计算机组成原理与体系结构

计算机系统

计算机系统是由硬件与软件组成，两者协同工作运行程序。
计算机的基本硬件系统是由5大部分组成，如下图：

$$计算机硬件系统 \begin{cases} \left. \begin{aligned} 运算器\\ 控制器\\ \end{aligned} \right\} 中央处理单元(central processing unit,CPU) \\ \\ \left. \begin{aligned} 存储器\\ \end{aligned} \right. \left. \begin{cases} 内部存储器：速度高、容量小，用于临时存放程序、数据及中间结果； \\ 外部存储器：速度慢、容量大，可以长期保存程序和数据；\\ \end{cases} \right. \\ \\ \left. \begin{aligned} 输入设备\\ 输出设备 \end{aligned} \right\} 外部设备 \end{cases}$$

1. 中央处理单元CPU

中央处理单元(CPU)是计算机系统的核心部件，负责获取程序指令、对指令进行译码并加以执行。

cpu功能：

1. 程序控制
2. 操作控制
3. 时间控制
4. 数据处理
5. 异常响应

2. CPU组成

$$CPU \begin{cases} 运算器：接受控制器命令来执行工作；\\ 控制器：控制整个CPU的工作，决定计算机运行过程的自动化； \\ 寄存器组 \\ 内部总线 \end{cases}$$

2.1 运算器

运算器主要功能：

1. 执行所有的算术运算；
2. 执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试；

运算器各组成部件及功能，如下：

$$运算器 \begin{cases} 算术逻辑单元（ALU）\\ 累加寄存器（AC，简称累加器） \\ 数据缓冲寄存器（DR） \\ 状态寄存器（PSW） \\ \end{cases}$$

①算术逻辑单元ALU(arithmetic and logic unit) ：数据的算术运算和逻辑运算；  
②累加寄存器AC：通用寄存器，为ALU提供一个工作区，用在暂存数据；  
③数据缓冲寄存器DR：写内存时，暂存指令或数据；  
④状态条件寄存器PSW：存状态标志与控制标志；

2.2 控制器

控制器

1. 指令控制逻辑

• 取指令
• 指令译码
• 按指令操作码执行
• 形成下一条指令地址

2. 时序控制逻辑
3. 总线控制逻辑
4. 中断控制逻辑

1. 指令控制逻辑如下：

$$指令控制逻辑 \begin{cases} 指令寄存器（IR） \\ 程序计数器（PC，又称为指令计数器） \\ 地址寄存器（AR） \\ 指令译码器（ID） \\ \end{cases}$$

1. 指令寄存器IR：存储即将执行的指令;
2. 程序计数器PC：存储下一条要执行指令的地址;

• PC功能：寄存信息和计数；
• 程序执行情况：

• 顺序执行：对PC加1，完成指向下一条指令地址的修改；
• 转移执行：加上向前或者向后的位移量，或者转移指令中的转移地址；

3. 地址寄存器（AR）：保存当前CPU所访问的内存单元的地址，直到内存读写操作完成；
4. 指令译码器（ID）：对指令中的操作码字段进行分析解释;

• 指令包含操作码和地址码；

2.时序控制逻辑
时序控制逻辑：提供时序控制信号；

3.总线逻辑
总线逻辑：是多个功能部件服务的信息通路的控制电路；

4.中断控制逻辑
中断控制逻辑：控制各种中断请求，根据优先级高中低对中断请求排序；

2.3 寄存器组

$$寄存器组 \begin{cases} 专用寄存器 \\ 通用寄存器 \\ \end{cases}$$

• 专用寄存器：运算器和控制器中的寄存器就是专用寄存器，作用固定；
• 通用寄存器：用途广泛，并可以由程序员规定用途。