计组第一章思维导图

408考研计组第一章思维导图，计组--指令集及其特性 Chapter2-1 指令集及其特性 指令集:一个给定的计算机体系结构所包含的指令集合。 指令中包含: 操作码(Op code)、Do this 源操作数引用。

计算机组成原理

• 第一章计算机系统概述
  • 计算机的发展历程
    • 计算机硬件的发展
      • 1946-1957---电子管时代
        • D语言编程，助记：中国57年决定研制核武器
      • 1958-1964---晶体管时代
        • 1964文革风暴即将开始
        • 软件开始使用高级语言，操作系统雏形出现
      • 1965-1971---中小规模集成电路时代
        • 高级语言发展迅速，开始有了分时操作系统
        • 半导体开始代替磁芯存储器
      • 1972-至今 ---超大规模集成电路时代
        • 产生微处理器；注入并行，流水线， 高速缓存和虚拟存储器等概念开始实现
      • 计算机的发展：逻辑元件的革命
        • 摩尔定律：每隔18个月集成电路上的晶体管可容纳数量 翻一番，性能也将翻一倍
    • 计算机软件的发展
      • 科学计算与工程计算的FORTRAN
      • 结构化程序设计的PASCAL
      • 面向对象的C++
      • 适应网络环境的JAVA
    • 计算机的分类与发展方向
      • 发展“两级分化”，极微。极巨
      • 电子计算机
        • 电子模拟计算机
        • 电子数字计算机
          • 是通过计算机的效率、速度、价格及 运行的经济性和适应性来划分
          • 专业计算机
          • 通用计算机
            • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
      • 按照指令和数据流可分为：
        • SISD，传统的冯·诺伊曼体系结构
        • SIMD
        • MISD,实际不存在
        • MIMD,多处理器和多计算机系统
  • 计算机系统层次结构
    • 计算机系统的组成
      • 软件+硬件
        • 硬件：有形的物理设备
        • 软件：在硬件上运行的程序和相关数据和文档
        • 既能用软件实现也能用硬件实现 则称为软硬件在“逻辑”上是等效的
    • 计算机硬件的基本组成
      • 五大部件
        • 输入设备
          • 键盘、鼠标、扫描仪、摄像机等
        • 输出设备
          • 显示器、打印机等
        • I/O设备，与外界联系的桥梁
        • 存储器
          • 存储部件用来存放数据和程序 主存：按地址进行存储
            • 主存储器组成
              • MAR地址寄存器
                • MAR、MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的 另外，高速缓存Cache也存在与CPU中
                • 存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元
              • MDR数据寄存器
                • 暂存要从存储器中读/写的信息
              • 存储体
                • 存放二进制信息浮动主题
              • 时序控制逻辑
                • 用于产生存储器操作所需的各种时序信号
        • 运算器
          • 用于进行算术和逻辑运算
            • 运算器组成
              • IX变址寄存器 BR基址寄存器
              • ALU算术逻辑单元（核心）
              • ACC累加器
              • MQ乘商寄存器
              • X操作数寄存器
              • PSW程序状态寄存器
                • 用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机状态信息 如：是否溢出？ 是否产生进位? 是否结果位负？
        • 控制器
          • 计算机的指挥中心，由其指挥 各部件自动协调地进行工作
            • 控制器组成
              • PC程序计数器（取指令）
                • 与主存的MAR之间由一条直接通路
                • 存放当前欲执行指令，可以自动+1以形成下一条指令的地址
              • IR指令寄存器（取指令）
                • Op(IR)——>送至CU：用于分析指令并发出各种微操作命令序列 Ad(IR)——>送至MAR：用于去操作数
                • 用于存放当前指令，其内容来源于MDR
              • CU控制单元（分析 执行指令）
                • 分析指令然后给出控制信号
    • 计算机软件的分类
      • 系统软件和应用软件
        • 系统软件：操作系统OS、数据库管理系统DBMS、语言处理系统 分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务型程序等
        • 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
      • 三个级别的语言
        • 机器语言
          • 计算机位移可以直接识别和执行的语言---01二进制
        • 汇编语言
          • 面向机器的低级语言，助记符合语言，需经过”汇编程序“进行翻译——>机器语言
        • 高级语言
          • 如C、C++、Java等高级语言需要经过”编译程序“编译成——>汇编语言，再经过”汇编程序“——>机器语言 或者直接由高级语言翻译成机器语言程序
    • 计算机的工作过程
      • 分为三个步骤
        • 1）把程序和数据装入存储器
        • 2）将源程序转换成可执行文件
          • 1预处理阶段
            • 对源程序hello.c中以字符#开头的命令进行处理——>hello.i文本文件
          • 2编译阶段
            • 对预处理过的源程序hello.i进行编译——>hello.s文本文件
          • 3汇编阶段
            • 汇编器将hello.s翻译成机器语言指令——>打包成为一个 可重定位目标文件hello.o二进制文件
          • 4链接阶段
            • 链接器 将对公可重定位目标文件和标准函数库合并为一个可执行目标文件，即可执行文件hello，最终被保存在磁盘上
        • 3）从可执行文件的首地址开始逐条执行指令
    • 计算机系统的多级层次结构
      • 下层是上层的基础，上层是下层的拓展
      • 第1级是微程序机器层，实在的硬件层，由机器硬件直接执行微指令
      • 第2级是传统机器语言层，也是实际的机器层。由微程序解释机器指令系统
      • 第3级是操作系统层，也称混合层。OS程序由机器指令和广义指令组成
        • 广义指令及系统调用，是为了拓展机器功能而设置的， 是由OS定义和解释的”软件“指令，所以这层也称混合层
      • 第4级是汇编语言层，为用户提供一种符号化的语言
      • 第5级是高级语言层，是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的
      • 3~5层称为虚拟机， 简单说是软件实现的机器
  • 计算机的性能指标
    • 计算机的主要性能指标
      • 机器字长
      • 数据通路带宽
        • 各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路
        • 是指数据总线一次所能并行传送信息的位数
      • 主存容量
      • 运算速度
        • 吞吐量
        • 响应时间
        • 主频
        • CPU时钟周期
        • CPI
        • CPU执行时间
          • =CPU时钟周期数/主频 =(指令条数*CPI)/主频
        • MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS
          • MIPS=主频/CPI
    • 几个专业术语
      • 1系列机
      • 2兼容
      • 3软件可移植性
      • 4固件
        • 吸收了软/硬件各自的优点，执行速度快于软件，灵活性优于硬件
        • 将程序固定再ROM中组成的部件称为固件，例如操作系统
• 注意区分：编译程序和解释程序
  • 编译程序 ，一次翻译全部为目标程序，只要源程序不变则无需重新翻译
  • 解释程序，翻译一条指令立即执行一条，并且不会生成目标程序
• 控制器+运算器=CPU CPU+主存=主机 外存+I/O设备=外设
• 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算 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
• MDR的位数=存储字长
• MAR长度=PC长度=存储单元的个数