组成原理01

组成原理01：

PS ：

这是很久之前写的笔记了（就是有道课是学的。。。），可能是照着打下来的，但是不甘就放到草稿里，还是发出来吧。。。

知识点1：计算机层次结构

冯·诺依曼机特点：

1.计算机硬件系统由运算器（ALU），存储器，控制器（CU），输入输出设备 5 大部件组成。
2.指令和数据以同等地位存于存储器中，并可按地址访问。（那么怎么区分呢？？？）
3.指令和数据均用二进制码表示。（有些地址是16进制，计算机内大部分是2进制）
4.指令由操作码和地址码组成（过于绝对，还有特殊情况）。操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5（重点掌握，pc = pc + 1 做准备，指针下移一位，并没有说这个一位有多大）.
指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序的，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。（也就是指针移多少位我们可以人为控制）
6.早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据。

组成：
主机：主存储器和 CPU；CPU里有运算器（ALU）和控制器（CU）
输入输出设备。

各个部件的功能和结构：
存储器是计算机的存储部件，用来存放程序和数据。（a = b + c）
分为主存储器和辅助存储器（很粗略的划分）
CPU 能直接访问主存储器（内存，主存）。所以IO设备可以看成（因为之前有个大框架的图）：辅助存储器（外存储器）；U盘，移动硬盘也是。
辅助存储器中的信息必须调用主存后，才能为 CPU 访问。（可以想想在学校机房安装codeblocks过程）
主存储器由许多的存储单元组成。
每个存储单元包含若干个存储元件。
每个存储元件存储一位二进制代码0或1.
存储单元可存储一串二进制代码，称为存储字。
这串代码的位数称为存储字长。
主存储器的工作方式，按存储单元的地址进行存取。称为按地址存取。

运算器是计算机的执行部件，完成算术运算和逻辑运算。
算术运算，比如+ - * / ；逻辑运算，比如与或非异或比较移位等
核心是算术逻辑单元（ALU）。
包含若干个通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果。
比如，累加器（ACC），乘商寄存器（MQ），操作数寄存器（X）。这些寄存器是必须有的。
可能还有变址寄存器（IX），基址寄存器（BR）等。
还有程序状态寄存器（PSW）（压栈来用），保留各类运算指令或测试指令的结果的各类状态。

控制器是计算机的指挥中心。
由程序计数器（PC），指令寄存器（IR），控制单元（CU）组成。
PC用来存放当前欲执行指令的地址，可以自动+1（没有说多大，是1个单位），以形成下一条指令的地址，它与主存的 MAR（存储器地址寄存器）之间有一条直接通路。
IR用来存放当前的指令，其内容来自于主存的MDR（存储器数据寄存器）。
指令（包括操作码和地址码）中的操作码OP（IR）送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列。
而地址码Ad（IR）送往 MAR 来取操作数。
（又来之前的刚开始的问题，怎么区分呢？？？）

输入设备主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机。
最常用最基本的输入设备是键盘，此外还有鼠标，扫描仪，摄像机等。

输出设备将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。
最常用最基本的输出设备是显示器，打印机。
IO设备后面有一章专门讲，说他的控制方式和工作原理。包括接口，驱动，中断处理程序…

计算机的工作过程：
1.把程序和数据装入到主存储器中。（不装到主存的话， CPU没法访问呀！ CPU不会直接访问外部存储，或者说辅助存储。）
2.从程序的起始地址运行程序。（给PC指针地址赋值了）
3.用程序的首地址从存储器中取出第一条指令，经过编码，执行步骤等控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令，并计算下一条指令的地址。
4.用新得到的指令地址继续读取第二条指令并执行，直到程序结束为止。
每条指令都是在取指，译码和执行的循环过程中完成的。

下面以取数指令为例，其大概信息流程如下：（即将指令地址码指示的存储单元中的操作数取出后，送至运算器的ACC中）
取指令： PC（地址） -> MAR -> M -> MDR -> IR 指令就读出来了（CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段。回答了刚开始的问题）
分析指令： OP(IR) -> CU
执行指令： Ad(IR) -> MAR -> M -> MDR -> ACC
此外，每取完一条指令，还必须为取下条指令作准备，形成下一条指令的地址，即（PC） + 1 -> PC；（PC）加括号代表PC地址代表的值

