計(jì)算機(jī)組成原理

概述篇

計(jì)算機(jī)發(fā)展的四個(gè)階段

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• 電子管計(jì)算機(jī)

  
  
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- 集成度小减宣，空間占用大
- 功耗高芜赌，運(yùn)行速度慢
- 操作復(fù)雜屯耸，更換程序需要接線

• 晶體管計(jì)算機(jī)

貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家發(fā)現(xiàn)晶體管

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- 集成度相對(duì)較高颜屠，空間占用相對(duì)小
- 功耗相對(duì)低统舀，運(yùn)行速度較快
- 操作相對(duì)簡單，交互更加方便

• 集成電路(IC)計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)具備了進(jìn)入千家萬戶的條件

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該階段出現(xiàn)操作系統(tǒng)的雛形，IBM推出的System/360

• 超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

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- 一個(gè)芯片集成了上百萬的晶體管
- 速度更快，體積更小帮孔，價(jià)格更低
- 用途豐富：文本處理，表格處理不撑，高交互游戲

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

微型計(jì)算機(jī)從第三階段開始

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計(jì)算機(jī)的分類

• 超級(jí)計(jì)算機(jī)
  • 功能最強(qiáng)文兢，運(yùn)算速度最快，存儲(chǔ)容量最大的計(jì)算機(jī)
  • 多用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究
  • 單位是TFlop/s（每秒一萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算）
• 大型計(jì)算機(jī)
  • 具有高性能焕檬，可處理大量數(shù)據(jù)與復(fù)雜的運(yùn)算
  • 在大型機(jī)市場領(lǐng)域禽作，IBM占據(jù)著很大的份額
  • COBOL編程語言(大型機(jī)中的編程語言，但不是絕對(duì))
• 迷你計(jì)算機(jī)
  • 也稱小型機(jī)揩页，普通服務(wù)器
  • 不需要特殊的空調(diào)場所
  • 具備不錯(cuò)的算力，可以完成較復(fù)雜的運(yùn)算
• 工作站
  • 高端的通用型微型計(jì)算機(jī)烹俗，提供比個(gè)人計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的性能
  • 類似于普通臺(tái)式電腦爆侣，體積較大，但性能強(qiáng)勁
• 個(gè)人計(jì)算機(jī)/微機(jī)/微型計(jì)算機(jī)
  • 本質(zhì)上講幢妄，個(gè)人計(jì)算機(jī)與前面的分類無異

馮諾依曼體系

將程序指令和數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)

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- 必須有一個(gè)存儲(chǔ)器
- 必須有一個(gè)控制器
- 必須有一個(gè)運(yùn)算器
- 必須有輸入設(shè)備
- 必須有輸出設(shè)備

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是馮諾依曼機(jī)

• 特點(diǎn)
  • 能夠把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)中
  • 能夠長期記憶程序兔仰，數(shù)據(jù)，中間結(jié)果以及最終運(yùn)算結(jié)果的能力
  • 能偶具備算術(shù)蕉鸳，邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力
  • 能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶

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• 馮諾依曼瓶頸

如圖九可知乎赴，CPU和存儲(chǔ)器是分開的，這樣會(huì)導(dǎo)致一些問題潮尝；例如：馮諾依曼瓶頸榕吼，
CPU和存儲(chǔ)器速率之間的問題無法調(diào)和，cpu經(jīng)趁闶В空轉(zhuǎn)等待數(shù)據(jù)傳輸

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)以存儲(chǔ)器為核心的結(jié)構(gòu)

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• 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改
• 主要為了解決CPU與存儲(chǔ)設(shè)備之間的性能差異問題

存儲(chǔ)器廣義上說羹蚣，包含磁帶，硬盤等能存儲(chǔ)信息的設(shè)備乱凿，但是此次只針對(duì)圍繞CPU的更高速的設(shè)備(CPU寄存器顽素，內(nèi)存等)

程序翻譯與解釋

• 程序翻譯

例如：C/C++ OC

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• 程序解釋

例如：js php python

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- 計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令都是L0
- 翻譯過程生成新的L0程序，解釋過程不生成新的L0程序
- 解釋過程由L0編寫的解釋器去解釋L1程序

