计算机硬件系统的组成及其基本工作原理，计算机组成原理是怎样的呢

计算机硬件系统的组成及其基本工作原理？

计算机硬件基本组成（五大部件）：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

计算机工作原理-存储程序控制

将编制好的程序（由一系列指令组成）和数据存入内存储器，当计算机工作时，自动地逐条取出指令并执行指令。

“存储程序控制”原理由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼(Von Neumann) 提出，确立了现代计算机的基本结构，即冯·诺依曼体制结构

n冯·诺依曼体制结构三要点：

1)计算机内部信息采取二进制表示;

2)计算机工作原理：存储程序控制;

计算机组成原理是什么样的呢？

微机原理是是对《计算机组成》的详细达到。大多数情况下会选x86计算机来说，这时大多数情况下不会再具体讲工作原理了（因为相当大一部分原理都在《计算机组成》中讲了），而是直接讲述cpu的具本结构是什么，详细引脚的作用，各自不同的总线多少多少，各自不同的控制寄存器的各个位有哪些意义，I/O的详细交接口（ISA,pci）……因为是详细的东西，故此，有不少东东要记的。

整体来说，有趣的是组成，难学的是体系结构，多东西记有亲切感的是微机原理。作为一名计算机系的学生，这几门课都应好好学一学，他是本科阶段侧重于理论学习的突出反映，可以让人深入而深切地认识计算机。计算机组成原理主要是讲解计算机的基本硬件及原理。重在各个部分的连接。相对宽泛一部分。

微机原理接口技术比计算机组成原理要详细些，也比计算机组成要好学，大多数情况下是以8086作为例子，讲解8086CPU的结构，这当中重要，要优先集中精力的就是汇编语言和芯片；掌握并熟悉了汇编语言这几块芯片的编程差不多就差很少了。

计算机组成原理and指令操作方式？

1 计算机工作原理

计算机的工作过程是将现实世界中的各自不同的信息转换成计算机可以理解的二进制代码（信息编码），然后保存在计算机的存储器（数据存储）中，再由运算器对数据进行一定程度的处理（数据计算）。在数据存储和计算途中，需通过线路将数据从一个部件传输到另外一个部件（数据传输）。数据处理成功后，再将数据转换成人类可以理解的信息形式（数据解码）。在以上工作途中，信息如何编码和解码，数据存储在什么位置，数据如何进行计算等，都由计算机可以识别的机器指令（指令系统）控制和管理。

2 计算机指令系统

各计算机公司设计生产的计算机芯片，其指令的数量与功能、指令格式、寻址方法、数据格式都拥有差别，就算是一部分经常会用到的基本指令，如算术逻辑运算指令、转移指令等也是各不一样的。

为了缓解新机器的推出与原有应用程序的继续使用当中的矛盾，1964年在设计IBM360计算机时所采取的系列机思想很好地处理了这一问题。从此以后，各个计算机公司生产的同一系列的计算机尽管其硬件达到方式可以不一样，但指令系统、数据格式、I/O系统等保持一样，因而软件完全兼容（在这里基础上，出现了兼容机）。当研制该系列计算机的新型号或高档产品时，尽管指令系统可以有很大的扩充，但然后一直保存了原来的都指令，保持软件向上兼容的特点，即低档机或旧机型上的软件不加更改就可以在比它高档的新机器上运行，以保护用户在软件上的投资。

常见指令按功能可划分为：

（1）数据处理指令：涵盖算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比较指令等。

（2）数据传送指令：涵盖寄存器当中、寄存器与主存储器当中的传送指令等。

（3）程序控制指令：涵盖条件转移指令、无条件转移指令、转子程序指令等。

（4）输入－输出指令：涵盖各自不同的外围设备的读、写指令等。有的计算机将输入－输出指令包含在数据传送指令类中。

（5）状态管理指令：涵盖诸认真现置存储保护、中断处理等功能的管理指令。

计算机是通过执行指令来处理各自不同的数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，一条指令一定要包含下方罗列出来的信息：

（1）操作码。它详细说明了操作的性质及功能。一台计算机可能有几十条至几百条指令，每一条指令都拥有一个对应的操作码，计算机通过识别该操作码来完成不一样的操作。

（2）操作数的地点位置。CPU通过该地点位置完全就能够获取所需的操作数。

（3）操作结果的存储地点位置。把对操作数的处理所出现的结果保存在该地点位置中，以便再次使用。

（4）下条指令的地点位置。执行程序时，相当大一部分指令按顺序依次从主存中取出执行，唯有在碰见转移指令时，程序的执行顺序才会改变。为了压缩指令的长度，可以用一个程序计数器（ProgramCounter，PC）存放指令地点位置。每执行一条指令，PC的指令地点位置就自动+1（设该指令只占一个主存单元），指出将要执行的下一条指令的地点位置。当碰见执行转移指令时，则用转移地点位置更改PC的主要内容。因为使用了PC，指令中就没有必要明显地给出下一条将要执行指令的地点位置。

