概论

冯˙诺依曼计算机

冯诺依曼计算机的核心思想

• 采用二进制形式表示数据和指令

• 采用存储程序方式工作（核心）

• 硬件组成：运算器（核心）、控制器、存储器、输入设备、输出设备（注意运算器和控制器都是在CPU内的）

冯诺依曼计算机的主要特点

• 以运算器为核心

• 指令串行执行

冯诺依曼计算机的改进

• 并行处理技术

• 输入/输出控制方式（第五章）

• 存储器组织方式（第四章）

• 指令系统设计（第二章）

计算机系统硬件组成

主要功能部件

• CPU：执行指令，产生控制信息，控制各部件工作。

• 由运算器、控制器组成
• 运算器：
• 功能：实现各类运算（逻辑运算算术运算等）
• 组成（想想CPU那一章的数据通路结构）：

• 控制器：
• 功能：产生控制命令(微命令。根据CPU那一章的知识，微命令可以由组合逻辑控制器产生，也可以由微程序产生)，控制各部件操作
• 组成：



要记住微命令发生器的输入信号：指令（IR寄存器）、状态信息（PSW寄存器）、时序信号（这里还需要补充一个IO信号，因为可能有中断）
微命令发生器有两种结构（也就是微命令产生方式有两种）：一种是组合逻辑控制器，另一种是微程序控制器

• 存储器（对应第四章存储子系统）
• 功能：存储程序与数据
• 存储器的层次结构：
• 这里的辅存就是外存。注意CPU和主存之间能直接交换数据，但是主存和CPU之间还有一个高速缓冲（cache）便于存储CPU当前需要的值
• 组成（主存）：



下面对上图做一点解释：
• 存储体: 存放信息的实体（对应CPU那一章中数据通路上的真实的主存）
• 地址寄存器：实际上就是CPU内的MAR
• 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元（通过译码器或者逻辑电路实现，是第四章的内容）
• 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作（实际上跟存储器没什么关系，就是挂载CB上的那个控制器）
• 读/写线路:完成读/写操作（实际上就是DB）
• 数据寄存器：就是CPU中的MDR

• 输入输出设备（对应第五章，输入输出设备控制）
• 功能：外部信息与计算机中数据表示之间的转换，提供人机交互

硬件系统结构

• 基本概念

• 总线：能为多个部件分时共享（总线无法被同时使用，同时使用会出现读写冲突）的一组信息传送线路及相应的控制逻辑

• 以总线为基础的系统结构
• 单总线结构（就是把所有设备都挂载总线上，各个设备之间是“平等”的）。如下图：



注意外设和主线之间有接口，是为了平衡外设和CPU之间的速度差异，详见第五章
• 以CPU为中心的双总线结构（顾名思义就是把CPU当成中心，额外在主存和CPU之间增加一条总线。这个时候主存只能通过“核心”CPU来向外设传输数据）。如下图：
• 以M为中心的双总线结构（这个时候为了方便主存与CPU进行数据交换，就在CPU和主存之间增加了一条总线。注意这种模式和上面以CPU为核心的双总线结构最大的区别就是主存和外设是否直接通过总线连接，这影响了能否使用DMA进行数据传输），如下图：
• 多级总线结构（有了局部总线和系统总线），如下图：



注意这里的rom和ram是主存的一部分，也可以通过M扩展板来扩展主存

• 采用通道的大型系统结构

• 跟多级总线结构很像，只不过采用通道的大型系统结构将总线控制逻辑部分换成了通道，并且规模更大。具体结构如下图：

• 采用IOP的大型系统结构

• iop是专门用来控制外设的，所以采用IOP的大型系统结构是将一些外设通过IOP连接到系统总线上的。具体结构如下：

• 模型机系统结构（超级重点）

• 模型机采用以总线为基础的单总线结构（CPU那一章的数据通路图）。具体结构与单总线结构一致：

• IO接口（在第五章中）

• 系统总线与I/O设备之间的交接部分称为I/O接口。IO接口是为了平衡CPU和外设之间的速度差而存在的（详见第五章）

计算机的性能指标

基本字长

• 基本字长概念：指参加一次运算的操作数的位数（并不一定是计算机的位数。就比如64位计算机同样支持32字长运算。但是通常是数据通路宽度）

• 基本字长影响
• 计算精度（基本字长越小，能处理的数据越精细，精度越高）
• 指令功能（不同字长的指令不同，想想arm汇编中的mov和mov.w）

运算速度

• 常见的运算速度指标
• CPU主频和时钟频率：决定CPU内核工作速度的重要因素
• MIPS（million ir per second）：每秒百万条指令数
• FLOPS（float op per second）：每秒浮点运算次数
• CPI（cpt per ir）：执行每条指令所需时钟周期数

数据通路宽度与数据传输率

• 数据通路宽度：也就是计算机的位数。如x86计算机是64位机，就说明的数据通路宽度是64位的

• 数据传输率：数据总线每秒传送的数据量(字节)，也称为带宽,
• 数据传输率的计算公式（带宽的计算公式）：



分母计算出来的是每秒传输的位数，所以需要除以8算出每秒传输的字节数（也就是带宽）

存储容量

• 主存容量计算：

上图的公式计算出来的单位是位。
主存单元跟地址有关的意思是，如果地址线是16位的，就是地址的位数是16位的，那么这个时候能够区分2的16次方个地址，也就是主存单元为2的16次方
编址单位需要看题目（如按字节编址，按字编址等）

• 外存容量：外存的容量通常表示为字节数。外存的容量与地址码位数无关（地址线是连在主存上的，外存是跟主存相连的。想想存储器的层次结构）

计算机的发展（没啥用）

本章总结

• 冯诺依曼计算核心思想、存储程序概念

• 计算机五大功能部件及结构

• 计算机主要性能指标