计算机组成原理随笔

超级计算机：

硬件通过每条指令的有序执行（软件）来发挥作用。

硬件提供了接口给上层的软件（提供一系列指令集），软件通过利用一系列指令集能够完成一定功能。例如系统软件，利用硬件的资源完成人机交互界面。下面是简单的逻辑图：

应用软件也调用系统软件提供的接口，利用系统软件的资源实现自己的功能。

程序员的角度看待计算及系统的抽象：

高级语言或者汇编语言，必须有一个编译器，将其编译成机器可执行的二进制文件，这样程序才能被机器识别，让机器运作。

操作系统能够管理软硬件的资源。

DOS系统是（win）操作系统的一部分。

上图的这个实现乘法指令指的是逻辑实现。

我们现在使用的现代计算机（都是存储程序结构的计算机）也称作冯诺依曼结构计算机，核心理论是，计算机的数据，程序都是以二进制的形式存放在计算机当中。

指令位于内存当中，通过地址寻访（操作码指明指令要做什么操作，操作码存于内存地址中，地址码指明操作码的地址）。有点C语言的味道了。程序存储在存储器当中。

可以对以上6个内容提出质疑，锻炼批判思维，但前提是一定要有根据。

冯诺依曼结构计算机5大部件：

实线表示数据流向通路，虚线表示控制和状态反馈。

如果以上图设计的计算机：

运算器：算术运算，逻辑运算（运算器负载太高会成为系统的一个瓶颈）。

改进成以存储器为核心：

层次还不够清晰，再改进形成现代计算机框图：

主存（内存条）和CPU构成主机，辅存（硬盘等）和输入输出设备构成I/O设备。所以硬盘是I/O设备之一。

思考：生活中的问题能否用计算机解决，能要怎么做。

它在计算机中的运算顺序以及操作指令是这样的：

（一个操作数要保存在累加器当中，一个则要保存在内存当中。）

1.乘法指令

2.加法指令

3.从内存中取出操作数指令

4.计算最终结果保存到存储器中指令

5.打印指令

6.停机（停止）指令

这6条指令指挥计算机运行计算，所谓编程，和这些指令就类似，操作计算机进行运算。一条条指令集合组成一个程序。

PS：取x是放在运算器的累加器（ACC）当中。

简化后，只需要5步：

指令格式：

操作码表示执行什么操作，地址码表示内存地址单元，里面保存操作数。可以看到每条指令（操作码）都是二进制的。

存储器的作用，保存数据（计算结果等需要保存的都要放入存储器中供系统以后使用）和指令（平等的）。

存储器（内存或者主存）的基本构成：

存储字长：存储单元里面二进制代码的位数（长度）。每个存储单元赋予一个地址。存储单元按地址寻址。

存储单元保存的数据就是一个存储字。

存储体可能存放了很多指令或者数据（0,1代码），这些数据或者指令被分成了若干个存储单元，

MAR（存储器地址寄存器）：对存储单元是按地址访问的，CPU想取出指令或者数据，就要寻址，那么MAR就是保存了（二进制）存储单元的地址。反映了存储单元的个数。

MDR（存储器数据寄存器）：要保存的是：刚刚从存储体取出来的数据或者要保存到存储体的数据。（百度百科：将要写入到计算机主存储器（例如：RAM）的数据，或由计算机主存储器读取后的数据。）

所以MDR的长度和存储单元的长度是相同的，反映了存储字长。

假设一个MAR是4位的，MDR是8位的（位数指处理数据的长度），那么0000~~1111会有2的4次方个地址（要么0要么1，排列组合为16）。那么

运算器结构：

ALU：执行各种算术和逻辑运算操作的部件，亦称算术逻辑部件。通常是个组合电路，若输入撤销了，那么输出结果也不会被保存，为了让ALU能对结果进行保存，所以需要在ALU输入端加上寄存器，寄存器保存参与运算的数据。那么就需要两个寄存器作为输入数据的保存设备。其中一个就是ACC（累加器）专门用来存放操作数或运算结果，另一个称作X（有AX,BX,CX,DX之分，数据寄存器，是用来暂时存放计算过程中所用到的操作数、结果和信息，功能与累加器有点类似），如果当运算的结果将会出现溢出（执行乘法时候），还要加一个MQ乘商寄存器。

