26考研 | 王道 | 計算機組成原理 | 一、計算機系統概述

1.1 計算機的發展

1.2 計算機硬件和軟件

1.2.1 計算機硬件的基本組成

早期的馮諾依曼機

對于同一個功能，既可以用軟件實現，也可以用硬件實現

馮諾依曼計算機的特點

• 計算機由五大部件組成
• 指令和數據以同等地位存于存儲器，可按地址訪問（統一編址，指令和數據所在存儲單元無差異）
• 指令和數據用二進制表示
• 指令由操作碼和地址碼組成
• 存儲程序
• 以運算器為中心（輸入和輸出設備與存儲器之間的數據傳送經過運算器完成，運算器算是一個中轉站。這樣就會讓運算器的數據計算的效率降低）
  • 即輸入設備先把數據交給運算器，然后再轉交給存儲器，存儲器要輸出時，也是存儲器先交給運算器然后運算器交給輸出設備

數據驅動方式：

• 控制流驅動：指令–>數據
• 數據流驅動：數據–>指令

現代計算機的結構

以存儲器為中心，輸入的數據直接交給存儲器，輸出的時候也由存儲器直接給輸出設備，更多的解放運算器的運算時間

1.2.2 各個硬件的工作原理

注：現在的計算機通常把MAR,MDR也集成在CPU內

主存儲器的基本組成

從主存中拿就是在MAR寫地址，存儲器根據地址拿出來數據寫到MDR里面去。

往主存中寫就是在MAR寫地址，MDR寫數據，表明CPU想把MDR的數據存在哪里，然后存儲器根據MAR地址把MDR存在相應的位置

運算器的基本組成

控制器的基本組成

計算機的工作過程

總結：

1.2.3 計算機軟件

1.2.4 計算機系統的層次結構

匯編語言指令和機器語言指令一一對應

LOAD： 取數操作 ，MUL： 乘法操作

1.2.5 計算機系統的工作原理

每次要執行可執行文件的時候都要從外存中把可執行文件調入內存中，然后CPU進行處理，用戶可以通過輸入設備進行交互，結果可以通過輸出設備顯示或者打印什么的

整個程序執行的過程就是對應指令執行的過程

存儲程序工作方式詳解（可以看看做個了解）

計算機組成原理中的“存儲程序”工作方式是由馮·諾依曼于1945年提出的核心設計思想，其核心是將程序和數據以二進制形式預先存儲到計算機內存中，由控制器自動按順序執行指令，實現自動化運算。以下是其具體工作原理和特點的解析：

一、核心定義與基本原理

1. 程序與數據統一存儲
   程序指令和操作數據均以二進制形式存儲在內存中，兩者通過地址區分。控制器根據指令地址逐條讀取，并通過操作碼和操作數解析執行邏輯
   • 統一性：指令和數據在物理存儲上沒有區別，僅在邏輯上被賦予不同含義（如程序區、數據區的劃分）
   • 二進制編碼：所有信息（指令、數據）均以0/1代碼表示，簡化了硬件設計
2. 自動執行與控制流程
   • 順序執行：程序計數器（PC）指示當前指令地址，默認按地址遞增順序執行
   • 條件跳轉：遇到分支指令（如條件轉移），PC跳轉至目標地址，改變執行順序

二、工作流程的四大階段

1. 程序與數據輸入
   通過輸入設備（如鍵盤）將程序和數據存入內存，內存劃分為多個可尋址的存儲單元，按地址編號管理
2. 指令執行周期
   每條指令的執行分為三個階段：
   • 取指：從內存中讀取指令并送入控制器
   • 譯碼：解析指令的操作碼（動作類型）和操作數（數據地址）
   • 執行：運算器根據操作碼處理數據，結果存回內存或寄存器
3. 控制器的核心作用
   控制器負責協調各部件：通過譯碼生成控制信號，指揮運算器、存儲器等協同工作，并更新PC以指向下一條指令
4. 結果輸出
   處理后的數據通過輸出設備（如顯示器）呈現，或繼續存儲在內存中供后續指令使用

三、馮·諾依曼體系的支持結構

存儲程序方式依托以下硬件架構實現：

1. 五大部件協作：運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備分工明確
2. 二進制與直接尋址：數據以二進制存儲，內存單元可直接通過地址訪問
3. 集中控制：指令執行由控制器統一調度，實現高效的順序處理

四、優勢與局限性

1. 優勢

   • 高度自動化：程序預存后無需人工干預，計算機可連續執行復雜任務
   • 靈活擴展：通過修改程序即可實現不同功能，無需調整硬件
   • 效率提升：結合流水線、緩存技術，現代計算機進一步優化了執行速度

2. 局限性

   • 順序執行瓶頸：串行處理導致并行計算能力受限，需通過多核、超線程等技術彌補

   • 存儲墻問題：CPU與內存速度差異導致性能瓶頸

   • 安全性依賴

     ：惡意程序可能通過存儲漏洞攻擊系統，需依賴防護機制

五、歷史意義與現代發展

存儲程序原理奠定了現代計算機的基礎，其影響包括：

• 技術革命：從ENIAC的手動配線到EDVAC的自動執行，標志著計算機從專用設備轉向通用工具
• 持續演進：盡管馮·諾依曼結構存在局限，但其核心理念仍是當代計算機設計的基石，并通過哈佛架構（指令與數據分離存儲）、量子計算等創新拓展邊界

通過這一機制，計算機得以從簡單的計算工具演變為支撐人工智能、大數據等復雜應用的通用平臺，體現了“存儲程序”思想的深遠影響。

1.3 計算機性能指標

1. 機器字長：能夠直接處理的二進制數據的位數
2. 指令字長：一個指令中包含的二進制代碼的位數
3. '存儲字長：一個存儲單元二進制數據的位數

1.3.1 存儲器性能指標

1.3.2 CPU性能指標

CPU主頻：CPU內數字脈沖信號振蕩的頻率，其實就是1秒里面有多少個時鐘周期

注：公式中主頻的值反映的是：每秒鐘會出現多少個時鐘周期。

注：注意與存儲器的容量或者文件的大小中的K、M、G、T的區別

1.3.3 系統整體的性能指標

動態測試：基準程序（跑分軟件）是用來測量計算機處理速度的一種實用程序，以便于被測量的計算機性能可以與運行相同程序的其他計算機性能進行比較。

思考：

知識點回顧

存儲器的容量：衡量計算機的存儲容量
機器字長：衡量計算機并行處理的能力
數據通路帶寬：衡量計算機在功能部件之間傳送數據的能力