计组第一章 计算机系统概论

第一章 计算机系统概论

1.1 计算机系统简介#

1.1.1 现代计算机的多样性#

计算机的种类有很多

HPC：高性能计算机

物联网#

​ 把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，形成智慧地球

​ 如果这个物联网有反馈系统，就是前端将信息反馈给后端，后端发出信号给前端甚至做出相应的动作，就形成了CPS

老师还讲了一些世界最快的计算机，地址在这

1.1.2. 计算机的软硬件概念#

计算机主要由硬件和软件构成

硬件通过软件的每条指令发挥作用

软硬件层次结构#

1. 硬件为软件提供接口，比如指令集，软件通过接口控制硬件
2. 软件中的系统软件管理软硬件，给用户提供人机交互界面
3. 应用软件利用系统软件的接口调用系统软件的功能

从物理结构看

总共有9层，机组研究的就是 Logic逻辑层和Micro-architecture微结构层

从程序员的角度来看

1. 最早出现的是机器语言

2. 然后是汇编语言，将机器语言符号化

3. 机器不能识别汇编语言的，要用操作系统将汇编语言转化为机器语言，就好像在机器外部加了一层罩子

   一条机器语言一般对应一条汇编语言，即一一对应的

4. 然后出现出现了高级语言，相当于在汇编语言外部加了一层罩子

5. 一条机器语言的执行也是有很多过程的，比如说取值，译码，执行等

   一条机器语言对应的多个微指令，即一个微程序

6. 中间的虚线是软硬件的交接线，实现了软硬件功能的划分，也提供了软硬件的结构

1.1.3. 计算机体系结构&组成#

1. 计算机体系结构

   程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）

2. 计算机组成

   实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）

3. 总得来说，体系结构是提供接口定义的，组成是实现接口的

系统复杂性管理的方法-1：抽象#

抽象

1. 抽象-对于一个过程或者一件制品的某些细节有目的的隐藏，以便把其他方面、细节或者结构表达得更加清楚-----百度百科
2. 抽象-指高级的模型，和低级的实体相对-----维基百科
3. 抽象-隐藏系统中不重要的细节。-----David Harris

1.2 计算机的基本组成#

1.2.1. 冯·诺依曼计算机#

老师讲了一下冯诺依曼机器的历史

(1) 特点#

1. 计算机由五大部件组成

2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访

   当然，也有的是在分开存储的，比如开始程序

3. 指令和数据用二进制表示

4. 指令由操作码（执行什么操作）和地址码(操作数在哪)组成

5. 存储程序（核心特征）

6. 以运算器为中心

(2) 硬件框图#

(3) 问题#

1. 运算器既要实行运算，还要实现输入输出

   运算器为中心，运算器会成为计算机性能的瓶颈

2. 硬件框图太乱，没有层次化，不利于分析

(4) 第一步改进#

表示数据的传输

但这个图看起来还是比较乱

1.2.2. 现代计算机硬件框图#

这样可以将每个模块实现，然后再组成，构成硬件

一般框图就要这种自上而下的管理

系统复杂性管理的方法-2（3’Y）#

3'Y

• 层次化（Hierachy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块
• 模块化（Modularity）：有明确定义（well-defined）的功能和接口，以便于子模块的组合
• 规则性（regularity）：模块更容易被重用

比如各个行业都会为行业内的产品制定一个标准，各个厂商根据这个标准来制作，就可以在任意场合使用

1.2.3.计算机的工作步骤#

编程举例#

问题：乘法的结果会超过ACC的长度

1.2.4. 各个组件的细分#

(1) 主存储器#

主存储器分为存储体，MAR，MDR

1. 存储体

   

   1. 存储单元：存放一串二进制代码
   2. 存储字：存储单元中二进制代码的组合，就是保存的一个数据
   3. 存储字长：存储单元中二进制代码的位数，每个存储单元赋予一个地址号，按地址寻访

