計算機組成原理（一）

計算機組成原理

第一章 計算機系統概述

1.1 計算機基本概念

1. 計算機按照指令和數據流的分類：
   （1）單指令單數據流：SISD，傳統馮諾依曼體系
   （2）單指令多數據流：SIMD，
   （3）多指令單數據流：這種計算機實際上不存在
   （3）多指令多數據流：MIMD，

2. 軟硬件邏輯上等效：
   若是一個功能，既能用軟件實現，又能用硬件實現，則稱其爲軟硬件邏輯等效

3. 高級語言-類天然語言 -> 虛擬機器M4
   彙編語言-符號語言 -> 虛擬機器M3
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   操做系統 - 虛擬機M2
   （一開始計算機並無設計這一層，後來爲了把每次編程都須要用到的文件管理，內存管理等抽取出來而造成）
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   機器語言-二進制 -> 實際機器M1
   微指令系統 -> 微程序機器M0
   【注】一條機器指令就是一條微程序，這條微程序是由多條微指令構成的，每一個微指令發送一個微命令進行一個微操做讓計算機前行。

4. 計算機硬件基本組成：馮諾依曼機器
   （1）運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備
   （2）採用存儲程序的方式執行，數據用二進制形式表示
   （3）指令由操做碼和地址碼組成
   （4）指令在存儲器中按照執行順序存放，由PC致命要執行的指令的存儲單元。通常爲按順序遞增
   （5）馮諾依曼機以運算器爲核心，而現代機器以存儲器爲核心(總線結構能看出來)

5. CPU：運算器ALU+控制器CU
   主機：CPU+主存
   硬件：外存
   IO設備：輸入輸出設備

1.2 馮諾依曼結構中的5大部件

1. 運算器
   運算器的長度x代表，一次最多能夠對2個x位的數據進行操做

2. 存儲器
   （1）存儲器由多個小房間組成，一個小房間存儲8bit數據，也就是1byte
   （2）\(2^{10}\)差生一個單位遞進
   （3）MAR：存儲地址的寄存器
            MDR：存儲數據的寄存器
   （4）MAR的位數和MDR的位數能夠算出整個主存的大小。
   MAR的位數給出了主存中有幾個小房間，而MDR的位數給出了每一個小房間的大小是多少。eg：MAR10位，MDR8位，則主存總共\(2^10 * 8bit\) 3. 控制器
   （1）任務：按照必定順序逐條取指令，對指令譯碼，而後執行指令的操做
   （2）控制器在一個取值週期到來後從內存讀取信息流（指令流），流向執行器
   （3）執行器再週期的從內存中讀取信息流（數據流），流向運算器

3. 計算機的全過程
   （1）輸入程序和數據
   （2）程序首地址放到pc
   （3）啓動應用程序
   （4）把PC寄存器的值放到MAR寄存器中
   （5）按照MAR的地址從主存取得數據放到MDR
   （6）此時取得的數據是指令，因此再把MDR的數據放到IR(指令寄存器)
   （7）分析指令OP(IR)：分解開操做數和操做碼，把IR的操做碼放到CU(控制碼)
   （9）執行指令：把IR的操做數(須要操做的數的地址)部分拿出來放到mar，按照mar的地址去主存取數放到MDR，再把MDR的數據放到ACC（ALU中的累加器）
   （10）最後執行PC+1放到PC
   （11）打印結果
   （12）卸載程序

1.3 計算機性能指標

1. 機器字長：參與運算的數據的基本位數。也是加法器，寄存器的位數
2. 數據總線一次傳輸的數據位數稱做數據同路的寬度
3. 吞吐量：指的是系統在單位時間內處理的請求數量
4. 響應時間：系統對請求作出響應的時間=CPU時間+等待時間
   1）CPU時間爲運行程序所花的時間
   2）等待時間：用於磁盤訪問，存儲器訪問，IO操做，操做系統的開銷時間
5. CPU主頻又稱時間頻率，表示數字脈衝信號振盪的頻率。單位是時鐘週期/s
6. 主頻的倒數就是時鐘週期
7. CPI是每條指令執行時所需的時鐘週期數。CPI每每使一個平局數，使用機率論算出來的機率和
8. IPC是每一個時鐘週期執行的指令數，和CPI成倒數關係