软件：
软件是人们事先编制的具有各类特殊功能的程序。他们通常存放在计算机的主存或辅存中。
分为两大类：系统软件和应用软件。
系统软件（又称系统程序）：主要用来管理整个计算机系统，使系统资源得到合理的调度，高效运行。
例如：操作系统，文件系统，编译程序
应用软件（又称应用程序）：它是用户根据任务需要所编写的各种程序。

3个级别的语言：
机器语言：又称二进制代码语言。是计算机唯一可以识别和执行的语言。
汇编语言：是用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码。
汇编语言的程序必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。
高级语言：编译：高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序。（还有解释型的语言，他不变成一个程序）
翻译：或者直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。（翻译成的是语句，不是完整的代码，所以这里说机器语言程序有点不好）

练习：将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是：（D）
A。汇编程序 B.链接程序 C.解释程序 D.编译程序
汇编程序翻译成机器语言
链接程序：将目标程序链接在一起
解释程序和编译程序
解释程序：解释一句执行一句，不产生目标代码文件
编译程序：生成目标代码文件

还有计算机的多层次结构：最底层是由硬件直接执行微指令。

计算机的四代变化：（了解就好）

计算机的分类：（分类方法特别多…）
电子计算机可分为电子模拟计算机和电子数字计算机（模拟的和数字的）。
数字计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。
通用计算机可分为巨型机，大型机，中型机，小型机，微型机和单片机6类。
他们的体积，功耗，性能，数据存储量，指令系统的复杂程度和价格依次递减。
计算机按指令和数据流还可分为：
1.单指令流单数据流系统（SISD）：也就是传统的冯·诺依曼体系结构
2.单指令流多数据流系统（SIMD）：包括阵列处理器和向量处理器系统。
3.多指令流单数据流系统（MISD）：这种计算机实际上不存在
4.多指令流多数据流系统（MIMD）：包括多处理器和多计算机系统。

知识点2：机器性能指标

机器字长：是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数。
通常与CPU的寄存器位数（寄存器在CPU内部），加法器有关。所以机器字长一般等于内部寄存器的大小。字长越长，数的表示范围越大，计算精度就越高。
计算机字长通常都选定为字节（byte，8位）的整数倍，2,4,8倍。（16,32,64位）
指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数。
存储字长：一个存储单元存储二进制代码的长度。必须是字节的整数倍。
（主存储器中有很多存储单元，一个存储单元（存储一个存储字）有很多存储元件，一个存储元件放一个二进数位。）
（编指时，大部分是以字节为单位进行的），所以要是字节的整数倍。

数据通路带宽：是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。
这里所说的数据通路带宽是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。

主存容量：只是主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节（或其整数倍）来衡量，也可以用字数*字长来表示存储容量。
其中，（寻址用的） MAR（存储器地址寄存器）的位数反映了存储单元的个数
（用来放数据的）MDR（存储器数据寄存器）的位数反映了可寻址范围的最大值。

吞吐量：指信息流入、处理和流出系统的速率。
它取决于 CPU 能够多块地取指令，数据能够多块地从内存取出或存入，以及所得到的结果能够多块地从内从送到输出设备。
这些步骤中的每一步都和主存紧密相关，因此系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。

响应时间：指从提交作业到该作业得到CPU响应所经历的时间。
响应时间越短，吞吐量越大。

主频：是机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数，常用单位为Hz、MHz等。
（ 1/主频 = 时钟周期）

CPU周期： CPU周期又称为机器周期，通常用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
一个指令周期通常由若干个 CPU周期组成。（指令周期 >= CPU周期）

CPI ：即执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间：指运行一个程序所花费的时间。
CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = （指令条数*CPI）/主频
CPU的性能（CPU的执行时间）取决于3个要素：
1.主频（时钟频率）。 2.每条指令执行所用的时钟周期数（CPI）。 3.指令条数