• 翻譯加解析

例如：java和C#

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計(jì)算機(jī)的層次與編程語言

• 實(shí)際機(jī)器
  • 硬件邏輯層
    • 門徒蟆，觸發(fā)器等邏輯電路組成
    • 屬于電子工程的領(lǐng)域
  • 微程序機(jī)器層
    • 編程語言是微指令集
    • 微指令所組成的微程序直接交由硬件執(zhí)行
  • 傳統(tǒng)機(jī)器層
    • 編程語言是CPU指令集(機(jī)器指令)
    • 編程語言和硬件直接相關(guān)
    • 不同架構(gòu)的CPU使用不同的CPU指令集
    • 一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序
    • 一個(gè)微程序?qū)?yīng)一組微指令
• 虛擬機(jī)器
  • 系統(tǒng)軟件
    • 操作系統(tǒng)層
      • 向上提供了簡易的操作界面
      • 向下對(duì)接了指令系統(tǒng)胁出，管理硬件資源
      • 操作系統(tǒng)是位于軟件和硬件之間的適配系統(tǒng)
    • 匯編語言層
      • 編程語言是匯編語言
      • 匯編語言可以翻譯成可直接執(zhí)行的機(jī)器語言
      • 完成翻譯的過程的程序就是匯編器
    • 高級(jí)語言層
      • 顧名思義，java段审，python全蝶，c等
  • 應(yīng)用軟件
    • 應(yīng)用層
      • word,qq等

計(jì)算機(jī)的單位

• 容量單位

  
  
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• 速度單位
  • 網(wǎng)絡(luò)速度
    • 100M/S=100Mbps=100Mbit/s
    • 100Mbit/s=(100/8)MB/s=12.5MB/s
    • 存在字節(jié)到比特位的轉(zhuǎn)換關(guān)系
  • CPU頻率
    • CPU的速度一般體現(xiàn)為CPU的時(shí)鐘頻率
    • CPU的時(shí)鐘頻率的單位一般是赫茲(Hz)

    • Hz其實(shí)就是秒分之一(每秒鐘的周期性變動(dòng)重復(fù)次數(shù)的計(jì)量)

      
      
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編碼補(bǔ)充

• Unicode：統(tǒng)一碼，萬國碼，單一碼
• Unicode定義了世界通用的符號(hào)集裸诽，UTF-*實(shí)現(xiàn)了編碼
• UTF-8以字節(jié)為單位對(duì)Unicode進(jìn)行編碼
• Unicode兼容全球

組成篇

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計(jì)算機(jī)的總線和IO設(shè)備

總線

解決不同設(shè)備之間的通信問題

• 總線概述
  • 提供了對(duì)外連接的接口
  • 不同設(shè)備可以通過USB(通用串行總線)接口進(jìn)行連接
  • 連接的標(biāo)準(zhǔn)嫂用，促使外圍設(shè)別接口的統(tǒng)一
• 常見總線
  • USB
  • PCI總線
  • ISA總線
  • Thunderbolt總線
• 總線分類
  • 片內(nèi)總線
    • 芯片內(nèi)部總線
    • 寄存器與寄存器之間
    • 寄存器與控制器、運(yùn)算器丈冬、高速緩存嘱函、中斷系統(tǒng)之間
    • 高集成度芯片內(nèi)部的信息傳輸線
  • 系統(tǒng)總線(CPU、主內(nèi)存埂蕊、IO設(shè)備往弓、各組件之間的信息傳輸線)
    • 數(shù)據(jù)總線(一般與CPU位數(shù)相同，32/64位)
      • 雙向傳輸各個(gè)部件的數(shù)據(jù)信息
      • 數(shù)據(jù)總線的位數(shù)(總線寬度)是數(shù)據(jù)總線的重要參數(shù)
      • 32位代表一次可以傳輸32位4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)蓄氧，64同理
    • 地址總線(地址總線位數(shù)=n,尋址范圍：0-2的n次方)
      • 指定源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址(尋址)
      • 地址總線的位數(shù)與存儲(chǔ)單元有關(guān)
    • 控制總線
      • 控制總線是用來發(fā)出各種控制信號(hào)的傳輸線
      • 控制信號(hào)經(jīng)由控制總線從一個(gè)組件發(fā)給另外一個(gè)組件
      • 控制總線可以監(jiān)視不同組件之間的狀態(tài)(就緒/未就緒)

