前言
計算機組成原理這門課可以說是計算機專業(yè)最重要的基礎，身為計算機專業(yè)非常重要，所以需要自己好好琢磨，不要應付考試。
計算機硬件的組成和分類
計算機硬件系統(tǒng)的主要組成為五大部分，分別為存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備。
簡述一下計算機的工作原理，假設要用計算機來計算一道數(shù)學題，計算機存儲器先把數(shù)學題記錄下來，存儲了題的原始信息，運算器對存儲的數(shù)據(jù)進行加減乘除運算，而控制器控制著整個計算過程，輸入設備把原始解題信息送到計算機，輸出設備把運算結(jié)果呈現(xiàn)出來。
典型的馮諾依曼計算機結(jié)構(gòu)
馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的基本思想
- 程序和數(shù)據(jù)以二進制編碼，以二進制方式存儲在存儲器中的，二進制編碼也是計算機能夠所識別和執(zhí)行的編碼。
- 程序、數(shù)據(jù)和指令序列，都是事先存在存儲器中，以便于計算機在工作時能夠高速地從存儲器中提取指令并加以分析和執(zhí)行。
- 確定了計算機的五個基本組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。
- 早期的馮·諾依曼機以運算器為中心，最根本的特征是采用“存儲程序”原理，基本工作方式是控制流驅(qū)動方式。
現(xiàn)代的計算機組織結(jié)構(gòu)
以存儲器為中心
運算器
運算器是計算機的執(zhí)行部件，用于對數(shù)據(jù)進行加工處理。
運算器進行算數(shù)運算和邏輯運算（ALU）。
計算機通常采用二進制數(shù)運算，因為只有0和1兩個數(shù)，可以表示電壓的高低，脈沖的有無，電子器件很容易實現(xiàn)。
存儲器
存儲器是計算機的存儲部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)存放在存儲器之前就已經(jīng)變成了二進制的代碼，存儲也也是全是二進制代碼，目前采用半導體器件來存儲，這是因為半導體觸發(fā)器有0和1兩個狀態(tài)，可以記憶一個二進制代碼，如果一個數(shù)用16位二進制代碼表示，就需要16個觸發(fā)器，這16個觸發(fā)器稱為存儲單元，存儲器是由許多存儲單元組成的，每個存儲單元都有編號，稱為地址。
存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)，單位有KB、MB等等
外存儲器：存儲容量更大的磁盤存儲器和光盤存儲器
所以半導體存儲器也稱為內(nèi)存存儲器，簡稱內(nèi)存。
控制器
控制器是計算機的指揮中心，由其控制各部件自動協(xié)調(diào)地進行工作。
程序和指令
進行復雜的計算操作不只能用運算器計算，還需要用到控制器控制每一條運算步驟。
指令：進行運算的每一條簡單的加減乘除等基本操作。
一系列指令序列稱為計算程序，簡稱程序。
每條指令有著明確的目標，讓存儲器知道從哪個存儲單元取出數(shù)據(jù)，并進行何種操作，所以指令由兩部分組成，即操作碼和地址碼，分別表示操作的性質(zhì)和操作數(shù)的地址。
注意操作碼也是用二進制表示，如加法指令的操作碼為001。
存儲程序：指令數(shù)碼化之后可以存入存儲器，與數(shù)據(jù)分開存儲，將指令序列存儲在存儲器中稱為存儲程序。存儲程序按地址順序執(zhí)行，這就是馮諾依曼計算機的設計思想。
馮諾依曼結(jié)構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器
哈佛結(jié)構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)分別放在兩個存儲器
顯然哈佛結(jié)構(gòu)的計算機速度更快。
多種的基本指令構(gòu)成了計算機的指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)是衡量計算機性能的重要標志。
控制器的基本任務
控制器的基本任務：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。
取指周期與執(zhí)行周期：分別為取指令的一段時間和執(zhí)行指令的一段時間。
運算器和控制器通常組合在一個集成電路芯片中，稱為中央處理器（CPU）。
指令流和數(shù)據(jù)流
控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。
適配器與I/O設備輸入設備
把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式適配器（接口）：它使得被連接的外圍設備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設備并行協(xié)調(diào)地工作。
計算機軟件的組成與分類
計算機軟件分為兩大類：系統(tǒng)程序與應用程序
系統(tǒng)程序用來簡化程序設計，包括4類
- 各種服務性程序：診斷、排錯等
- 語言程序：匯編、編譯、解釋等
- 操作系統(tǒng)
- 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
應用程序是用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序
如工程設計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學計算程序。
計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
第1級：微程序設計級，由機器指令直接執(zhí)行微指令，如果應用程序是用微指令編寫的，那么在這一級就可以運行。
第2級：一般機器級，也稱機器語言級，由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。
第3級：操作系統(tǒng)級，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)，這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，這一級也成混合級。
第4級：匯編語言級，給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。
第5級：高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。
計算機系統(tǒng)的性能指標
吞吐量：一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）
響應時間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒(10-6S)、納秒（10-9S）。
利用率：表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，用百分比表示。
機器字長：指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。如8位、16位……
總線寬度：一般指運算器與存儲器之間進行互連的內(nèi)部總線的二進制位數(shù)。
存儲器容量：存儲器中所有存儲單元的總數(shù)，如KB、MB、GB、TB、PB、EB。
存儲器帶寬：存儲器的速度指標，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒(B/S) 表示。
主頻/時鐘周期：CPU的最小單位，CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制。主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。單位有MHz、GHz 時鐘周期T=1/f
CPI：執(zhí)行一條指令所需要的時鐘周期數(shù)。
MIPS：平均每秒執(zhí)行多少百萬條頂點指令數(shù)。
FLOPS：每秒執(zhí)行多少浮點運算。
計算文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-483152.html
CPU執(zhí)行時間：執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間
CPU執(zhí)行時間＝ 總時鐘數(shù) Nc × 時鐘周期 T
總時鐘數(shù)Nc = 執(zhí)行一條指令所需要的時鐘周期數(shù)（CPI） x 指令總條數(shù)（lc）
CPU執(zhí)行時間 = CPI × Ic × T
MIPS = 指令條數(shù)/執(zhí)行時間 x 10^6 = 時鐘頻率/CPI x 10^6
FLOPS = 程序中的浮點操作數(shù)/程序執(zhí)行時間文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-483152.html
軟硬件邏輯的等價性
- 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。
- 任何操作可以由軟件來實現(xiàn)也可以用硬件來實現(xiàn)（設計計算機系統(tǒng)時，應考慮各個方面的因素：價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期）
- 實體硬件機功能的擴大
- 固件的概念（功能上是軟件，形態(tài)上是硬件）
到了這里，關于計算機組成原理（一）計算機系統(tǒng)概論的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