MIPS，MFLOPS，GFLOPS和TFLOPS
MIPS(Million Instructions Per Second)：即每秒执行多少百万条指令。
MIPS = 指令条数/（执行时间*10的六次方） = 主频 / CPI
MFLOPS(Mega Floating-point Operations Per Second)：即每秒执行多少百万次浮点运算。
MFLOPS = 浮点操作次数 / （执行时间 * 10的六次方）
GFLOPS(Giga Floating-point Operations Per Second)：即每秒执行多少十亿次浮点运算。

知识点3：存储系统知识

速度快慢：寄存器（但是是在CPU中的，“不是存储里的”），Cache，内存，外存（磁盘还要优于磁带）
按在计算机中的作用（层次）分类：
1.主存储器：简称主存，又称内存储器（内存），用来存放计算机运行期间所需的大量程序和数据。
CPU可以直接随机地对其访问。
主存储器可以和高速缓冲存储器（Cache）以及辅助存储器交换数据。
特点：容量较小，存取速度较快，价格较高。

2.辅助存储器：简称辅存，又称外存储器（外存），用来存放当前暂时不用的程序和数据。
不能直接与CPU交换信息
特点：容量极大，存取速度较慢，单位成本低。

（CPU的速度越来越快，但主存的速度没上来，缓冲这种差别）
3.高速缓冲存储器：简称Cache，位于主存和 CPU 之间，用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU能高速地使用它们。
Cache的存取速度可以和 CPU的速度相匹配，但存储容量小，价格高。

按存取的方式分类：
1.随机存储器（RAM）：存储器中的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。
其优点是，读写方便、灵活使用。
主要用作高速缓冲存储器。
RAM 又分为静态RAM 和动态RAM

（固化在主板上的）
2.只读存储器（ROM）：存储器的内容只能随机读出而不能写入。
信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，内容也不会丢失。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚至用于操作系统的固化。
它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域。
一个程序想要运行，就进入内存，并占用CPU。
但计算机一插电，一开机，内存里还没数据，怎么启动的？就是在ROM上用于操作系统的固化。

3.串行访问存储器：对存储单元进行读/写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻址。
包括顺序存取存储器（如磁带（比如听歌，想听那一部分都要快进，也就是要遍历之前的））和直接存取存储器（如磁盘（先定位在某个磁道上，在查找））。
顺序存取存储器的内容只能按照某种顺序存取，存取时间的长短与信息在载体上的物理位置有关。
特点是存取速度慢。
直接存取存储器存取信息时通常先寻找整个存储器中的某个小区域，再在小区域内顺序查找。

按信息的可保存性分类：
断电后，存储信息即消失的存储器，称为易失性存储器，如RAM。
断电后信息仍保持的存储器，称为非易失性存储器，如ROM。（主板上固化的那段程序）
几个概念：破坏性读出：某个存储单元所存储的信息被读出时，原存储信息将被破坏。
非破坏性读出：读出时，被读单元原存储信息不被破坏。
破坏性读出性能的存储器：每次读出操作后必须紧接一个再生的操作。（否则数据就没有了呀！）

按存储介质分类：
可分为，磁表面存储器（磁盘、磁带），
磁芯存储器半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）
光存储器（光盘）

存储器的3个主要性能指标：存储容量、单位成本、存储速度。
1.存储容量： = 存储字数 * 字长（如1M * 8位）
存储字数表示存储器的地址空间大小，字长表示一次存取操作的数据量。
2.单位成本：每位价格 = 总成本 / 总容量。
3.存取速度：数据传输率 = 数据的宽度 / 存储周期。
存取时间（T+小a）：存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
分为读出时间和写入时间。
读出时间是从存储器接收到有效地址开始，到产生有效输出所需的全部时间。
存取周期（T+小m）：存取周期又称为读写周期或访问周期。连续2次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。
主存带宽（B+小m）：主存带宽又称数据传输率或带宽，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒，字节/秒（B/s）或位/秒（b/s）。

知识点4 ：半导体存储器

半导体存储芯片内集成有存储矩阵（存储体）、译码驱动电路、读写电路等。
1.存储矩阵：有大量相同的位存储单元阵列构成。

2.译码驱动：将来自地址总线的地址信号翻译成对应存储单元的选通信号，该信号在读写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作
（首先要做地址译码）

