计算机组成原理学习1笔记1
计算机系统简介
硬件体系
讲授内容：计算机、组织（组成：计算机硬件系统的逻辑实现——数字电路、数字逻辑）、原理（不依托机器）
基本内容
基本部件的结构与组织方式
基本运算的操作原理
基本部件与基本单元的设计思想，如何将部件连接起来
特色
计算机组成的一般原理，不易具体机型为依托
采用自顶而下的方式、层层细化
教材：唐硕飞-计算机组成原理（第二版），学习指导与习题解答
参考教材：Patterson\Hennessy-计算机组成与设计：硬/软件接口；数字设计和计算机体系结构（共有两部分，实现处理器）
计算机组成原理是连接软硬件的中间层
课程组织
1、概论
2、计算机系统硬件结构 存储器、IO、CPU、系统总线
3、CPU（ALU、CU、寄存器）
4、CU（排队逻辑、寄存器解码器、控制存储器）
第一章 计算机系统概论
物联网：将传感器嵌入到各设备之中，并且被普遍连接，即“物联网”，+“互联网”=人类社会与物理系统的整合。
超算：HPC（higher performance computer） TF（千万亿次）
1.1计算机软硬件概念
计算机系统：硬件（实体）、软件（具有各类特殊功能的信息组成）
层次结构——软件：系统软件（管理整个计算机系统；语言处理程序，操作系统，服务性程序（数学库），数据库管理系统）、应用软件（按任务需要编织成的各种程序）
高级语言--汇编语言--机器语言-||软硬件分界线||-微指令解释机器指令--硬件执行微指令
计算机组成与计算机体系结构区别：实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令实现）；系统结构定义了软硬件交界面，程序员所见到的计算机系统属性（指令 系统、数据类型、寻址技术、IO机理）
1.2计算机的基本组成
冯诺依曼计算机（存储程序型计算机）特点
五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
指令和数据以同等地位保存在存储器中，咳咳按地址寻访
指令和数据二进制表示（为什么？）
指令有操作码和地址码
存储程序
以运算器为中心
冯诺依曼计算机硬件框图 （实线：数据；虚线：控制）
存在问题：以运算器为核心（瓶颈）
改进：
1.以存储器为中心
可以用层次化的设计思想
改进：层次化（按层次划分模块）、模块化（要能够组装在一起，有明确定义的功能和接口方便组装）、规则性（是模块更容易被重用，对模块规范化），也称3Y法则
可计算理论：可计算性问题，不可计算问题（图灵机停机问题）
建立数学模型（eg sin(x)） 、确定计算方法（泰勒展开，精度确认）
指令和数据都是保存在存储器中（存储器结构，如何访问存储器）
存储器结构
1.存储器的基本组成：存储体-存储单元（二进制代码）-存储字（单元中二进制代码集合）-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）-存储元件；
MAR-存储器地址寄存器，反应存储单元个数
MDR-存储器数据寄存器，反应存储字长
存储体存储01代码
每个存储单元里存储的01个数称为存储字长
假设MAR4位，从0000到1111，说明一共有16个存储单元
MDR8位，说明每个存储字字长是8位
运算器
假设程序已经保存为二进制代码，可按地址寻访
假设模型机有三个寄存器：累加器、
结构与功能（完成运算）
ALU，组合电路，特点是输入结果撤销，那么输出也撤销；因此要在其输入端加上寄存器（保存参与运算的数据；ACC，X数据寄存器）；乘法中产生的结果长度是操作数的两倍(为什么)，因此要加另一个寄存器
加法操作
memory
减法操作
乘法操作
乘法操作移位，这些操作总体上有先后顺序（由控制器控制）
除法操作
可以看出，MQ仅用于乘除，所以MQ寄存器又叫做，乘商寄存器
控制器
功能：解释指令，保证指令按序进行
完成一条指令：取指令、分析指令、执行指令
取指令：PC（程序计数器） 存放当前欲执行指令的地址，具备计数功能（PC）+1 -->PC（自动调整）
分析指令：IR（指令寄存器）存放当前欲执行的指令
执行指令：CU（控制单元）
运算器、控制器、存储器构成了主机
主机上一条指令的执行过程
以取数指令为例：
一、取指令
1.PC把指定地址送给MAR
2.MAR再送给存储体
3.控制器控制下，存储体把指定存储单元中保存的取数指令取出来，送入MDR
4.把指令送给IR
二、分析指令
5.把寄存器中的操作码送给CU进行执行，把M中的数据取到ACC中；把地址部分送给存储器，以便从存储体中取数据
三、IR开始（保存了当前指令，当前指令地址、当前指令操作数的地址），地址吗部分从把地址送给MAR，MAR 把地址送给存储体，在控制器的作用下，从存储体中把数取出，存入MDR，再送入ACC
OP 操作码；Ad地址码；连打印也得经过取指令、分析指令、执行指令的过程
课后练习：
将乘法、除法指令的运行过程按照上述计算机结构表述出来
1.3计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长，CPU一次能够处理数据的位数，（CPU可以对两个8位数做加法结果依旧是8位，那么这个CPU一次可以处理的数据位数是8位，不是24位；机器字长和CPU的寄存器位数相等的；为了简化问题，存储器字长也是这样——仅限于当前假设的模型机）
一般来说，机器字长越长，性能越好；
2.运算速度
主频
核数，每个核支持的线程数
吉布森法（指令执行速度），以使用频率做权重来做加权平均
CPI 执行一条指令所需的时钟周期
MIPS 每秒执行百万条指令
FLOPS 美妙浮点运算次数
3.存储容量（主存容量、辅存容量）
存放二进制信息总位数