ACC：累加器

MQ：乘商寄存器

X：数据寄存器

运算器执行运算时，数据存放的位置：

做加法时：

初态是被加数已经存放在了ACC中，指令把在内存中的M取出来放入X寄存器中，两个数的相加在ALU中完成，然后ALU输出到ACC，保存在ACC中。

减法同加法：

乘法：

它的步骤是这样的：首先，初态被乘数放在了ACC中，第一步M乘数从存储器拿出来放到MQ寄存器，第二步ACC中的被乘数放到X寄存器（这一步是运算必须的，都要放在X寄存器），实际上第一步和第二步先后顺序也可以互换，第三步清空ACC，第四步X寄存器和MQ寄存器中的值放入ALU运算器中运算，然后得出的结果高位放在ACC，低位放在MQ。（PS：计算机的乘法和除法是通过累加、减和移位实现的）以上所有的步骤均有控制器控制指挥来执行。

除法：

初态ACC中有被除数，将除数M放入X寄存器，ACC和X的运算在ALU中，然后结果的余数保存在ACC，商保存在MQ中。

控制器能控制指挥运算步骤执行，下面讲解控制器：

它的功能：

1.解释指令。取址，分析，取操作数，真正执行指令以及保存操作数一系列过程。

2.保证指令按顺序执行。

上图全过程：1.把内存单元保存的指令取出来送到控制器当中。2.把操作码部分送到控制器进行分析。3.由控制单元控制相应的执行部件完成操作。

对应功能的硬件结构：

1.取指令，就要知道对应是指令的地址，指令是保存在内存单元当中，因此有个寄存器叫做（PC）程序计数器

由于指令是连续存放在内存单元中，执行完成后地址数要加1 ，取下一个指令，所以PC是具有计数功能的，为下一次取址做准备。

百度百科：

程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。当执行一条指令时，首先需要根据PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器中，此过程称为“取指令”。与此同时，PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令，执行指令。完成第一条指令的执行，而后根据PC取出第二条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。

2.分析指令（IR）：

指令寄存器（IR，Instruction Register），是临时放置从内存里面取得的程序指令的寄存器，用于存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令。

3.执行指令由CU发起，CU控制器决定怎么执行。下面是控制器结构：

那么计算机系统构建：

取数指令时系统执行如下：

首先是要取得存储体中的操作指令（指令和操作数据都保存在了存储体中），那么（在控制器的作用下）

1.PC要去获得指令地址，并保存。

2.那么存储体的MAR记录着指令地址。

3.根据MAR中的地址，访问到存储体中的指令。

4.把要从存储体中输出的指令存于MDR。

5.主存取出来的正在执行的指令就保存到IR指令寄存器。

6.IR将操作码部分给CU分析，CU就会知道要执行什么样的操作，并发出控制信号来完成指令要求的操作。

7.在CU的控制下，IR指令寄存器去取操作数，---->MAR------>存储体-------->MDR.

8.这个时候MDR中的操作数在控制器的作用下放入运算器的ACC中去保存。

存数指令系统的执行情况：

存数要把ACC当中的数存入存储体当中。但要执行这个指令时候，也要先去存储体拿到这条指令。所以明显得出，不管你是存还是取，都要先去存储体中拿到相对应的指令才可以进行操作。所以和取数时前5步是重叠的。

6.在CU的控制下，IR去访问MAR的地址码，并告诉存储体，数据要存在哪个单元。

7.CU控制下，ACC的数据存放在MDR中。

8.最后由MDR存入存储体。

PS：PC在执行完取指令操作后就可以进行调整了。

控制器必须要知道程序的首地址（保存在PC中），然后启动程序，实质上就是执行所有指令的一个过程，因为程序是指令的集合。接下来就是以上所谈到的过程。

衡量计算机硬件水平：

PS：机器字长实质上就是平时所说的多少位操作系统。

总线：

总线是信号的公共传输线，各个设备都可以链接到总线上，在任何时刻，只能有一对部件或者设备占用着总线资源，其它组件必须要等着占用设备释放，才可以使用总线（跟计网的共享介质广播有点类似）。这种结构简单，可拓展性好。