總線的仲裁

為了解決總線使用權(quán)的沖突問題函似，例如CPU硬盤都準(zhǔn)備好了，但是分別使用哪些總線

• 仲裁方式

  • 鏈?zhǔn)讲樵?
    • 好處：電路復(fù)雜度低喉童，仲裁方式簡單
    • 壞處：優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備難以獲得總線使用權(quán)(都申請(qǐng)的時(shí)候)
    • 壞處：對(duì)電路故障敏感
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• 計(jì)時(shí)器定時(shí)查詢

  • 仲裁控制器對(duì)設(shè)備編號(hào)并使用計(jì)數(shù)器累計(jì)計(jì)數(shù)
  • 接收到仲裁信號(hào)后撇寞，往所有設(shè)備發(fā)出計(jì)數(shù)值(累加過后的)

  • 計(jì)數(shù)值與設(shè)備編號(hào)一致則獲得總線使用權(quán)

    
    
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• 獨(dú)立請(qǐng)求

  • 每個(gè)設(shè)備均有總線獨(dú)立連接仲裁器
  • 設(shè)備科單獨(dú)向仲裁器發(fā)送請(qǐng)求和接收請(qǐng)求
  • 當(dāng)同時(shí)受到多個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，仲裁器有權(quán)按優(yōu)先級(jí)分配使用權(quán)
  • 前面兩種都是共用總線連接仲裁器
  • 好處：響應(yīng)速度快堂氯，優(yōu)先順序可動(dòng)態(tài)改變

  • 設(shè)備連接線蔑担，總線控制復(fù)雜

    
    
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IO設(shè)備

• 常見的輸入輸出設(shè)備

  • 字符輸入設(shè)備
    • 鍵盤
  • 圖形輸入設(shè)備
    • 鼠標(biāo)
    • 數(shù)位板
    • 掃描儀
  • 圖像輸出設(shè)備
    • 顯示器
    • 打印機(jī)
    • 投影儀

• 輸入輸出接口的通用設(shè)計(jì)

  • 數(shù)據(jù)線
    • IO設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳送線
    • 單向傳輸數(shù)據(jù)線
    • 雙向傳輸數(shù)據(jù)線
  • 狀態(tài)線
    • IO設(shè)備狀態(tài)向主機(jī)報(bào)告的信號(hào)線
    • 查詢設(shè)備是否已經(jīng)正常連接并就緒
    • 查詢設(shè)備是否已經(jīng)被占用
  • 命令線
    • CPU向設(shè)備發(fā)送命令的信號(hào)線
    • 發(fā)送讀寫信號(hào)
    • 發(fā)送啟動(dòng)停止信號(hào)
  • 設(shè)備選擇線
    • 主機(jī)選擇IO設(shè)備進(jìn)行操作的信號(hào)線
    • 對(duì)連接在總線上的設(shè)備進(jìn)行選擇(例如多U盤判斷)

• CPU與IO設(shè)備的通信(CPU速度和IO設(shè)備速度不一致)

  • 程序中斷

    • 當(dāng)外圍IO設(shè)備就緒時(shí)，向CPU發(fā)出中斷信號(hào)
    • CPU有專門的電路相應(yīng)中斷信號(hào)咽白，完成IO操作之后繼續(xù)進(jìn)行之前工作
    • 提供低速設(shè)備通知CPU的一種異步的方式

    • CPU可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)兼顧低速設(shè)備的響應(yīng)

      
      
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  • DMA(直接存儲(chǔ)器訪問)

    • DMA直接連接主存與IO設(shè)備
    • DMA工作時(shí)不需要CPU的參與

    • 一般硬盤和顯卡中都有DMA設(shè)備

      
      
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計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器

在CPU與主存之間增加一層速度快容量小的Cache,解決主存速度不足的問題

存儲(chǔ)器的分類

• 按照存儲(chǔ)介質(zhì)分類
  • 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器
    • 內(nèi)存
    • U盤
    • 固態(tài)硬盤
  • 磁存儲(chǔ)器
    • 磁帶
    • 磁盤
• 按照存取方式分類
  • 隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)
    • 隨機(jī)讀取
    • 與位置無關(guān)
  • 串行存儲(chǔ)器
    • 與位置有關(guān)
    • 按順序查找
  • 只讀存儲(chǔ)器(ROM)
    • BIOS
    • 只讀不寫(或者很少更改)

