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计算机组成原理

计算机硬件组成

五大部件：

存储器、控制器、运算器、输入设备、输出设备

可以分为两大方面。逻辑结构如下：

• 主机

  • 中央处理器-CPU-Central Processing Unit

    • 运算器-包含三个寄存器和一个算术逻辑单元

      • ALU-Arithmetic Logic Unit-算术逻辑单元

      • ACC-Accumulator-累加器

      • MQ-Multiplier-Quotient Register-乘商寄存器

      • X-操作数寄存器

    • 控制器

      • CU-Control Unit-控制单元-用来分析各种指令
      • IR-Instruction Register-指令寄存器-当前正在执行的指令
      • PC-Program Counter-程序计数器-接下来要执行的指令。自动+1,和控制器内的MAR之间有一条直接通路。

  • 存储器-主存/内存-Main Memory-MM。工作方式为访存-按照存储单元的地址号进行写入、读出

    • 存储体
      • 由N个存储单元组成
    • MAR-Memory Address Register-存储器地址寄存器-存放要访问的存储单元的地址。位数对应存储单元的个数，如MAR为10位，则有2^10^ =1024个存储单元
    • MDR-Memorry Data Register-存储器数据寄存器-存放从存储单元内读出的数据，或者存放即将要写入存储单元的数据-其位数=存储字长

• 外设/IO设备-Input/Output Equipment

  • 键盘、鼠标
  • 显示器

计算机执行运算过程

一条计算机指令由 操作码 + 地址码 组成

操作码代表当前指令是什么操作（取数、存数、加减乘除、停机、打印等）

地址码代表参加运算的数在存储器内的位置

一共有三个阶段

1. 取指阶段
2. 分析阶段
3. 执行阶段

例如：计算$1 + 2$

• 控制器将PC内将要执行的指令地址送入主存的MAR,经过地址总线，送至主存，命令存储器读，此时存储单元的内的数据送至数据总线，然后读出到MDR中。由MDR送到IR(因为IR是存放当前正在执行的指令)中。这条指令的具体内容已经被读出来了-取指阶段结束
• 指令到达IR之后，IR将当前指令的操作码送至CU，经过CU分析，该指令为取数指令。
• 于是CU将该指令的地址码送入MAR,并命令存储器读。将该地址的操作数1送至MDR。再由MDR送到ACC中
• 执行完第一条指令之后，PC自动+1,重复执行上述过程。取第二条指令重复上述过程，由CU分析该指令操作码为加法操作，CU向存储器发出读命令，将该指令地址码对应的操作数2，读出之后放到MDR中，然后经MDR送至X中，然后由ALU座加法运算，将结果送至ACC中

计算机存储容量的计算

1. 存储总量 = 主存 + 辅存(硬盘的实际容量)

2. $主存 = 存储单元个数 \times 存储字长 = 2^{MAR位数} \times MDR位数=2^{地址总线根数} \times 数据总线根数(或者是位数)$

   例如：MDR为32位，MAR为16位，则主存的容量为

   $2^{16} \times 32 = 2^{21}$位

   而 1B(Bite) = 8位,1KB = 1024B ，换算为KB就是

   $2^{21} \div 2^{3} \div 2^{10} = 2^{8}$KB

   例如：地址总线为10根，数据总线为4根，则存储容量为

   $2^{10} \times 4 = 4K$