2. MAR：存储器地址寄存区，反映存储单元的个数

3. MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长

1. MAR = 4位，都是01代码，从0000~1111，存储单元个数是16
2. MDR = 8位，都是01代码，表示存储字长是8
3. 那个长方体就相当于一个存储体
4. 存储器的读出和写入就要靠MAR和MDR做间接存储

(2) 运算器#

① 基本组成

1. 加法过程中，如果是多个数相加的话，不能直接一起加，要两个两个加，因此将和与被加数都放在ACC里面，这样上一次的加法结果就能直接作为被加数了
2. 减法同理
3. 但是乘法除法中的被除数和被乘数都是放在X里面的
4. MQ保存乘数和商，因此也将其成为乘商寄存器，MQ分别是乘和商的缩写

② 操作过程

a. 加法

b. 减法

c. 乘法

​ 乘法是通过累加和移位的方式实现的，因此得有一个保存累加的结果，就是ACC，所以ACC要变为0

d. 除法

(3) 控制器#

控制器的功能

1. 解释指令
2. 保证指令的按序执行

1. PC：program counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 ——> PC，具体是加几和机器有关
2. IR：instruction register，指令寄存器存放当前欲执行的指令
3. CU：Control Unit，控制单元，控制执行指令

因此控制器的结构如下

主存，运算器，控制器构成了主机

(4) 计算机的硬件结构图(具体)#

1.2.5. 指令在主机上的完成过程#

完成一条指令分为取指令，分析指令，完成指令三个步骤

指令的地址保存在PC中，指令保存在存储体当中

(1) 取数#

将存储体数据传到ACC中

1. 指令的地址存放在PC中，PC将地址给了MAR

2. 在CU的作用下，MAR将地址给了存储体M

3. 存储体根据地址将指令给了MDR

4. MDR将指令传给IR指令寄存器

5. IR将指令传给CU

   CU进行指令的分析，这里只是简化了

6. CU控制IR将指令中的数据地址码传给MAR

7. MAR又将地址传给了存储体

8. 存储体将数据传给MDR

9. MDR将数据传给ACC

(2) 存数#

将ACC的数据传给存储体

1. PC将指令的地址传给MAR
2. MAR将地址传给存储体
3. 存储体根据地址将指令传给MDR
4. MDR将指令传给IR指令寄存器
5. IR将指令传给CU分析
6. CU分析之后，IR将地址传给MAR
7. MAR将地址传给存储体
8. ACC将数据传给MDR
9. MDR将数据传给存储体

与取数相比，最后两步的顺序不同

分析上面的过程，无非就是三部：取指令，分析指令，执行指令

1. 取指令 PC -> MAR -> M -> MDR -> IR, (PC) + 1 -> PC
2. 分析指令 OP(IR) -> CU
3. 执行指令 AD(IR) -> MAR -> M -> MDR ->ACC

(3) 程序的执行过程#

1. 将程序通过输入设备送至计算机

2. 程序首地址 ——> PC

3. 启动程序运行

   1. 取指令 PC -> MAR -> M -> MDR -> IR, (PC) + 1 -> PC
   2. 分析指令 OP(IR) -> CU
   3. 执行指令 AD(IR) -> MAR -> M -> MDR ->ACC

   ……（多次执行三个步骤）

4. 打印结果

5. 停机

1.3 计算机硬件的技术指标#

如果要买计算机，怎么考虑

1. 买机器做什么
   1. 文本处理就要普通的笔记本等
   2. 游戏，机器学习需要较好的图像处理
2. 价钱
3. 机器的性能
   1. 处理速度快，内存容量大
   2. 价格便宜

以下是计算机硬件的主要技术指标

1.3.1. 机器字长#

1. CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关
2. 一般来说，机器字长越长，速度越快

1.3.2. 运算速度#

1. 主频

2. 核数以及每个核支持的线程数

3. 指令的执行时间

   1. 吉普森法

      f_i是指令的执行频率，t_i是该条指令的执行时间

   2. CPI：执行一条指令所需时钟周期数

      IPC：一个时钟周期执行的指令数

   3. MIPS：每秒执行百万条指令

      但是指令执行的多不代表就快，还要看一条指令执行了多少条计算

   4. FLOPS：每秒浮点运算次数

1.3.3. 存储容量#

存放二进制信息的总位数

主存容量用 字节数 的清晰度不如 存储单元个数×存储字长