• 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)

  
  
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  • 緩存：CPU內(nèi)部寄存器和高速緩存

  • 主存(RAM)：一般指內(nèi)存

    • RAM通過電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)啤握，必須每隔一段時(shí)間刷新一次
    • 如果掉電，那么一段時(shí)間后將丟失所有數(shù)據(jù)

    • 和系統(tǒng)有關(guān)晶框，32位系統(tǒng)中地址總線尋址范圍(2的32次方)大約4GB

      
      
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  • 輔存：硬盤等

    • 表面是可詞話的硬磁特性材料

    • 移動(dòng)磁頭徑向運(yùn)動(dòng)讀取磁道信息

      
      
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• 輔存算法
  • 先來先服務(wù)算法
    • 會(huì)從1磁道到4磁道再到2....
  • 最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法
    • 與磁頭當(dāng)前位置有關(guān)系
    • 優(yōu)先訪問離磁頭最近的磁道
    • 4排抬，5/3因?yàn)橄噜?此處加入當(dāng)作5,3,2,1,1
  • 掃描算法(電梯算法)
    • 每次只往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)
    • 到達(dá)一個(gè)方向需要服務(wù)的盡頭再反方向移動(dòng)
    • 4，5授段，3蹲蒲，2，1/或者初始反向
  • 循環(huán)掃描算法
    • 4,5,1,1,2,3
    • 可知侵贵，假如由外向內(nèi)到5之后悠鞍，或直接回到1，在重新來模燥，相對(duì)更公平咖祭，某種程度上說只有單向移動(dòng)

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• 局部性原理
  局部性原理是指CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)，無論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)蔫骂，所訪問的存儲(chǔ)單元都趨于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域中么翰，這是層級(jí)結(jié)構(gòu)劃分的依據(jù)。例如：程序經(jīng)常訪問的內(nèi)存辽旋，只需要把這段內(nèi)存置換至緩存即可浩嫌。

• 高速緩存
  • 高速緩存的工作原理
    • 字
      • 是指存在放一個(gè)存儲(chǔ)單元中的二進(jìn)制代碼組合
      • 字的地址包含兩個(gè)部分
      • 前M位指定字塊的地址
      • 后b位指定字在字塊中的地址
    • 字塊
      • 存儲(chǔ)在連續(xù)的存儲(chǔ)單元中而被看作是一個(gè)單元的一組字

    • 字和字塊在主存和緩存都適用檐迟，只是容量大小的區(qū)分

      
      
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- 命中率是衡量緩存的重要性能指標(biāo)
- 理論上CPU每次都能從高速緩存取數(shù)據(jù)的時(shí)候码耐，命中率為1

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- 高速緩存的替換策略(`主存和高速緩存的替換`)
    - 隨機(jī)算法
    - 先進(jìn)先出算法(FIFO)
        - 把高速緩存看作是一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列
        - 優(yōu)先替換最先進(jìn)入隊(duì)列的字塊

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    - 最不經(jīng)常使用算法(LFU)
        - 優(yōu)先淘汰最不經(jīng)常使用的字塊
        - 需要額外的空間記錄字塊的使用頻率

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    - 最近最少使用算法(LRU)
        - 優(yōu)先淘汰一段時(shí)間內(nèi)沒有使用的字塊
        - 有多種實(shí)現(xiàn)方法追迟，一般使用雙向鏈表
        - 把當(dāng)前訪問節(jié)點(diǎn)置于鏈表前面(保證鏈表頭部節(jié)點(diǎn)是最近使用的)

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計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)

• 機(jī)器指令主要由兩部分組成：操作碼、地址碼
• 操作碼指明所要完成的操作
• 操作碼的位數(shù)反映了機(jī)器的操作種類
• 地址碼直接給出操作數(shù)或者操作數(shù)的地址

• 分三地址指令骚腥，二地址指令和一地址指令

  
  
