(新)计算机组成原理考点总结终结版汇总

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一、计算机系统概述

（一）计算机发展历程（了解）

知识点一：第一台计算机ENIAC

知识点二：冯•诺依曼（VanNeumann）首次提出存储程序的概念，将数据和程序一起放在存储器中，使得编程更加方便。50多年来，虽然对冯•诺依曼机进行了很多改革，但结构变化不大，仍然称为冯•诺依曼机。

知识点三：一般把计算机的发展分为四个阶段：

第一代（1946-50‘s后期）：电子管计算机时代；

第二代（50‘s中期-60’s后期）：晶体管计算机时代；

第三代（60‘s中期-70’s前期）：集成电路计算机时代；

第四代（70‘s初-）：大规模集成电路计算机时代。

知识点四：冯·诺依曼计算机的特点

冯·诺依曼体系计算机的核心思想是“存储程序”的概念。它的特点如下：

(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成；

(2) 指令和数据都用二进制代码表示；

(3) 指令和数据都以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；

(4) 指令是由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置；

(5) 指令在存储器内是顺序存放的；

(6) 机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。

（二）计算机系统层次结构（了解）

计算机系统的层次结构，通常可有五个以上的层次，在每一个层次上都能进行程序设计。由下自上可排序为：第一级微程序机器级，微指令由机器直接执行，第二级传统机器级，用微程序解释机器指令，第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句，第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行，第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行。还可以有第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。

1.计算机硬件的基本组成

图中实线为控制线，虚线为反馈线，双线为数据线。

图中各部件的功能是：

(1) 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；

(2) 存储器用来存放数据和程序；

(3) 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果；

(4) 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等；

(5) 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式如打印机输出、显示器输出等。

计算机的五大部件在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将他们合起来统称为中央处理器，简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备。

因此，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器MM。CPU 与MM合起来称为主机，I/O设备叫作外设。

存储器分为主存储器MM和辅助存储器。主存可直接与CPU交换信息，辅存又叫外存。

2.计算机软件的分类

计算机的软件通常又分为两大类：系统软件和应用软件。

系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。它包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件等等。

应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务所编制的各种程序。

3.计算机的工作过程

1．运算器

运算器包括三个寄存器和一个算逻单元ALU。其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。这三个寄存器在完成不同运算时，所存放在操作数类别也各不相同。

2．存储器

主存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式叫做按地址存取，也即按地址访问存储器（简称访存）。

为了能实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。MAR 是存储器地址寄存器,用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。MDR是存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。要想完整地完成一个取或存操作。

3．控制器

控制器是计算机组成的神经中枢，由它指挥全机各部件自动、协调地工作。具体而言，它首先要命令存储器读出一条指令，这叫取指过程。接着对这条指令进行分析，指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址，这叫分析指令过程。最后根据操作数所在的地址，取出操作数并完成某种操作，这叫作执行过程。以上就是通常所说的完成一条指令操作的取指、分析和执行三阶段。控制器由程序计数器PC，指令寄存器IR以及控制单元CU几部分组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR 之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码送到CU，用来分析指令；其地址码作为操作数的地址送至存储器的MAR。CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

4．I/O

I/O子系统包括各种外部设备及相应的接口。每一种设备都是由I/O接口与主机联系的，它接受CU发出的各种控制命令完成相应的操作。

计算机的解题过程如下：

首先把构成程序的有序指令和数据，通过键盘输入到主存单元中，并置PC的初值为0（即令程序的首地址为0）。启动机器后，计算机便自动按存储器中所存放的指令顺序，有序地逐条完成取指令、分析指令和执行指令，直至执行到程序的最后一条指令为止。

（三）计算机性能指标

1. 吞吐量、响应时间

（1) 吞吐量：单位时间内的数据输出数量。

（2) 响应时间：从事件开始到事件结束的时间，也称执行时间。

2. CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间

（1） CPU时钟周期：机器主频的倒数，Tc

（2）主频：CPU工作主时钟的频率，机器主频Rc

（3）CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期

（4）CPU执行时间：

T CPU=In×CPI×T C

In执行程序中指令的总数

CPI执行每条指令所需的平均时钟周期数

T C时钟周期时间的长度

3. MIPS、MFLOPS

（1）MIPS：

MIPS(Million Instructions Per Second)

MIPS = In/(Te×106)

= In/(In×CPI×Tc×106)

= Rc/(CPI×106)

Te：执行该程序的总时间

In：执行该程序的总指令数

Rc：时钟周期Tc的到数

MIPS只适合评价标量机，不适合评价向量机。标量机执行一条指令，得到一个运行结果。而向量机执行一条指令，可以得到多个运算结果。

（2） MFLOPS：

MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)

MFLOPS=Ifn/(Te×106)

Ifn：程序中浮点数的运算次数

MFLOPS测量单位比较适合于衡量向量机的性能。一般而言，同一程序运行在不同的计算机上时往往会执行不同数量的指令数，但所执行的浮点数个数常常是相同的。