第1章 计算机系统知识
计算硬件基础
基本硬件系统
-
中央处理单元（cpu）：集成运算器、控制器等
- 运算器
- 控制器
-
存储器：记忆设备，包括内部存储器（高速、小容量）和外部存储器（低速、大容量）
-
外部设备（外设）
- 输入设备：输入原始数据及各种命令
- 输出设备：输出计算机运行的结果
中央处理单元cpu
负责获取程序指令、对指令进行译码并执行
功能
- 程序控制：按照程序安排执行指令
- 操作控制：拆分指令为若干操作信号分发到不同的部件进行操作
- 时间控制：控制指令的执行时间
- 数据处理：对数据进行算术运算、逻辑运算等方式处理
组成
运算器、控制器、寄存器组、内部总线等
运算器
是数据加工处理部件，接受控制器命令而动作
功能包括：
- 算术运算：加减乘除等基本运算及附加运算
- 逻辑运算及逻辑测试：与或非、零值测试或值比较等
组成部分
-
算术逻辑单元（ALU）：处理数据，算术运算与逻辑运算
-
累加寄存器（AC）：简称累加器，是通用寄存器，为ALU提供工作区，功能包括暂存操作数（存放被算对象）、暂存运算结果
-
数据缓冲寄存器（DR/MDR）：读写内存数据时进行中转缓冲，通过数据总线访问
-
注意：和常说的三级缓存不同，位于三缓之上，层级结构为CPU寄存器（如AC、DR） →三缓Cache（L1、L2、L3）→ 主存（内存）
类比为AC是手掌、DR是桌面、三缓是柜子、内存是仓库
- AC（累加寄存器） 暂存的是正在运算的操作数。
- DR（数据寄存器） 暂存的是正在传输的操作数（CPU与内存之间）。
- 三缓 暂存的是预判可能要用的操作数（数据块）。
-
-
状态条件寄存器（PSW）：保存当前指令运行/测试的结果建立的条件码内容，决定程序跳转的方向，分为状态标志和控制标志，如运算结果的进位标志（C）、溢出标志（V）、0标志（Z）、负标志（N）；中断标志（I）、方向标志（D）等，分别由1位触发器保存
控制器
控制CPU的工作，一般包括
- 指令控制逻辑：取指令、分析指令【指令译码】、执行指令【按指令操作码执行】
- 时序控制逻辑：每条指令按时间顺序提供控制信号
- 总线控制逻辑：为功能部件信息通路的控制电路
- 中断控制逻辑：控制中断请求，根据优先级排列中断请求
部件组成：
- 指令寄存器（IR）：从内存取指令到缓冲寄存器，送入IR暂存，译码器根据IR产生操作指令
- 程序计数器（PC）：又称指令计数器，具有寄存信息和计数的功能。存放下一条待执行指令的地址，在顺序执行时，经历下列步骤（内存加载程序，PC存放第一行程序地址，CPU根据PC取指，此时PC存放地址自动增值+1指向内存中的下一条指令地址），如果遇到跳转指令（如
JMP、CALL 或if...else分支），PC 的值不再自动增值而是会被强行修改为新的目标地址。这就是程序能够实现循环和分支判断的硬件基础 - 地址寄存器（AR/MAR）：存放当前CPU访问的内存地址，CPU发出寻址指令后交由AR通过地址总线访问内存，CPU可以进行其他指令而不必亲自寻址
- 指令译码器（ID）：指令包含操作码和地址码，分析指令中的操作，发出控制信号
一个完整的 CPU 读内存（取指令） 流程：PC 指出指令地址 → AR 接收指令地址 → 内存根据 AR 找到指令 → DR 接收取出的指令 → IR 存放指令准备执行
不同寄存器的区分
| 寄存器名称 | 缩写 | 主要功能 | 考点关键词 |
|---|---|---|---|
| 累加寄存器 | AC | 存放操作数、运算结果 | 算术逻辑运算、临时存储、累加 |
| 程序计数器 | PC | 存放下一条指令的地址 | 自动加1、指令流向、判断循环结束 |
| 指令寄存器 | IR | 存放当前正在执行的指令 | 指令译码、执行指令 |
| 地址寄存器 | MAR/AR | 存放 CPU 需访问的内存地址 | 寻址 |
| 数据寄存器 | MDR/DR | 暂存从内存读/写的数据 | 数据缓冲 |
流程示意图
graph TD%% 阶段一：取指阶段（所有指令通用的步骤）subgraph 取指周期A[开始] --> B[PC: 存放当前指令地址]B --> C[AR: 接收PC中的地址]C --> D[内存: 根据AR地址读取数据]D --> E[DR: 暂存从内存取出的指令]E --> F[IR: 存放指令，准备译码]F --> G[PC: 自动加1，指向下一条指令]end%% 阶段二：分析执行阶段（不同指令步骤不同）subgraph 执行周期F --> H[ID: 对IR中的指令进行译码分析]H --> I{指令类型判断}I -- 取数/运算指令 --> J[AR: 接收指令中的数据地址]J --> K[内存: 根据AR地址读取数据]K --> L[DR: 暂存取出的数据]L --> M[AC: 提供操作数 / 接收运算结果]M --> N[ALU: 进行算术或逻辑运算]N --> O[PSW: 根据运算结果更新状态标志]O --> P[结果写回AC]endP --> A
多核CPU