Ley de Moore: revela la velocidad del progreso de la tecnología de la información
La cantidad de transistores que se pueden acomodar en un circuito integrado se duplicará aproximadamente cada 18 meses, y el rendimiento general también se duplicará

Punto de prueba 1: desarrollo de hardware ——————————————————————————————

La primera generación: la era de las válvulas electrónicas
La segunda generación: la era de los transistores
La tercera generación: la era de los circuitos integrados de pequeña y mediana escala
La cuarta generación: la era de los circuitos integrados de gran y ultra gran escala

1. Composición básica del hardware de la computadora

La estructura de las primeras máquinas de Von Neumann:
(1) La composición básica del hardware de la computadora
(2) La estructura de las computadoras modernas

1. Las primeras máquinas de von Neumann

(1) Características de la computadora von Neumann:

1. La computadora se compone de cinco componentes principales.
2. Las instrucciones y los datos se almacenan en la memoria en la misma posición
y se pueden buscar por dirección . 3. Las instrucciones y los datos se expresan en binario.
4. Las instrucciones se componen de operaciones. códigos y códigos de dirección
5. Almacenar programas
6. Usar unidades aritméticas como centro (la transmisión de datos entre el dispositivo de entrada/salida y la memoria se completa a través de la unidad aritmética como una transferencia)

2. Estructura de la computadora moderna

Von Neumann necesita usar la unidad aritmética como una transferencia para completar la ineficiencia, y la estructura de las computadoras modernas coloca directamente los datos del libro en la memoria.

CPU=calculadora+controlador

Debido a que CPU=calculadora+controlador, la figura anterior se puede simplificar a la siguiente figura:

El almacenamiento primario es almacenamiento principal (memoria), almacenamiento secundario (disco duro)

3. Diagrama resumen

2. El principio de funcionamiento de cada hardware.

1. Registro MAR, MDR

Los datos son lo que una computadora quiere. La CPU es diferente de la estación Cainiao: la CPU no solo puede obtener datos sino también escribir datos.

MAR: registro de direcciones, utilizado para indicar qué unidad de memoria leer/escribir. El número de bits refleja el número de unidades de almacenamiento
MDR: registro de datos, utilizado para almacenar temporalmente datos para ser leídos/escritos. Su número de bits = longitud de la palabra de almacenamiento

Nota: la lógica MAR y MDR pertenecen a la memoria principal, pero las computadoras actuales generalmente integran MAR y MDR en la CPU .

2. Almacenamiento principal (memoria)

MAR: Indica la dirección de la unidad de almacenamiento.

Punto de prueba 2: Las siguientes definiciones —————————————————————————————

Unidad de almacenamiento: Cada unidad de almacenamiento almacena una cadena de códigos binarios
Palabra de almacenamiento (palabra): el código binario (combinación) en la unidad de almacenamiento
Longitud de palabra de almacenamiento: el número de bits del código binario en la unidad de almacenamiento Unidad de almacenamiento
: el componente electrónico que almacena binario, cada elemento de almacenamiento A puede almacenar 1 bit

Ejemplo:
MAR=4 bits --> Hay 2^4 unidades de almacenamiento en total
MDR=16 bits --> Cada unidad de almacenamiento puede almacenar 16 bits,
1 palabra (palabra) = 16 bits
Confundido: 1 byte (Byte) = 8 bits
1B=1 byte, 1b=1 bit

Ejemplo: Velocidad de descarga 100Mbps (100Mb por ciento segundo 100 megabits por segundo), 1Byte= 8bit, 100Mbps/8=12MB/s

3. Calculadora

Calculadora: se usa para implementar operaciones aritméticas (como: suma, resta, multiplicación y división), operaciones lógicas (como: Y o no)

ACC: Acumulador, se usa para almacenar operandos o resultados de operaciones
MQ: Registro de cociente de multiplicación, durante la multiplicación y Operaciones de división, utilizadas para almacenar operandos o resultados de operaciones .
X: Registro de operandos de propósito general, utilizado para almacenar operandos (puede haber más de uno, pero teóricamente uno es suficiente) ALU: Unidad aritmética lógica, que realiza operaciones aritméticas y operaciones lógicas
a través de circuitos internos complejos

4. Controlador

CU: Unidad de control, analiza instrucciones y da señales de control
IR: Registro de instrucción, almacena la instrucción actualmente ejecutada
PC: Contador de programa, almacena la fecha de la siguiente instrucción, con función de incremento automático
Unidad de control
Registro de instrucción Contador
de programa

5. Ejecute la instancia

Tema: Analizar el funcionamiento de la CPU de este lenguaje C

(0) La PC apunta a la operación de obtención en la dirección 0: obtenga una de la dirección 5 y colóquela en ACC.

