Computer Organization

Overview

  1. 计算机的基本结构
  2. 指令系统体系结构
  3. 算术逻辑单元
  4. 乘法器和除法器
  5. 单周期处理器
  6. 流水线处理器
  7. 存储层次结构
  8. 中断和异常
  9. 输入输出设备

计算机基本结构

《关于EDVAC的报告草案》

  1. 计算机应有运算器、控制器】存储器、输入设备和输出设备弓 5 个部分组成
  2. 数据和程序均以二进制代码形式不加区别的放在存储器中,存放位置由存储器的地址指定
  3. 计算机在工作时能够自动的从存储器中取出指令加以执行

基本结构

  1. 运算器(CA, Central Arithmetical)
  2. 控制器(CC, Central Control)
  3. 存储器(M, Memory)
  4. 输入设备(I, Input)
  5. 输出设备(O, Output)

模型机结构

  1. 储存器
    MAR:Memory Address Register,用于存放 CPU 正在读写的储存单元的地址
    MDR:Memory Data Register,用于存放 CPU 正在读写储存单元的数据
  2. 控制器
    • 指令寄存器 IR:Instruction Register,存放正在执行或即将执行的指令
    • 程序计数器 PC:Program Counter,下一条指令的地址,自动增量计数
    • 存储器地址寄存器 MAR:存放存储单元的地址
    • 存储器数据寄存器 MDR:存放对储存单元读/写的数据
    • 指令译码部件:对 IR 译码,确定 IR 中存放的是哪一条指令
    • 控制电路:产生控制信号,在时钟脉冲的同步下控制各个部件的动作
  3. 运算器
    • 算术逻辑单元 ALU:用于完成算术运算和逻辑运算,包含用作输入和输出的临时寄存器
    • 通用寄存器:用于临时存放数据,数据可能来自于存储器,也可能来自其他寄存器或 ALU 的输出
  4. CPU 的内部总线
    用于在 CPU 内部各个部件之间传递数据

执行指令——计算机运转的核心内容
执行指令的步骤:

  1. 取指(Fetch)
    1. 控制器将指令的地址送往存储器
    2. 存储器安给定的地址读出指令内容,送回控制器
  2. 译码(Decode)
    1. 控制器分析指令的操作性质
    2. 控制器向有关部件发出指令所需的控制信号
  3. 执行(Execute)
    1. 控制器从通用寄存器或存储器取出操作数
    2. 控制器命令运算器对操作数进行指令规定的运算
  4. 回写(Write-back)
    将运算结果写入通用寄存器或存储器

输入与输出
输入输出设备通过系统总线与 CPU 相连