計算機組成原理學習-第一章 概論(詳細、系統、人話)

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計算機組成原理【專欄】

須知

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參考學習資料：《計算機組成原理(蔣本珊 編著) 第三版》

1.1 電子計算機與存儲程序控制

電子計算機是不需要人工直接干預，就能夠自動、高效、精確地對各種信息進行處理和存儲的電子設備。電子計算機分爲：電子模擬計算機和電子數字計算機。一般我們說的電子計算機指的就是電子數字計算機。

  1.1.1 電子計算機的發展

  1. 計算機的發展歷史
  （1）.1946–1958年，採用電子管作爲基本器件的電子計算機，使用延遲線作爲存儲器。
  （2）.1958–1964年，採用晶體管作爲基本器件的晶體管計算機，採用磁芯存儲器。
  （3）.1964–1971年，小、中規模集成電路（SSI、MSI）計算機，採用小、中規模集成電路作爲基本器件。
  （4）.1971–至今，大、超大規模集成電路（LSI、VLSI）計算機，採用微處理器爲核心，存儲器採用半導體存儲器。
  2. 計算機的發展趨勢
  朝着兩個方向發展，一個是微型計算機朝着更微型化、網絡化、高性能、多用途發展；另一個是朝着巨型化、超高速、並行處理、智能化發展，這個是體現一個國家的科技水平。

 1.1.2 存儲程序概念

  世界上第一臺計算機ENIAC研製的同時，就有了以存儲程序控制這種思想爲核心研發的計算機EDVAC，由於種種原因，這計算機1951年問世了，但這還不是第一臺馮諾伊曼計算機，真正的馮諾依曼計算機是1949年的EDSAC。
  馮諾依曼計算機簡要概括爲以下幾點：
  （1）.計算機（硬件）應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成。
  （2）.計算機內部用二進制來表示指令和數據。
  （3）.將編好的程序和原始數據事先存入存儲器中，然後再啓動計算機工作，這就是存儲程序的基本含義。

1.2 計算機硬件組成

原始的馮諾依曼計算機在結構上是以運算器爲核心的，但是隨着不斷髮展，已經逐漸轉向了以存儲器爲中心了。
CPU=運算器+控制器
主機=中央處理器（CPU）+主存存儲器（主存）。除主機之外的設備爲外部設備：輸入輸出設備、輔助存儲器等。

 1.2.1 計算機的主要部件

  1.輸入設備
  將人們編好的程序和原始數據送到計算機中。按照輸入信息的形態：字符輸入、圖形輸入等。常見的輸入設備：鍵盤、鼠標等。輔助存儲設備（磁盤、磁帶）也可以視爲輸入設備。
  2.輸出設備
  將計算機的處理結果以數字、字符、圖形等方式送出計算機。常見的有打印機、顯示器等。輔助存儲器也可以視爲輸出設備。關於輸入輸出設備的詳細講解在(第九章 輸入輸出設備)。
  3.存儲器
  用來存放程序和數據的，是實現計算機存儲程序控制的基礎（個人感覺是核心，沒有存儲的地方何談存儲程序控制一說？）。
  常見的三級存儲系統：

  4.運算器
  運算器是對信息進項處理和運算的部件，詳細的在（實驗一 運算器實驗）中有對運算器的詳細製作和操作，幫助大家理解運算器。
  運算器的核心是加法器（很多運算都可以用加法來實現），他還有很多寄存器和累加寄存器來暫存操作數並存放運算結果的。
  5.控制器
  是計算機的指揮中心（類似於人腦，將人的每一個活動劃分成幾個步驟，安排順序，執行），他按照人們確定的步驟，控制整個計算機有條不紊地自動工作。
  控制器從主存中取出指令進行分析，根據指令安排操作的順序，然後執行。

 1.2.2 計算機各大部件之間連接

將前面的各大基本部件按照某種方式連接起來就構成了計算機的硬件系統，而連接的方式有兩種：總線結構和大、中型計算機的典型結構。

  1.總線結構(小、微型機的典型結構)
  總線（BUS）是一組能爲多個設備服務的公共線路，他能分時地發送和接受各部件的信息。
  系統中有：單總線、雙總線、以及三總線機構，具體會在後面詳細講解（第七章 總線）。

