前言

本篇笔记整合自河南大学与哈尔滨工业大学《计算机组成原理》课程内容，经Deepseek-R1进行标准化格式优化。

第一章 计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

一、计算机的软硬件概念

1. 计算机系统

计算机系统分为硬件和软件：

  • 硬件：计算机系统的实体（如主机、外设等）

  • 软件：由功能程序构成，分为：

    • 系统软件：管理计算机系统（操作系统、语言处理程序、数据库管理系统等）
    • 应用软件：任务专用程序（如办公软件、图像处理工具）

二、计算机系统的层次结构

1. 抽象方法论

系统复杂性管理的核心方法是抽象，可分为：

  • 物理层抽象
  • 程序员视角抽象

2. 五层结构体系

语言层级对应机器层
高级语言虚拟机器 $M_3$
汇编语言虚拟机器 $M_2$
操作系统虚拟机器
机器语言实际机器 $M_1$
微指令系统微指令机器 $M_0$

3. 体系结构与组成

  • 计算机体系结构：程序员可见的系统属性（指令集、内存模型）
  • 计算机组成：体系结构的具体实现（数据通路设计、控制单元实现）

1.2 计算机的基本组成

一、冯·诺依曼体系特征

1.五大组成部分：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备

2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访

3.指令和数据都用二进制表示

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

二、计算机硬件框图

1.以存储器为中心的计算机硬件框图

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2.现代计算机硬件框图

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  • 系统复杂性管理方法：

    ①层次化；②模块化；③规则性

3.主机的构成

（1）存储器的基本组成

存储体——存储单元——存储元件

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  • 存储单元存放一串二进制代码
  • 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
  • 在存储器中按地址寻访

基本组成：

  • MAR：存储器地址寄存器 反映存储单元的个数
  • MDR：存储器数据存储器 反映存储字长
（2）运算器的基本组成及操作过程

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基本组成：

  • ACC：累加器
  • MQ：乘商寄存器
  • ALU：算数逻辑单元
  • X：数据寄存器
（3）控制器的基本组成和功能

功能：解释指令；保证指令按序执行

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基本组成：

  • PC：程序寄存器
  • IR：指令寄存器
  • CU：控制单元
（4）主机完成一条指令的过程
以取数指令为例：

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以存数指令为例：

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1.3 计算机硬件技术指标

核心指标体系

指标类型典型参数描述计算公式/说明
处理能力机器字长CPU一次能处理数据的位数与CPU中寄存器位数有关
运算速度主频/GHzCPU时钟频率
核数，线程数CPU核心数量及线程数量
CPI执行一条指令所需时钟周期数指令周期数 = 总时钟周期/指令数
MIPS每秒执行百万条指令$10^6 \times \frac{f}{CPI}$
FLOPS浮点运算/秒
存储容量主存容量表示方式：（1）单元数×字长 （2）字节数例：4GB = 2^32 × 8bit
辅存容量表示方式：字节数例：TB级机械硬盘/PB级云存储

*性能优化公式

吉普森法综合评估：

​ 也用来作为计算机运算速度的技术指标评估

$$ T_M = \sum_{i=1}^{n} f_i t_i $$

  • $f_i$：第i类操作频度
  • $t_i$：第i类操作耗时