计算机组成原理答疑--来源于南京大学课件

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。