3.读写电路：包括读出放大器和写入电路，用来完成读/写操作。
4.读/写控制线：决定芯片进行读/写操作。
5.片选线：确定哪个存储芯片被选中。
6.地址线：是单向输入的，其位数与存储字的个数有关。（只能写入）
7.数据线：是双向的，其位数与读出或写入的数据位数有关。（可以读，也可以写）

SRAM存储器的工作原理：
通常把存放一个二进制位的物理器件称为存储元，它是存储器的最基本构造。
地址码相同的多个存储元构成一个存储单元。（也就是说，一个存储单元内的存储元的地址码是相同的）
若干个存储单元的集合构成存储体。
静态随机存储器的存储元是用双稳态触发器来记忆信息的，
因此即使信息被读出后，他仍保持其原状态而不需要再生（非破坏性读出）。
电源被切断，原来的保存信息便会丢失，故它属于易失性半导体存储器。
SRAM的存取速度块，但集成度低，功耗较大。

DRAM存储器的工作原理：
动态随机存储器（DRAM）是利用存储元电路中栅极电容上的电荷来存储信息的
DRAM 采用地址复用技术，地址线是原来的1/2，且地址信号分行、列两次传送。
DRAM 具有容易集成、位价低、容量大、功耗低等优点，但是，存取速度比 SRAM 要慢。
DRAM 电容上的电荷一般只能维持 1~2ms，因此，即使电源不断电，信息也会自动消失。
每个一定时间必须刷新，通常取2ms，这个时间称为刷新周期。（因为电荷要漂移啊，这样数据就不对了，所以要刷新）

集中刷新:
指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行逐一再生，再此期间停止对存储器的读写操作，称为“死时间”，又称为访存“死去”。
集中刷新的优点是读写操作时不受刷新工作的影响，因此系统的存取速度比较高；
缺点是在集中刷新期间（死区）不能访问存储器。

分散刷新：
把对每一行的刷新分散到各个工作周期中去。
这样，一个存储器的系统工作分为2部分：前半部分用于正常读、写或保持；
后半部分用于刷新某一行。
这种刷新方式增加了系统的存取周期，如存储芯片的存取周期为0.5μs，则系统的存取周期应为1μs。
分散刷新的优点是没有死区；
缺点是加长了系统的存取周期，降低了整机的速度。

折中下，异步刷新：…
异步刷新是前2种方法的结合，它既可缩短“死时间”，又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点。
具体做法是：将刷新周期除以行数，得到两次刷新操作之间的时间间隔t，利用逻辑电路每隔时间t产生一次刷新请求。
这样可以避免使CPU连续等待过长时间，而且减少了刷新次数，从根本上提高了整机的工作效率。
如果将刷新安排在不需要访问存储器的译码阶段，则即不会加长存取周期，也不会产生“死时间”，这是分散刷新方式的发展，也称作“透明刷新”。

DRAM注意：
刷新对CPU是透明的，即刷新不依赖于外部的访问。
刷新单位是行，故刷新操作时仅需要行地址。
刷新操作类似于读操作，但又有所不同。刷新操作仅是给栅极电容补充电荷，不需要信息输出。
刷新时不需要选片，即整个存储器中所有芯片同时被刷新。

RAM芯片的读周期时序：
…看不懂啊！！！！！

只读存储器（ROM）的特点
1.结构简单，所以位密度比可读写存储器高。
2.具有非易失性，所以可靠性高。
根据制造工艺 ROM可以分为:（了解就好）
1.掩膜式只读存储器
MROM 的内容由半导体制造厂按照用户提出的要求在芯片的生产过程中直接写入，写入以后无法改变其内容。
优点是可靠性高，集成度高，价格便宜；
缺点是灵活性差。
2.一次可编程只读存储器
PROM 是可以实现一次编程的只读存储器。允许用户利用专门的设备（编程器）写入。自己一旦写入后，内容就无法改变。
3.可擦除可编程只读存储器
EPROM 不仅可以由用户利用编程器写入信息，而且可以对其内容进行多次改写。
4.闪速存储器（Flash Memory）（“U盘”）
特点是即可在不加电长期保存信息，又能在线进行快速擦除与重写。
5.固态硬盘（Solid State Drives， SSD）
用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，长期保存信息，快速擦除与重写。