  2.大、中型計算機的典型結構
  大、中型計算機系統連接上分爲四級：主機、通道、設備控制器和外部設備(第九章 9.5通道控制方式)。

 1.2.3 不同對象觀察到的計算機硬件系統

  1.一般用戶觀察到的計算機硬件系統
  一般用戶觀察到的只是計算機的用戶界面：鍵盤鼠標、顯示器，用於存儲信息的磁盤、光盤等。
  2.專業用戶觀察到的計算機硬件系統
  專業用戶比一般用戶更深入，他們更注重瞭解計算機機箱內部的結構和組成：微處理器、內存條、外部高速緩衝器、顯卡、磁盤控制器等。
  3.計算機設計者觀察到的計算機硬件系統
  計算機設計者看到的是計算機硬件系統由：控制器、運算器、存儲器、外設組成，這是系統級的。系統級的又由寄存器級的組成，而寄存器又由門級別組成，門級別由晶體管級組成，而晶體管主要有兩種：金屬氧化物半導體（MOS）和晶體管-警惕邏輯（TTL）組成。

 1.2.4 馮諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想

此處說的是存儲器的設計思想，前面講的是計算機的設計思想，注意區分。

  1.馮諾依曼結構：也稱爲普林斯頓結構，核心就是將數據和指令放到一個存儲器中，共享數據總線。

  2.哈佛結構：由哈佛大學提出，特點是將指令和數據分開，分別放到兩個存儲器中。
  目前的計算機，在CPU內部的高速緩衝存儲器採用了哈佛結構，在主存儲器上採用了馮諾依曼結構。

1.3 計算機系統

一個完整的計算機系統包含硬件和軟件兩大部分。

  硬件是計算機系統的物質基礎，軟件是計算機系統的靈魂。軟件與硬件之間的界線隨着發展在逐漸模糊(由於軟硬件之間的滲透，導致硬件可以實現軟件的功能，軟件能實現硬件的功能)，而固件（具有軟件功能的硬件）將成爲計算機發展的一個趨勢。

1.4 計算機的工作過程和主要性能指標

爲使計算機按照預定的內容就工作，就需要給他進行編程，程序就是一個特定的指令序列，一個個指令告訴計算機要做什麼，按上面步驟去做。

 1.4.1 計算機的工作過程

  例如計算a+b-c=？：
  （1）.執行取數指令，從主存5號單元取出數字，送入累加寄存器中
  （2）.執行加法指令，將累加寄存器中的內容a與主存6號單元取出的數b一起經過ALU進行相加，結果a+b繼續保存在累加寄存器中。
  （3）.執行減法指令，將累加寄存器中的內容a+b與主存7號單元中的數據c一起經過ALU進行相減，結果a+b-c繼續保存在累加寄存器中。
  （4）.執行存數指令，把累加寄存器中的內容保存到主存第8號單元中。
  （5）.執行停機指令，讓計算機停止工作。

 1.4.2 計算機的主要性能指標

  1.機器字長
  機器字長指的是參與運算的基本位數，一般等於內部寄存器的大小(就好比我的電腦是64位的，我的電腦的內部寄存器大小也應該是64位的)。字長標誌着精度，字長越長，計算的精度越高。
  注意區分字(數據字)和字長(機器字長)的區別，字是一個度量，而字長則是衡量一個計算機處理信息的能力的，他倆可以相等，也可以不一樣。
  2.數據通路寬度
  數據線一次所能並行傳送信息的位數，稱爲數據通路寬度。
  3.主存容量
  一個主存儲器所能存儲的全部信息量。
  4.運算速度
  一般和許多因素有關：主頻、執行什麼操作、主存本身速度等。
  （1）.吞吐量和響應時間
   系統單位時間處理請求的數量
  （2）.主頻和CPU時鐘週期
   CPU主頻又稱爲時鐘頻率，表示在CPU內數字脈衝信號振盪的速度。主頻的倒數是CPU的時鐘週期，CPU中每個動作至少需要一個時鐘週期。
  （3）.CPI
   每條指令執行所用的時鐘週期數。IPC就是CPI的倒數，代表這每個週期執行的指令數。
  （4）.CPU執行時間
   CPU執行時間=CPU時鐘週期數/時鐘頻率=(指令數×CPI)/時鐘頻率
  （5）.MIPS和MFLOPS
   MIPS表示每秒執行多少百萬條指令。
   MIPS=指令條數/（執行時間×10⁶）=主頻/CPI=主頻×IPC。
   MFLOPS表示每秒執行多少百萬次浮點運算。
   MFLOPS=浮點操作次數/（執行時間×10⁶）。這個常用來衡量向量機的性能。

後話

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