【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 |
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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 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 计算机系统的概述计算机系统=硬件+软件 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 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: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 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 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 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 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 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 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 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 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 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) PC+1=2 PC+1=3 PC=4
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