计算机的基本结构
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冯·诺伊曼计算机的特点

- 计算机有5大部件组成
- 指令和数据以同等地位存在于储存期，可按地址寻访
- 指令和数据用二进制表示
- 指令由操作码和地址码组成
- 储存程序
- 以运算器为中心

现代计算机以储存器为中心

冯·诺伊曼体系计算机结构如下

.. image:: assets/冯诺依曼计算机体系结构.png

- 运算器：执行算术计算和逻辑运算
- 储存器：存放数据和程序
- 控制器：指挥程序运行
- 输入设备：将信息转化成机器能识别的形式
- 输出设备：将结果转化成人们熟悉的形式

系统复杂性管理的方法
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- 层次化：将被设计的系统划分为多个模块或子模块
- 模块化：有明确定义的功能和接口
- 规则性：模块更容易被重用

主机
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一台主机由 CPU 和 IO 系统组成，其结构如下：

.. image:: assets/主机构成.png

或者：

.. image:: assets/现代计算机框图.png

存储器的基本组成
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存储器的基本构成如下：

.. image:: assets/存储器的基本结构.png

存储器包含三个主要部分：存储体、MAR、MDR

存储体 ← 存储单元 ← 储存元件

存储单元：储存二进制数据
存储字： 存储单元中二进制的组合
储存字长：存储字中包含的二进制位数

每个存储单元都被分配一个地址


MAR ：存储器地址寄存器。反应了储存单元的个数

MDR ：存储器数据寄存器。反应了储存字长

运算器的结构和功能
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运算器的基本结构如下：

.. image:: assets/运算器的基本结构.png

运算器的核心是 ALU 。还包括三个寄存器：ACC, MQ, X

ALU
MQ：乘商寄存器

运算器的功能能和寄存器的分配如下：

.. csv-table::
   :header: , ACC, MQ, X

   加法, 被加数、和, , 加数
   减法, 被减数、差, , 减数
   乘法, 乘积高位, 乘数、乘积低位, 被乘数
   除法, 被除数、余数, 商, 除数

控制器的基本结构
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控制器的功能：

- 解释指令
- 保证指令的按序完成

完成一条指令：

#. 取指令

   根据 PC 将指令从内存取出送入控制器

#. 分析指令

   :abbr:`IR (Instruction Register)` 存放当前要执行的指令
   由控制单元分析指令

#. 执行指令

   CU
   由控制单元控制相应部件完成功能

指令的执行过程
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取数指令：把保存在内存单元中的数据保存到 ACC 中

#. 取指令：

   在控制器的控制下：PC → MAR → 存储体 → MDR → IR

#. 分析指令：

   IR → CU

#. 执行指令

   将地址码从 IR → MAR → 存储体 → MDR → ACC

机器性能的衡量
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- 机器字长：CPU 一次能处理数据的位数。一般与 CPU 中寄存器的位数相等
- 运算速度
   - 主频
   - 核心数，每个核心支持的线程数量
   - 计算指令的期望。吉普森法： :math:`T_M = \sum\limits_{i=1}^{n}f_it_i` （指令的静态使用频率）
   - CPI ：执行一条指令需要的时钟周期
   - IPC ：一个时钟周期能够完成的指令数
   - MIPS ：每秒执行多少百万条指令
   - FLOPS ：每秒浮点运算次数
- 存储容量：
   - 主存容量：存储单元个数 x 储存字长（MAR x MDR）
   - 字节数
   - 辅存容量