一条指令其实涵盖两种信息即操作码和地点位置码。操作码（OperationCode，OP）用来表示该指令想完成的操作（如加、减、乘、除、数据传送等），其长度主要还是看指令系统中的指令条数。地点位置码用来描述该指令的操作对象，它或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地点位置或寄存器地点位置（即寄存器名）。

指令涵盖操作码域和地点位置域2个部分。按照地点位置域所涉及的地点位置数量，常见的指令格式有以下几种。

（1）三地点位置指令：大多数情况下地点位置域中A1、A2分别确定第一、第二操作数地点位置,A3确定结果地点位置。下一条指令的地点位置一般由程序计数器按顺序给出。

（2）二地点位置指令：地点位置域中A1确定第一操作数地点位置，A2同时确定第二操作数地点位置和结果地点位置。

（3）单地点位置指令：地点位置域中A 确定第一操作数地点位置。固定使用某个寄存器存放第二操作数和操作结果。因而在指令中隐含了它们的地点位置。

（4）零地点位置指令：在堆栈型计算机中，操作数大多数情况下存放在下推堆栈顶的两个单元中,结果又放入栈顶,地点位置均被隐含，因而相当大一部分指令唯有操作码而没有地点位置域。

（5）可变地点位置数指令：地点位置域所涉及的地点位置的数量随操作定义而改变。如有的计算机的指令中的地点位置数可少至 0个，多至6个。

3 程序运行时的内存原理

程序运行时，用于执行程序的内存区域总体可分为以下部分。

4 指令执行过程

整体的过程请看下方具体内容所述：

PC-Program Counter，程序计数器，存放现目前欲执行指令的地点位置，并可自动计数形成下一条指令地点位置的计数器;

MAR-Memory Address Register，存储器地点位置寄存器，内存中用来存放欲访问存储单元地点位置的寄存器;

MDR-Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器;

IR-Instruction Register，指令寄存器，存放现目前已经在执行的指令的寄存器;

CU-Control Unit，控制单元(部件)，控制器中出现微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件;

ACC-Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器;

ALU-Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件;

MQ-Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

X-此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在这里表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数;

I/O-Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送;

也可分为四个步骤去理解

I 取指令

CPU内部的指令寄存器IP保存着现目前所身处理指令的内存单元地点位置，通过地点位置总线，可以查找到指令在内存单元的位置，然后利用数据总线将内存单元的指令保存到高速缓存。

II 指令译码

译码单元解释指令的类型与内容，还判断这条指令的作用对象（操作数），将操作数从内存单元读入高速缓存中。译码其实就是将二进制指令翻译成特定的CPU电路微操作，然后由控制器传送给算术逻辑单元。

III 指令执行

控制器按照不一样的操作对象，将指令送入不一样的处理单元。假设是整数运算、逻辑运算、内存单元存取等大多数情况下控制指令，则送入ALU处理。假设操作对象是浮点数据（如三角函数运算），则送入浮点处理单元（FPU）进行一定程度的处理。假设在运算途中需对应的用户数据，则CPU第一从数据高速缓存中读取对应的数据。假设高速缓存中没有用户需的数据，则CPU通过数据入口通道，从内存中获取必要的数据，运算成功后输出运算结果。