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機(jī)器指令的操作類型

• 寄存器之間敦间，寄存器與存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)單元之間傳送
• 數(shù)據(jù)讀寫束铭，交換地址數(shù)據(jù)廓块，清零置一等操作
• 操作數(shù)之間的加減乘除運(yùn)算
• 操作數(shù)的與或非等邏輯運(yùn)算
• 數(shù)據(jù)左移，右移
• 完成數(shù)據(jù)在算術(shù)邏輯單元的必要操作
• 等待指令契沫，停機(jī)指令带猴，空操作指令，中斷指令

機(jī)器指令的尋址方式

• 指令尋址

  • 順序?qū)ぶ?/li>

  • 跳躍尋址

    
    
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  例如105指令就是跳躍到102執(zhí)行懈万，其實(shí)就是跳躍尋址

• 數(shù)據(jù)尋址

  • 立即尋址
    • 速度快
    • 地址碼位數(shù)限制操作數(shù)表示范圍
  • 直接尋址
    • 尋找操作數(shù)簡單
    • 地址碼位數(shù)限制操作數(shù)表示范圍
  • 間接尋址
    • 操作數(shù)尋址范圍大

    • 速度較慢

      
      
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計(jì)算機(jī)CPU

計(jì)算機(jī)的控制器

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程序計(jì)數(shù)器

• 程序計(jì)數(shù)器用來存儲(chǔ)下一條指令的地址
• 循環(huán)從程序計(jì)數(shù)器中拿出指令
• 當(dāng)指令被拿出時(shí)拴清，指向下一條指令

時(shí)序發(fā)生器

• 電氣工程領(lǐng)域，用于發(fā)送時(shí)序脈沖
• CPU依據(jù)不同的時(shí)序脈沖有節(jié)奏的進(jìn)行工作

指令譯碼器

• 指令譯碼器是控制器的主要部件之一
• 計(jì)算機(jī)指令由操作碼和地址碼組成
• 翻譯操作碼對(duì)應(yīng)的操作以及控制傳輸?shù)刂反a對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)

指令寄存器

• 指令寄存器也是控制器的主要部件之一
• 從主存或高速緩存取計(jì)算機(jī)指令

主存地址寄存器

• 保存當(dāng)前CPU正要訪問的內(nèi)存單元的地址

主存數(shù)據(jù)寄存器

• 保存當(dāng)前CPU正要讀或?qū)懙闹鞔鏀?shù)據(jù)

通用寄存器

• 用于暫時(shí)存放或傳送數(shù)據(jù)或指令
• 可保存ALU的運(yùn)算中間結(jié)果
• 容量比一般專用寄存器要大

計(jì)算器的運(yùn)算器

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數(shù)據(jù)緩沖器

• 分為輸入緩沖和輸出緩沖
• 輸入緩沖暫時(shí)存放外設(shè)送過來的數(shù)據(jù)
• 輸出緩沖暫時(shí)存放送往外設(shè)的數(shù)據(jù)

ALU

• ALU：算術(shù)邏輯單元会通，是運(yùn)算器的主要組成
• 常見的位運(yùn)算
• 算術(shù)運(yùn)算

狀態(tài)字寄存器

• 存放運(yùn)算狀態(tài)(條件碼口予、進(jìn)位、溢出渴语、結(jié)果正負(fù)等)
• 存放運(yùn)算控制信息(調(diào)試跟蹤標(biāo)記位，允許中斷位等)

通用寄存器

• 用于暫時(shí)存放或傳送數(shù)據(jù)或指令
• 可保存ALU的運(yùn)算中間結(jié)果
• 容量比一般專用寄存器要大

指令執(zhí)行過程

graph LR
取指令-->分析指令
分析指令--> 執(zhí)行指令

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如上圖可知昆咽，指令是順序執(zhí)行驾凶，控制器和計(jì)算器不能同時(shí)工作，CPU利用率低下掷酗，解決方案如下圖 CPU的流水線設(shè)計(jì)

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效率大概可以提升三倍

進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)

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如上圖可知调违，之所以產(chǎn)生補(bǔ)碼是因?yàn)?表示有歧義，例如正0負(fù)0泻轰；還有減法運(yùn)算復(fù)雜技肩；而反碼產(chǎn)生的原因是因?yàn)檠a(bǔ)碼中計(jì)算也有減法；可以直接原碼按位取反得到反碼浮声，然后+1得到補(bǔ)碼虚婿，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的都是補(bǔ)碼。

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