六、计算机系统组成（五大部件）
（冯.诺依曼)
冯.诺依曼计算机的特点：
- 计算机有五大部件组成：输入设别，输出设备，控制器，运算器，存储器;
- 指令和疏忽都以同等地位存于存储器，可按地址寻访；
- 指令和数据用二进制表示；
- 指令由操作码和地址码组成；
- 存储程序；
- 以运算器为中心
输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。
6.1 主存储器
- 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。
- 存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存
1bit. - MAR:地址寄存器
- MDR：数据寄存器
**注意 **
1个字节（Byte） = 8bit1B = 1个字节， 1 b = 1个 bit- `MAR = 4位 —-> 总共有 2 4 2^4 24个存储单元
MDR = 16位 —-> 每个存储单元可存放16bit，1个字（word) = 16bit
6.2 CPU-运算器
运算器：用于实现算数运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）
ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果。MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作或运算结果。X:通用的操作数寄存器，用于存放操作数。ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。DR：数据缓存寄存器。PSW：状态条件寄存器，用来保存指令运行标志。
6.3 CPU- 控制器
- CU:控制单元，分析指令，给出控制信号。
- IR：指令寄存器，存放当前执行的指令。
- PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能。
- AR：地址寄存器，保存当前CPU所访问的内存单元地址。
- ID：指令译码器，对操作码进行分析。
6.4 小结
七、计算机体系结构（Flynn分类法)
- Single 单一的
- Multiple 倍数，多种多样的
| 体系机构类型 | 结构 | 关键特性 | 代表 |
|---|---|---|---|
单指令流单数据流SISD | 控制部分：一个 处理器：一个 主存模块：一个 | 单处理器系统 | |
单指令流多数据流SIMD | 控制部分：一个 处理器：多个 主存模块：多个 | 各处理器以异步的形式执行同一条指令 | 并行处理机 阵列处理机 超级向量处理机 |
多指令流单数据流MISD | 控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个 | 被证明不可能，至少是不实际的 | 目前没有，有文献称流水线计算机为此类 |
多指令流多数据流MIMD | 控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个 | 能够实现作业、任务、指令等各级全面并行 | 多处理系统，多计算机 |
八、指令系统
8.1 指令
- 指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
- 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也好吃呢各位指令集。
8.3 指令格式
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。
一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。
操作码：指明操作的类型
地址码：主要指明操作数及运算结构存放的地址
8.3 七种寻址方式
寻找指令中操作数有效地址的方式称为寻址方式
- 立即寻址：操作数作为指令的一部分直接写在指令中，这种操作数称为立即数。
- 寄存器寻址：指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。
- 直接寻址：指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址。
- 寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址用
SI,DI,BX和BP四个寄存器之一来指定。 - 寄存器相对寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器或变址寄存器中的内容和指令中的8位或16位偏移量之和。
- 基址加变址寻址方式：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器和一个变址寄存器的内容之和。
- 相对基址加变址寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器的值，一个变址寄存器的值和指令中的8位或16位偏移量之和。
8.4 复杂指令集计算机（CISC） 和精简指令集计算机RISC
| CISC（Complex） | RISC（Reduced) | |
|---|---|---|
| 指令系统 | 复杂，庞大 | 简单，精简 |
| 指令数目 | 一般大于200条 | 一般小于100条 |
| 指令字长 | 不固定 | 定长 |
| 可访存指令 | 不加限制 | 只有Load/Store指令 |
| 各种指令执行时间 | 相差较大 | 绝大多数一个周期内完成 |
| 各种指令使用频度 | 相差较大 | 都比较常用 |
| 通用寄存器数量 | 较少 | 多 |
| 控制方式 | 绝大多数为微程序控制 | 绝大多数为组合逻辑控制 |
| 指令流水线 | 可以通过一定方式实现 | 必须实现 |
8.5 指令的流水处理
指令控制方式理由顺序方式、重叠方式和流水方式。
在概念上，“流水”可以看成时“重叠”的延伸。
差别仅在于“一次重叠”只是把一条指令解释为两个子过程，而”流水“则是分解为更多的子过程。
8.6 流水线的计算
例：若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三个部分，且三部分的时间分别是取指
2ns,分析2ns，执行1ns.那么，流水线周期是多少？100条指令全部执行完需要的时间是多少？
解题思路：
流水线周期为执行时间最长的一段
流水线计算公式为：
1条指令执行时间+（指令条数-1）*流水线周期
流水线的吞吐率(Though Put rate ,TP)：是指在单位时间内流水线所完成的任务 数量或输出的结果数量。
计算流水线吞吐率的基本公式如下：
T P = 指令条数 流水线执行时间 TP = \frac{指令条数}{流水线执行时间} TP=流水线执行时间指令条数
流水线的加速比：完成同一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线的时间之比。
计算流水线加速比的基本公式如下：
S = 不使用流水线执行时间 使用流水线执行时间 S = \frac{不使用流水线执行时间}{使用流水线执行时间} S=使用流水线执行时间不使用流水线执行时间
九、输入输出技术——CPU 与外设之间的数据传送方式
CPU与外设之间的数据传送方式：
1、直接程序控制方式：
直接程序控制方式是指在完成数据的输入/输出中，整个输入\输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。这种方式还可以分为以下两种：
（1）无条件传送方式：无条件地与CPU交换数据。
（2）程序查询方式：先通过CPU查询外设状态，准备好之后再与CPU交换数据。
- 中断方式
中断方式利用中断机制，使I/O系统在与外设交换数据时，CPU无须等待，也不必查询I/O状态，即可以抽身出来处理其他任务，因此提高了系统效率。
- 直接存储器存取的方式
直接存储器存取（Direct Memory Access,DMA)方式实在存储器与I/O 设备间直接传送数据，即在内存与I/O 设备之间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何干涉，是一种**完全由DMA硬件完成**I/O操作的方式。
- 输入/输出处理机
输入/输出处理机（IOP）是一个专用处理机，用于完成主机的输入/输出操作，IOP根据主机的I/O命令，完成对外设数据的输入/输出。
计算机系统中常用的输入/输出控制方式有无条件传送、中断、程序查询和
DMA方式等。当采用______方式时，不需要CPU执行程序指令来传送数据。A.中断 B.程序查询 C.无条件查询 D.
DMA
D
下期见~~~