VI 结果写回

将执行单元（ALU或EPU）的处理结果写回高速缓存或内存单元中。

解释和执行指令后，控制单元告诉指令寄存器从内存单元中读取下一条指令，循环上面的过程。

计算机组成原理学习顺序？

0.1 计算机的基本组成

计算机的硬件组成

这些硬件，怎么对应到经典的冯·诺依曼体系结构的

除开这个因素不说，还要有了解计算机的两个核心指标

性能

功耗

性能和功耗也是我们在应用和设计五大基本组件中需重点考虑的因素。

0.2 计算机的指令和计算

需搞明白，我们每天撰写的一行行C、Java、PHP程序是怎么在计算机里面跑起来的。

了解我们的程序是咋通过编译器和汇编器，变成一条条机器指令这样的编译过程（编译过程展开，就是编译原理）

清楚我们的操作系统是咋链接、装载、执行这些程序的（深入学习，就是操作系统）。而这一条条指令执行的控制过程，就是由计算机五大组件之一的控制器来控制的。

计算部分，要从二进制和编码启动，理解我们的数据在计算机里的表示，还有我们是咋从数字电路方面，达到加法、乘法这些基本的运算功能的。

达到这些运算功能的ALU（Arithmetic Logic Unit/ALU），算术逻辑单元，计算机五大组件之一的运算器。

特别重要的就是浮点数（Floating Point）。

浮点数是我们在平日运用中很容易用错的一种数据表示形式。掌握并熟悉浮点数能让你对数据的编码、存储和计算可以有一个从表到里的深入理解。特别在AI火热的今天，浮点数是机器学习中重度使用的数据表示形式，掌握并熟悉它更是很有必要。

0.3 CPU的设计

CPU时钟可以用来构造寄存器和内存的锁存器和触发器，因为这个原因，CPU时钟肯定是我们学习CPU的前导知识。搞明白我们为什么需CPU时钟（CPU Clock），还有寄存器和内存是用什么样的硬件组成的后面，我们可以再来看看，整个计算机的数据通路是如何构造出来的。

数据通路，实际上就是连接了整个运算器和控制器，并后组成了CPU。而出于针对性能和功耗的考虑，你要进一步理解和掌握并熟悉面向流水线设计的CPU、数据和控制冒险，还有分支预测的有关技术。

既然，CPU作为控制器要和输入输出设备通信，既然如此那，我们就要清楚异常和中断出现的机制。在CPU设计部分的后，我会讲一讲指令的并行执行，看看如何直接在CPU方面，通过SIMD来支持并行计算。

0.4 存储器的原理

通过存储器的层次结构作为基础的框架引导，需掌握并熟悉从上到下的CPU高速缓存、内存、SSD硬盘和机械硬盘的工作原理，它们当中的性能差异，还有实质上应用中利用这些设备会碰见的挑战。存储器实际上不少时候又扮演了输入输出设备的角色，故此，你需进一步了解，CPU和这些存储器当中是如何进行通信的，还有我们重视的性能问题是咋一回事；理解什么是IO_WAIT，如何通过DMA来提高程序性能。

针对存储器，我们不仅需它们可以正常工作，还需要保证里面的数据不可以丢失。于是你要掌握并熟悉我们是如何通过RAID、Erasure Code、ECC还有分布式HDFS，这些不一样的技术，来保证数据的完整性和访问性能。

计算机组成原理的学习办法

相较于整个计算机科学中的其他科目，计算机组成原理更像是整个计算机学科里的“纲要”。这门课里任何一个重要内容及核心考点深入挖下去，都可以变成计算机科学里的一门核心课程。

程序怎样从高级代码变成指令在计算机里面运行，对应着“编译原理”和“操作系统”这两门课程

计算达到背后则是“数字电路”

假设要深入CPU和存储器系统的优化，肯定要深入了解“计算机体系结构”

操作系统原理就是讲操作系统的，例如怎么管理内存，怎么管理文件，怎么管理进程。

计算机组成原理讲的是计算机硬件各部分的组成与协作，例如怎么取址，内存怎么构成，磁盘的磁臂磁道之类的。

编译原理，讲的是咋将高级语言（例如c，java）翻译成机器语言的过程与技术。

计算机系统基础和计算机组成原理的区别？

计算机体系结构和计算机系统结构是一个概念，它们的英文名都是Computer Architecture。是以计算机系统的外部特性为主来介绍计算机系统基本结构的一门学科。

这里说的外部特性是指一个软件设计者编写出可以在计算机系统上正确运行的程序所一定要了解到的计算机系统的特性。作为计算机学科的一个分支，计算机系统结构主要研究软件、硬件的功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定什么功能由软件达到，什么功能由硬件达到。

“计算机系统结构”研究的主要内容主要涵盖：数据表示、寻址方法、指令系统、中断系统、存储系统、输入输出系统、流水线处理机、超标量处理机、互连互联网、向量处理机、并行处理机和多处理机等。

而计算机组成原理是研究计算机的大多数情况下结构、组成、原理，更偏重硬件知识是“计算机系统结构”的先修课。主要涵盖：运算方式和运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、系统总线、外围设备、输入输出系统这些内容。

计算机组织原理重要内容及核心考点？

一.冯诺依曼体系

1.采取二进制表示信息

2.采取存储程序工作方法

3.计算机硬件系统由：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备 组成

二.计算机主要性能指标

1.基本字长

2.运算速度 (时钟频率，IPS等)

