计算机体系结构

前言

计算机体系结构指软、硬件的系统结构 ，有两方面的含义：它包括机器内的数据表示、寻址方式以及对这些数据的运算和控制这些运算的执行等(即指令系统)看成是一台计算机的逻辑组成中最基本的软件。计算机运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等主要功能部件的相互连接和相互作用，借以实现机器指令级的各种功能和特性。从最基本的功能和作用原理来说，计算机是在控制器的全面控制下，接收经数字化编码的输入信息（程序和数据），把它存放在存储器中，根据程序的要求对数据进行快速运算，产生结果数据输出。因此，可以把运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备看成是一台计算机的逻辑组成中最基本的硬件。

一. 物理（电子的运动）

如果问大家CPU的原料是什么，大家可能都会轻而易举的给出答案—是硅，准确的来说是单晶硅，硅（Silicon,Si）是第Ⅳ族元素，因此其化合价外层有4个电子，并与4个相邻元素紧密连接，形成晶格（lattice）。在上古时代，世界上第一个和第一个商用的双极结型晶体管都是用锗做的。摩托罗拉是当时第一家使用晶体管来制造收音机的厂商。但是好景不长，摩托罗拉收到了大量用户投诉，说他们发现摩托罗拉的车载收音机在午后的阳光下曝晒一个下午后，就不再工作了。因为锗在受热之后会变成本征态，这使得nMOS晶体管和pMOS晶体管都失去了他们特有的性质，结果双极结型晶体管不能再工作了。而硅可以经受更高温度的考验，具有更好的热稳定性，并且有着和钻石一样棒的晶体结构，这赋予了硅极好的稳定性和强度。电子的运动不只是在CPU里面进行，一开机TA就在所有通电的硬件里运动着，电源的电经由主板上电阻、电容等元器件的控制变成微弱的电流在适合TA运动的二级管里运动。

• 二进制
• 逻辑门（）

二.器件（晶体管、二极管）

1. 晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等（晶体管有时多指晶体三极管）。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关（如Relay、switch）不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

2. 二极管（Diode）是一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。

3. 高速缓存

4. 虚拟存储器

5. 嵌入式I/O

6. PC I/O

三.模拟电路（放大器、滤波器）

四.数字电路（逻辑门与、或、非）

五.逻辑（加法器、存储器）

六.微体系结构（数据路径控制器）

1.单周期处理
2.多周期处理
3.流水线处理
4.硬件描述语言表示
5.高级微体系结构
6.x86微体系结构

七.体系结构（指令寄存器）

体系结构是程序员所见到的计算机，它由指令集（汇编语言）和操作数地址（operand location）（寄存器和存储器）来定义。如x86、MIPS、SPARC、PowerPC等。

理解计算机体系结构的第一步是学习它的语言。计算机语言中的单词叫做指令（instruction），词汇表叫做指令集（instruction set），在同一台计算机上运行的所有程序使用相同的指令集。即使是非常复杂的软件应用（如webstorm、myeclipse等）最终都会被编译为一系列诸如加法、减法或跳转的简单指令,计算机指令包含需要完成的操作和要使用的操作数，如MIPS汇编代码：add a, b, c用高级语言表示就是a=b+c;
1.汇编语言

因为计算机用电路的通断处理信息，所以计算机硬件只能理解二进制信息，指令也会被编码为二进制，这样微处理器才可以读取并执行指令需要完成的操作，但是变成了二进制我们人去阅读就会很枯燥并且麻烦，所以就用符号格式来表示指令，称为汇编语言（assembly language），所以汇编语言是计算机机器语言的人类可阅读表示，每条汇编语言指令都指明了需要完成的操作和操作所处理的操作数，操作数可以存放在寄存器或者存储器中，也可以作为常数存储在指令自身当中，访问寄存器和指令自身的操作数会很快。

汇编语言是一种用于电子计算机、微处理器、微控制器或其他可编程器件的低级语言，亦称为符号语言。在汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址。在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。普遍地说，特定的汇编语言和特定的机器语言指令集是一一对应的,不同平台之间不可直接移植。

许多汇编程序为程序开发、汇编控制、辅助调试提供了额外的支持机制。有的汇编语言编程工具经常会提供宏，它们也被称为宏汇编器。

汇编语言不像其他大多数的程序设计语言一样被广泛用于程序设计。在今天的实际应用中，它通常被应用在底层，硬件操作和高要求的程序优化的场合。驱动程序、嵌入式操作系统和实时运行程序都需要汇编语言。

2. 机器语言
3. 编程
4. 寻址方式
5. 编译、汇编和装入
6. x86结构

八.操作系统（设备驱动程序）

九.应用软件（程序 “hello world”）