计算机大佬总结出的'计算机组成原理'笔记看完惊呆了(示例将一个代码程序编译成机器码在各寄存器装载过程)

  (示例将一个代码程序编译成机器码在各寄存器装载过程)

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第一章：计算机系统概述

Part1：基本概念

1、计算机系统组成

计算机系统

• 硬件系统
• 早期冯·诺依曼机构
• 现代计算机结构
• 软件系统
• 系统软件——管理计算机
• 应用软件——为执行任务而编制

2、三级计算机语言

1. 三种语言

• 机器语言：二进制代码语言，计算机可以直接执行
• 汇编语言：面向及其的低级语言，其代码符号和及其语言一一对应
• 高级语言：面向人类的自然语言，其代码需要翻译为机器语言

1. 翻译过程
   
   翻译非机器语言非机器语言
   
   翻译类型

• 编译：将源代码变为可执行文件
• 解释：将源代码逐条变为机器语言并且执行

3、计算机的一些指标

1. 主存容量（MM, Main Memory）
   MAR：Memory Address Register,主存地址寄存器
   MDR：Memory Data Register, 主存数据寄存器
   这两个寄存器的位数决定了主存容量，如果MAR：16bit MDR：32bit。则
   $$
   主存容量=2^{16}*32(bit)=64k*4B=512KB
   $$
   
   
2. CPU

• CPU的时钟周期：CPU中最小的时间单位
• CPU的主频（Clock Speed）：CPU内部时钟频率，单位Hz.（1 Hz = 1秒钟一次，时钟周期=CPU主频的倒数）
• CPI（Clock Per Instruction）：每条指令平均需要使用几个时钟周期

1. FLOPS
   每秒可以支持的浮点运算数量级
   MFLOPS：可执行106
   GFLOPS：可执行109
   TFLOPS：可执行1012
   PFLOPS：可执行1015

Part2：计算机硬件系统

1、早期冯·诺依曼结构：以运算器为中心

冯诺依曼在研究EDVAC时，提出了“存储程序”的概念，即将指令以代码的形式事先输入存储器，从首地址开始按序执行，直到指令结束。在他的《EDVAC报告书的第一份草案》中，为现代计算机结构指明了道路

• 采用二进制表示数据
• 像存储数据一样的存储程序
• 计算机由输入、输出、存储器、运算器、控制器5大模块构成

这三个原则被称为“存储程序”工作方式

2、现代计算机结构：以存储器为中心

现代计算机常将Control Unit和Arithmetic Unit和Memory中MAR、MDR整合入一个部件，并称之为CPU，如下图所示

3、三大硬件基本结构

1. Memory

1. Arithmetic Unit

其中ACC（Accumulator）：累加器
MQ：乘商寄存器
ALU（Arithmetic logical Unit）：逻辑运算单元

1. Control Unit

其中IR（Instruction Register）：存储当前执行指令的寄存器
PC(Program Counter)：存储下一条指令地址的寄存器
MCU(Micro Control Unit)：微控制单元，用于分析指令

4、一个例子

先看如下代码

int main(void){ int x = 2; int a = 3; int b = 1; int y = 0; y = a * x + b; }

将其编译装入后，变成这个样子

 主存 |               指令                |注释 地址 | 操作码（6bit）  |    地址码（10bit） | ---------------------------------------------------------------------------- 0   |   000 001      |   0000 00 0101   |取数x到ACC 1   |   000 010      |   0000 00 0110   |对a和x做乘法，并将结果存放于ACC中 2   |   000 011      |   0000 00 0111   |加上b，将结果存放于ACC中 3   |   000 100      |   0000 00 1000   |将结果放到y所处的主存单元中 4   |   000 101      |   0000 00 0000   |停机 ----------------------------------------------------------------------------- 以下为主存单元数据 ------------------------------------------------------------------------------ 5   |   000 000 0000 00 0010            |x=2 6   |   000 000 0000 00 0011            |a=3 7   |   000 000 0000 00 0001            |b=1 8   |   000 000 0000 00 0000            |y=0

由3可知一个完整的计算机如下图所示

则第一条指令执行过程为：

初始状态：PC=0，指向第一条指令地址

--------------------------------------------------------- step 1 : (PC)->MAR, MAR = 0; | step 2,3 : M(MAR)->MDR, MDR=000 001 0000 00 0101; |取指令阶段 setp 4 : (MDR)->IR; | --------------------------------------------------------- step 5 : op(IR)->MCU MCU分析后得知其为取数指令，pc=pc+1; | 分析指令阶段 --------------------------------------------------------- step 6 : Ad(IR)->MAR, (MAR)=0000 00 0101 = 5; | step 7,8 : M(MAR)->MDR, MDR = 000 000 0000 00 0010 = 2; |执行指令阶段 step 9 : (MDR)->ACC | ----------------------------------------------------------

(pc)表示pc中的值，->表示数据流动方向，M(MAR)表示主存（Main Memory）中地址为MAR的主存单元的值

op(IR)表示IR中指令的操作码（operator），Ad(IR)表示IR中指令的地址码

Part end：参考文献和一些说明

可以从pc自增的情况来看出计算机的是按照字节编制还是按照字编制。如果计算机指令长度16位，而pc=pc+2。那么说明该计算机按照字节编制。原因是如果计算机按照字母编制的话pc=pc+1.

(示例将一个代码程序编译成机器码在各寄存器装载过程)。