3.数据通路宽度和数据传输率： 数据传输率 = 总线位数/8*时钟频率

4.存储容量

5.外围设备配置

6.软件配置

三.常见寻址方法

1.马上寻址

2.直接寻址 (A)

3.寄存器寻址 R

4.间接寻址 @

5.寄存器间址 (R) (R)+, -(R)

6.变址寻址 X(R) PC+R

7.基址寻址

8.基址加变址方法

9.相对寻址 X(PC)PC+(PC)

10.页面寻址

11.堆栈寻址

四.CPU基本组成

1.运算部件

2.寄存器组

3.微命令出现部件

4.时序系统

5.内部通路结构

五.主机与外设连接模式

1.辐射型

2.总线型

3.入口通道型

六.规格化浮点加减运算

1.判零等，看是不是能简化。

2.对阶，小阶向大阶对齐，尾数右移

3.尾数相加减

3.结果规格化： |M| 1 右规 |M| 1/2 左规

七.CPU信息传送方法

1.直接程序传送方法

2.程序中断传送方法

3.DMA方法

八.存储器分类

（1）按物理存储机制(存储介质)分

1.半导体存储器

1静态存储器 ：双稳态触发器。 需电源 。 适用做Cache及主存

2变动存储器 ：电容 。 需变动刷新，因为电荷会泄漏 。 适用做主存

2.磁表面存储器。 适用做外存

（2）按存储方法分

1.随机存取(RAM) ：可以按照地点位置随机访问任意存储单元，读写时间与位置无关

2.顺序存取(SAM) ：按记录块组织，顺序存放的，访问时间与信息存放位置相关

3.直接存取(DAM) ：先将读写部件指向某一区域，再在该区域进行顺序查找，读写时间与位置相关

（3）按读写特性

1只读型

2一次写入型

3可擦除/重写型

九.存储器重要特性

1.存储容量

2.存取时间 TA

3.存取周期 TM

4.数据传输率 DTR = WIDTH/TM （bps）

十.变动存储器刷新

1.集中刷新方法

2.分散刷新方法

3.异步刷新方法 按行数决定所需刷新周期数，并分散在2ms周期中

十一.磁记录方法

1.不归零-1制 (NRZ1)： 写1则翻转

2.调相制 (PM) ： 写0在位单元中间出现负跳变，不然正跳变，连续两位一样交界处变向

3.调频制 (FM) ： 每一次交界处都变向，写0则位单元中间不变，写1位单元中间变向

4.改进型调频制 (M^2F) ： 与调频制基本一样，只是唯有在0,0交界处变向

5.群码制 (GCR)

十二.磁表面存储器的校验

1.海明校验 ：分组进行奇偶校验，码距为d时，可检查出2(d-1)位错 或 检测并纠偏1位错。适用于迅速自动纠错

2.循环校验码CRC ： 。适用于位数多，非常多数据

1将待编码k位有效信息M(x)左移r位，得M(x)*x^r

2选取r+1位的生成多项式G(x),做mod2除

M(x)*x^r/G(x) = Q(x) + R(x)/G(x)

3mod2加 : M(x)*x^r + R(x) 得出循环校验码

十三.Cache地点位置映像

1.直接映像

2.全相联映像

3.组相联映像

替换算法： FIFO,LRU

十四.虚拟存储器

1.页式

2.段式

3.段页式，结合上面说的两种

十五.串行接口与并行接口

1.串行接口： 接口与外部设备串行，接口与系统总线并行，除非指定串行

2.并行接口： 接口与外部设备，系统总线皆并行

十六.向量中断与非向量中断

1.向量中断： 直接依靠硬件来确定中断程序通道入口地点位置

2.非向量中断： 执行软件，用查询方法确定通道入口地点位置

十七.中断响应过程

关中断 - 保存断点 - 获取服务程序通道入口地点位置 - 转向程序运行状态

十八.DMA初始化信息

1.外设寻址信息

2.控制字

3..主存缓冲区首址

4.交换量

十九.总线

总线是指一组能为多个部件分时共享的信息传送线。

二十.组合逻辑控制方法和微程序控制方法

1.组合逻辑控制方法： 微命令由组合逻辑电路出现

优： 速度快

劣： 设计不规整，不易更改或扩展

2.微程序控制方法：

1一条微指令由多条微命令组成，控制一步操作

2一段微程序由多条微指令组成，执行一条机器指令

3微程序存储在控制存储器中，需时取出执行

优： 结构简化规整，易于更改或扩展，可靠性高

劣： 速度慢

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