1.数据通路宽度、机器字长、“字”宽、存储单元宽度、编址单位、总线宽度、指令字长各指什么?它们之间有何关系?
答:在计算机内部,有指令和数据两大类信息。指令和数据都以二进制形式存放在存储器中,运行程序时,需要把指令和数据从存储器读出,通过总线传输到CPU,然后,CPU再通过执行指令来对操作数进行相应的运算,最后把结果数据送到寄存器或存储器中。所以,在设计或使用计算机过程中,要涉及到:指令和数据在存储器中按什么长度存放;写入或读出时按什么长度存取;在总线上传输时同时传送多少位;数据和指令送到CPU后,在CPU的寄存器中按多少位存放;在运算器中按多少位运算;等等问题。因而出现了以下一些概念,它们的定义和关系如下:
“数据通路”是指数据在CPU中所经过的路径,连同路径上的部件,包括:通用寄存器、多路选择器、符号扩展器、零扩展器、ALU、移位寄存器等。这些部件的宽度和数据传送的路径宽度都是一致的,这个一致的宽度就是数据通路的宽度。CPU中有定点运算器和浮点运算器,因而,相对应的就有定点运算器的数据通路和浮点运算器数据通路。两者的宽度不同,浮点运算器的数据通路要宽的多。
“机器字长”是计算机的一个非常重要的指标。通常称32位机器或64位机器,就是指机器的字长是32位或64位。一般情况下,机器字长定义为CPU中在同一时间内一次能够处理的二进制数的位数,实际上就是CPU中数据通路的位数。因为机器字长与内存单元的地址位数有关,而地址计算是在定点运算器中进行的。所以,一般把定点运算器的数据通路宽度定为机器字长。
在计算机中,“字”的概念经常出现。一个“字”的宽度并不等于机器字长。“字”作为机器中所有信息宽度的计量单位,对于某个系列机来说,其字宽总是固定的。例如,在80x86系列中,一个字的宽度为16位,因此,32位是双字,64位是四字。在IBM303X系列中,一个字的宽度为32位,所以16位为半字,32位为单字、64位为双字。
“存储单元”指存储器中具有相同地址的若干个存储元件(或称存储元、存储基元、记忆单元)构成的一个存储单元中的二进制代码,其宽度等于一个编址单位的长度,可以是8位、16位、32位等。现在,大多数计算机是按字节编址的,即:每一个字节(8位)有一个地址,编址单位就是一个字节,所以一个存储单元的宽度(位数)是8位。由此可见,一个数据(如:32位整数、32位浮点数或64位浮点数等)可能占多个存储单元。一次从存储器读出或写入的信息也可能有多个存储单元。
“指令字长”指指令的位数。有定长指令字机器和不定长指令字机器。定长指令字机器中所有指令的位数是相同的,目前定长指令字大多是32位指令字。不定长指令字机器的指令有长有短,但每条指令的长度一般都是8的倍数。所以,一个指令字在存储器中存放时,可能占用多个存储单元;从存储器读出并通过总线传输时,可能分多次进行,也可能一次读多条指令。
第一章 计算机系统概论
本章主要对计算机系统作了概述性的说明,指出了“计算机组成原理”课程的内容在整个计算机系统中的位置。主要内容包括:
(1) 计算机系统的组成:分软件和硬件两部分。硬件和软件的界面是指令系统。
(2) 计算机系统的层次结构:
①从机器使用者的角度来说,粗分为应用软件、系统软件和硬件三个层次。
②从程序设计员和机器硬件设计者的角度来说,细分为:高级语言虚拟机、汇编语言虚拟机、操作系统虚拟机、机器语言机器、微程序机器。
(3) 硬件和软件的相互关系:
①两者相辅相成,缺一不可。
②两者都用来实现逻辑功能,同一功能可用硬件实现,也可用软件实现。
(4) 冯诺依曼计算机结构的特点:
①有运算器、控制器、存储器、输入、输出五大部分组成。
②指令和数据用二进制表示,两者形式上没有差别。
③指令和数据存放在存储器中,按地址访问。
④指令由操作码和地址码组成,操作码指定操作性质,地址码指定操作数地址。
⑤采用“存储程序控制”方式进行工作。
(5) 计算机硬件的基本组成和功能:
①运算器用来进行各种算术逻辑运算。
②控制器用来执行指令,送出操作控制信号,
③存储器用来存放指令和数据。
④输入和输出设备用来实现计算机和用户之间的信息交换。
(6) 计算机的工作过程:
①用某种语言(高级语言或低级语言)编制程序,称为源程序。
②用语言处理程序(编译程序或汇编程序)将源程序翻译成机器语言目标程序。
③启动目标程序,将所含的指令和数据装入内存。
④从第一条指令开始执行:取指令、指令译码、取操作数,运算、送结果、PC指向下一条指令。
⑤重复第 = 4 \* GB3 ④步,周而复始地执行指令,直到程序所含指令全部执行完。
(7) 计算机系统性能评价指标:
①机器字长:CPU一次能处理数据的位数,一般以定点运算器数据通路宽度为准。
②运行速度:
a)主频:CPU主脉冲的时钟频率。
b)CPI:执行一条指令所需的CPU主脉冲时钟个数。
c)定点指令执行速度:每秒钟执行多少百万条定点指令数(MIPS)。
d)浮点操作运算速度:每秒钟执行多少浮点数操作(FLOPS)。
③存储容量:
a)主存容量:包含RAM和ROM两部分。以单元个数x存储单元宽度或字节数来表示。
b)辅存容量:磁盘容量,以字节为单位,如:80GB。