“计算机系统概述”学习笔记

前言

计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“计算机系统概述”一章中字长和字、翻译和编译等部分相似概念进行比较区分，并总结记忆方法。

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字、机器字长/字长、存储字长、指令字长和数据字长

字：

• 表示被处理信息的单位
• 度量数据类型的宽度
• 存储字：一个存储单元中二进制代码的组合
• 指令字：一个指令中二进制代码的组合
• 示例：某机器定义一个字为16位

机器字长/字长：

• 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数
• 中央处理器（CPU）用于整数运算的数据通路的宽度
• 机器字长=中央处理器CPU内部用于整数运算的运算器位数和通用寄存器（GPR）宽度
• 反映计算机处理信息的能力。字长越长，数据的表示范围越大，计算机的计算精度越高
• 示例：某64位机器。这里的“64位”指的是机器字长

数据通路：数据流经的路径和路径上的部件，主要是进行数据存储、传输和运算的部件。如算术逻辑单元（ALU）和通用寄存器，浮点寄存器则不是

存储字长：

• 一个存储单元中所存储二进制代码的位数

指令字长：

• 一个指令字所包含二进制代码的位数

数据字长：

• 数据总线一次能并行传送信息的位数
• 可能与数据寄存器（MDR）位数不同

区别：字是表示数据的单位，机器字长是计算机/中央处理器（CPU）一次能处理的数据的单位，其他字长是相应字所表示数据的二进制代码的位数

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存储器组成

组件由大到小（大包含小）依次为：

• 计算机系统=计算机硬件系统+计算机软件系统
• 计算机硬件系统=存储器+控制器+运算器+输入设备+输出设备
• 存储器=主存储器（内存储器）+辅助存储器（外存储器）
• 主存储器=地址寄存器（MAR）+存储体+数据寄存器（MDR）+时序控制逻辑
• 存储体=若干存储单元
• 存储单元=若干存储元件
• 每个存储元件存储一位二进制代码

注意：现代计算机的地址寄存器（MAR）和数据寄存器（MDR）在中央处理器（CPU）中

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运算器组成

• 算术逻辑单元（ALU）
• 累加器（ACC）
• 乘商寄存器（MQ）
• 操作数寄存器（X）
• 变址寄存器（IX）
• 基址寄存器（BR）
• 程序状态寄存器（PSW）（标志寄存器）
• …

其中， 算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）和操作数寄存器（X）是必须具备的

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控制器组成

• 程序计数器（PC）
• 指令寄存器（IR）
• 控制单元（CU）

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计算机系统的层次结构

• 第一级：微程序机器层（微指令系统）：硬件执行微指令
• 第二级：传统机器语言层（用机器语言的机器）：微程序解释机器指令
• 第三级：操作系统层（操作系统机器）：机器语言解释操作系统
• 第四级：汇编语言层（汇编语言机器）：汇编程序翻译成机器语言程序
• 第五级：高级语言层（高级语言机器）：编译程序翻译成汇编语言程序
• 第六级：应用程序层
• …

注意： 计算机系统的层次结构目前尚无统一标准

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指令执行过程

0. 程序执行前，先将程序第一条指令的地址存到程序计数器（PC）中
1. 从程序计数器（PC）中取指令
2. 对指令译码；计算下条指令地址
3. 根据指令，取操作数并执行
4. 将操作结果存到存储器中

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指令详细数据流向

1.从程序计数器（PC）中取指令：PC->MAR->M->MDR->IR

• 从程序计数器（PC）中取指令地址

注意：程序计数器（PC）中存放的是将执行指令的地址，实际指令应从主存储器获取。概括指令执行过程时常用“从程序计数器（PC）中取指令”简化过程

• 将程序计数器（PC）中的指令地址传输给地址寄存器（MAR）
• 将地址寄存器（MAR）中的指令地址传输给地址线——准备1
• 控制器将读信号传输给读/写信号线——准备2
• 主存储器根据地址线上的指令地址和读信号，从指定存储单元取指令
• 主存储器将指令传输到数据线
• 数据线将指令传输到数据寄存器（MDR）
• 数据寄存器（MDR）将指令传输到指令寄存器（IR）