并行，发送和接收方接收多位数据，意味着需要的数据线多，如果传输距离长，线就必须平行，实际上很难做到，这样就会造成对传输的干扰。所以并行适合短距离传输，在机箱内传输。串行适合长距离，机器之间或者更远设备间传输。

总线造成的瓶颈：

改进：

再改进：

PS：主存工作时只能使用其中一条，现代技术还没有好的办法让主存在存储总线和系统总线同时工作。

数据总线一般是小于等于机器子长，比如64位机器，你做成8位的总线那么一次运算你就得做8次传输。

总线生产有个约定，这就是总线的标准：

上图第二列是传输位数（机器字长）。注意上图中带宽有两种单位，MB带宽是指文件流传输的速度，Mb带宽是数据率。MB/8等于Mb。

由于主存的发展速度跟不上CPU，所以主存和CPU之间加了个小容量高速度的Cache。这个cache能缓存主存的数据，cpu每次就到cache去取数据，指令等。

PS：DMA总线：直接存储器访问总线，外部设备直接访问系统内存。

总线控制：

流程可能是这样的：

I/O设备1，2都发起了总线控制请求BR，控制部件会发出BG进行确认，确认到了设备1是请求方（虽然设备1，2都发出了请求，但设备1是BG查询到第一个设备，所以优先级是设备1最高。因此这里的优先级跟设备一开始的连接方式直接相关）。那么总线控制权给到了设备1，设备1就发起BS忙的信号。所以如果有个设备排的非常后，可能永远得不到应答。

和链式查询有些类似：

设备地址是用来总线判优的，设备发出占用请求BR后，计数器启动，0时就去查看地址为0的设备，发现到1时，设备1发出的请求，那么设备1发出BS总线忙。

链式和计数器方式查找到序号比较高的设备时候，会很慢。所以独立请求方式改变了这个缺点：

在三个查询方式中，链式对电路故障是最敏感的，因为这会直接影响到控制部件对设备的授权线。

存储器：

电脑内存是半导体材质的，磁盘是磁表面材质的，磁盘中有同心圆，扇区就是这个同心圆的部分，可以存几百几千的数据或者文件。磁表面存储器存储信息是不易失的。还有一种就是光盘存储器。

RAM就是随机存储器，可读可写，用户所有的程序，数据就可以保存在RAM。

ROM就是只读存储器，系统数据参数（防止随意修改）就可以保存在上面。

U盘就是flash memory做的，是半导体材质（半导体存储器），速度介于磁盘和内存。flash memory还可以做高性能硬盘。

内存和（ssd）磁盘之间还可以用flash memory作为辅助存储器（磁盘）的缓冲。SSD固态盘的材料就是flash memory。

高速缓冲存储器cache（用静态RAM制作），是放在内存和CPU之间的，速度比内存还快，作为缓冲。

而且这个金字塔越往下价格越便宜。

程序的执行是在主存和CPU当中的，所以它们之间的通信非常频繁。但主存的容量是非常小的，所以很多数据和文件都要辅存来存放。

因此主存和辅存之间的通信也很频繁。在应用程序员的角度来看，根本不用关心它们的通信是怎么实现的。

缓存和主存主要解决访问速度问题，主存和辅存主要解决容量问题。（平时C语言指针是逻辑地址）主存和辅存构成的整体叫做虚拟存储器，然后就出现了虚拟地址（逻辑地址）。物理地址就是由逻辑地址转换得来的。主存存储使用的真实地址是物理地址。

主存储器：

16进制和二进制的对应关系：

16进制的每一位对应4个位的二进制：如0001对应16进制的1。

12345678H是一个16进制数，H=Hex代表16进制的意思
12345678H=0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000，一共占用4（内存是4*8）个字节，所以在内存里占用4个存储单元。内存存储是低位在前高位在后，在内存中看到的存储形式就是78H 56H 34H 12H。

一个数据占4个字节，每4个字节的存储方式：