数or运算结果**

**但X只能用来存放操作数**

#### 控制器： ####

CU：控制单元，分析指令，给出控制信号

IR：指令寄存器，存放当前的指令

PC：程序计数器，存放下一条指令的地址，有自动加1功能

完成一条指令的顺序：

PC——IR——CU

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#### 计算机的工作过程： ####

*  下列这个代码在计算机的工作过程是怎么样的呢？

#include<iostream>
    int main()
    {
        
    	int a = 2, b = 3, c = 1, y = 0;
    	y = a * b + c;
    	return 0;
    }

代码（高级语言)先编译装入主存储器

MAR带个（），寄存器打个括号，指的是寄存器里面的内容

M代表主存储器

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YxS5YOSD-1677643705131)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228213903639.png)\]][img-YxS5YOSD-1677643705131_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228213903639.png]

第一过程：

PC先指向主存储器地址为0的地址，PC通过控制线路传给MAR，MAR指向主存地址为0的地址

存储体将MAR的地址取来，再将主存地址为0的内容反馈给MDR。MDR=000001 0000000101

将MDR的内容（操作码+地址码）传给IR(指令寄存器)

IR将其中的操作码000001传给CU(控制单元，给出控制信号),CU分析后，得知是"“取数”"指令

IR的地址码0000000101传给MAR，导致MAR=5

主存储器中的MAR地址的数据传给MDR，MDR=0000000000000010=2

MDR将数据传给ACC，并存放在ACC中，导致ACC=0000000000000010=2

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aRcY0Api-1677643705131)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228215221595.png)\]][img-aRcY0Api-1677643705131_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228215221595.png]

第二过程：

PC+1，PC=1后，ACC此时为2

PC通过数据线传给MAR，MAR=1

存储体通过MAR传来的地址传其数据给MDR=000100 000000110

MDR传给IR，IR=000100 000000110

IR将其操作码000100传给CU，CU分析后得知这是乘法指令

IR的地址码000000110传给MAR，MAR=6

MAR将其地址传给存储体，存储体传给MDR，MDR=0000000000000011=3

MDR将其数据传给MQ，MQ=0000000000000011=3

ACC=2,将ACC的数值传给X，X=2

MQ\*X的数值传给ACC寄存起来，再通过ALU实现乘法运算，导致ACC=6(如果乘积太大，就需要MQ辅助存储)

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-V1DvWBku-1677643705131)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228215608816.png)\]][img-V1DvWBku-1677643705131_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228215608816.png]

PC+1=2

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HX1tKk6d-1677643705132)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228215916495.png)\]][img-HX1tKk6d-1677643705132_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228215916495.png]

PC+1=3

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-q5Q4GjCt-1677643705132)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228220130980.png)\]][img-q5Q4GjCt-1677643705132_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228220130980.png]

PC=4

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iO0rCWJm-1677643705132)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228220228753.png)\]][img-iO0rCWJm-1677643705132_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228220228753.png]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wVzfsTtR-1677643705132)(C:\\Users\\小卢\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20230228220407710.png)\]][img-wVzfsTtR-1677643705132_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228220407710.png]

### 计算机系统的层次结构 ###

![\[外链图片转存中...(img-c07cFItn-1677643705132)\]][..._img-c07cFItn-1677643705132]

![在这里插入图片描述][7a026e3540854eee9b402601cb001f81.png]  
![\[外链图片转存中...(img-yNNWEdLa-1677643705133)\]][..._img-yNNWEdLa-1677643705133]

[img-4lar3S2l-1677643789134_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228165823634.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/5f8a9d97674b4ac6b72a47f8973edf8d.png
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[img-q5Q4GjCt-1677643705132_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20230228220130980.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/ed85384a957b4a05baf6822d9000f131.png
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[..._img-c07cFItn-1677643705132]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/3dd475b5881e40df96d0b84b8afbbe16.png
[7a026e3540854eee9b402601cb001f81.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/13ba9eb6a0dd4b93b4945261300e2218.png
[..._img-yNNWEdLa-1677643705133]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/b3902093457d452cb8d901ae14ec5935.png