计算机硬件系统

计算机硬件系统

计算机硬件系统主要由 运算器、控制器、存储器、输入设备与输出设备 五大部件组成。

• 运算器：CPU的核心组件之一，主要负责数据的加工处理，能够完成算术运算、逻辑运算等操作。它由 算术逻辑单元ALU、累加寄存器AC、数据缓冲寄存器DR、状态条件寄存器PSW等组成。
• 控制器：CPU的核心组件之一，主要由 程序计数器PC、指令寄存器IR、地址寄存器AR、指令译码器ID等组成。负责协调和控制整个CPU的操作。它从内存中获取指令，解码并执行指令，生成和分发控制信号，控制数据和指令的流动，确保指令的正确执行。
• 存储器：计算机的记忆设备，包括内部存储器和外部存储器。前者速度高，容量小，一般用于临时存储程序、数据及程序运行的中间结果；后者速度慢、容量大，可用于长期存储程序和数据。
• 输入设备与输出设备：计算机的外部设备(简称外设)，输入设备用于输入原始数据及各种指令，输出设备用于输出计算机运行的结果。

CPU

CPU 主要由 运算器、控制器、寄存器组及内部总线组成。

CPU的功能

• 数据处理：CPU包含算术逻辑单元模块，可以对数据进行算术运算和逻辑运算。
• 程序控制：CPU通过执行指令来控制程序执行的顺序。
• 时间控制：CPU对各种操作进行时间上的严格控制，即指令执行过程中的操作信号的出现时间、持续时间以及出现的时间顺序都需要严格的控制。
• 操作控制：一条指令功能的实现需要若干操作信号配合完成，CPU产生每条指令的操作信号并将其发往对应的部件，控制相应的部件按照指令的功能要求进行操作
• 中断处理：CPU可以对系统内部和外部的中断做出响应，做出对应的处理。

指令系统

一条计算机指令由操作码和操作数两部分组成，操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及所在的单元地址。

指令执行流程

1. 取指令：从程序计数器PC中取出指令地址，将指令地址发往地址总线，CPU根据指令地址从主存中取出指令内容存入指令寄存器IR中。
2. 分析指令：指令译码器进行分析，分析指令操作码。
3. 执行指令：执行指令，取出指令执行所需的源操作数。

指令寻址方式

• 顺序寻址方式：从程序计数器PC中顺序取出指令，一条指令接着一条指令的顺序执行。
• 跳跃寻址方式：下一条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令直接给出。程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行。因此，程序计数器的内容也必须相应改变，以便跟踪新的指令地址。

指令操作数的寻址方式

• 立即寻址方式：指令的地址码字段指出的不是地址，而是操作数本身。
• 直接寻址方式：指令的地址字段直接指出操作数在主存中的地址。
• 间接寻址方式：指令的地址字段所指向的存储单元中存储的是操作数的地址。
• 寄存器寻址方式：指令的地址字段是寄存器的编号。
• 基址寻址方式：将基址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址。
• 变址寻址方式：将变址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址。

CISC与RISC

CISC是复杂指令系统，兼容性强、指令繁多、长度可变，由微程序实现

• 复杂
• 指令多、使用频率差别大，可变长格式
• 支持多种寻址方式
• 微程序控制技术实现
• 研制周期长

RISC是精简指令系统，指令少、使用频率接近，主要依靠硬件实现

• 精简
• 指令少、使用频率接近、定长格式、大部分为单周期指令，操作寄存器，只有load/store操作内存
• 支持寻址方式少
• 增加了通用寄存器；硬布线逻辑控制为主；适合采用流水线
• 优化编译，有效支持高级语言

指令流水线原理：将指令分成不同段，每段由不同的部件去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段。