2.对指令译码；计算下条指令地址：IR->CU；(PC)+1->PC

• 控制器根据指令寄存器（IR）中指令的操作码，生成相应的控制信号，传输到不同的执行部件
• 程序计数器（PC）计算下条指令地址

3.根据指令，取操作数并执行：IR->MAR->M->MDR->ACC

• 从指令寄存器（IR）中取指令的地址码
• 将指令寄存器（IR）中指令的地址码传输到地址寄存器（MAR）
• 将地址寄存器（MAR）中指令的地址码传输到地址线——准备1
• 控制器将读信号传输给读/写信号线——准备2
• 主存储器根据地址线上的指令地址和读信号，从指定存储单元取操作数
• 主存储器将操作数传输到数据线
• 数据线将操作数传输到数据寄存器（MDR）
• 数据寄存器（MDR）将操作数传输到相应的运算寄存器中，如累加器（ACC）

4.将操作结果存到存储器中

注意观察1、3步骤，PC->MAR->地址线->M->数据线->MDR->取地址或操作数->IR或相应的运算寄存器，这一过程是基本的

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源程序翻译成可执行文件的过程

• 预处理：文件名.c -> 文件名.i。结果是源程序，文本文件
• 编译：文件名.i -> 文件名.s。结果是汇编程序，文本文件
• 汇编：文件名.s -> 文件名.o。结果是可重定位目标程序，二进制文件
• 连接：文件名.o -> 文件名。结果是可执行程序，二进制文件

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翻译、编译和解释和汇编程序

翻译程序有两种：

• 编译程序
• 解释程序

编译程序：

• 作用阶段：源程序翻译成可执行程序前——运行前
• 将高级语言源程序一次全部翻译成可执行程序
• 只要源程序未改动，就无须再一次翻译，可直接运行可执行程序

注意：这里“编译程序”的“编译”概念是对“源程序翻译成可执行文件的过程”的概括

解释程序：

• 作用阶段： 源程序边翻译边运行——运行时
• 将高级语言源程序的一条语句翻译成对应的机器语言，并立即执行
• 不生成可执行程序

汇编程序：

• 将汇编语言源程序翻译成机器语言程序

区分：

• 编译程序：高级语言程序->机器语言程序
• 汇编程序：汇编语言程序->机器语言程序

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地址寄存器（MAR）和数据寄存器（MDR）的位数

地址寄存器（MAR）的位数：

• 主存储器的存储体中存储单元的个数
• 程序计数器（PC）的长度
• 指令的地址码长度（指令=地址码+操作码）

记忆：地址寄存器（MAR）存放指令的地址，用于寻址。存储单元、程序计数器（PC）和指令的地址码都与地址相关

数据寄存器（MDR）的位数：

• 存储字长
• 存储在一个存储单元中的二进制代码位数

记忆：数据寄存器（MDR）用于暂存数据。存储字长与数据相关

中央处理器（CPU）的时间性能指标

中央处理器（CPU）时钟周期/时钟周期：

• 执行指令的一个动作/步骤至少需要的时间
• 中央处理器（CPU）最小的时间单位
• 中央处理器（CPU）始终频域/主频的倒数

每条指令的时钟周期数（CPI）/指令周期:

• 执行一条指令需要的中央处理器（CPU）时钟周期数
• 对一台机器或一个程序，指机器或程序指令集中所有指令执行需要的平均中央处理器（CPU）时钟周期数

中央处理器（CPU）执行时间：

• 运行一个程序需要的时间
• 中央处理器（CPU）时钟周期数×中央处理器（CPU）时钟周期
• （指令条数×每条指令的时钟周期数（CPI））×中央处理器（CPU）时钟周期

公式记忆：单位时间个数×单位时间
公式扩展：

• 中央处理器（CPU）时钟周期=1÷中央处理器（CPU）始终频域/主频
• 中央处理器（CPU）时钟周期数=指令条数×每条指令的时钟周期数（CPI）

记忆：概念描述的对象由小到大：指令的一个动作/步骤，指令，程序

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总结

计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆。建议学习时结合示例，分别或集中对比相似概念，在理解的基础上使用自己的语言（因为在不同资料对同一个概念描述的用词不同，容易造成误解）总结区分、记忆技巧。

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作者的话

• 作者：夜悊
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• 文章在描述时有疑惑的地方，请留言，定会一一耐心讨论、解答
• 文章在认识上有错误的地方, 敬请批评指正
• 望读者们都能有所收获

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参考资料

《2023年计算机组成原理考研复习指导》组编：王道论坛