La primera instrucción a continuación se divide en 9 uops

Después de que el PCC ejecute la operación de "buscar instrucción", será +1, apuntando a la dirección 1

(1) ejecutar a*b

(2) Ejecutar ab+c

(3) Almacene el resultado de ab+c en la dirección 8

(4) Ejecute el comando de apagado en la memoria 4

(5) Resumen

3. Estructura jerárquica del sistema informático

1. Estructura de cinco capas

Existe una correspondencia uno a uno entre las instrucciones de máquina binaria y de ensamblaje, y cada instrucción de máquina binaria necesita ejecutar múltiples microinstrucciones en el hardware. Las tres capas superiores pertenecen al software y las dos capas inferiores pertenecen al hardware (el grupo de medidores se centra en las dos capas inferiores).

2. Lenguaje compilado, lenguaje interpretado

C y C++ se denominan lenguajes compilados. Tales como: JavaScript, Python y Shell se denominan lenguajes interpretados. El lenguaje compilado se traduce a lenguaje de máquina en un solo paso (el programa compilador es similar a nuestra traducción de todos los artículos chinos a artículos en inglés); mientras que el lenguaje interpretado se traduce a lenguaje de máquina uno por uno (el programa de interpretación es similar a decir un oración para traducir una oración). Entonces los lenguajes compilados son eficientes.

Nota: Los programas de compilación, ensamblaje e interpretación pueden denominarse colectivamente " programas de traducción ", y sus funciones son traducir lenguajes de alto nivel a lenguajes de bajo nivel

3. Resumen

4. Principios de arquitectura de computadora versus composición de computadora

4. Indicadores de rendimiento de la computadora

1. Indicadores de rendimiento de la CPU

(1) Frecuencia principal de la CPU, CPI

10 Hz = 10 pulsos/s, la frecuencia principal de la CPU significa el número de pulsos de CPU o ciclos de reloj por segundo (1 pulso = 1 ciclo de reloj)

(2) IPS，FLOPS

IPS=frecuencia principal/CPI promedio, frecuencia principal: indica el ciclo de reloj de la CPU por segundo, CPI promedio: el número de ciclos de reloj necesarios para ejecutar una instrucción, luego IPS es cuántas instrucciones se ejecutan por segundo

(El tamaño del archivo está en unidades binarias y la velocidad de procesamiento del hardware anterior está en unidades decimales, por ejemplo, la frecuencia principal es 3GHZ=3*10^9HZ=3 billones de HZ)

ejemplo:

2. Indicadores de desempeño general del sistema

(1) Indicadores estáticos

Pregunta: ¿Es una CPU con una frecuencia principal alta necesariamente más rápida que una CPU con una frecuencia principal baja?
No necesariamente, también hay un indicador de CPI, por ejemplo: dos CPU, la frecuencia principal de A es de 2 GHz y el CPI promedio =10; la frecuencia principal de B es 1GHz, CPI promedio=1.

A: IPS=2/10=0.2G instrucciones/s; B: IPS=1/1=1G instrucciones/s, entonces la máquina B aquí es más rápida

Pregunta: Si el CPI promedio de dos CPU A y B es el mismo, ¿entonces A debe ser más rápido?
No necesariamente, depende del sistema de instrucciones. Por ejemplo, A no admite instrucciones de multiplicación y solo puede usar varias sumas para lograr multiplicación, mientras que B apoya la instrucción de multiplicación.

Pregunta: (¿Cuanto más rápido se ejecuta el programa de referencia, mejor es el rendimiento de la máquina?
Hay diferencias en la frecuencia de las declaraciones en el programa de referencia, y los resultados de ejecución no pueden explicar completamente el problema

Principios de composición de computadoras [1] Primera comprensión del hardware