Computer Science - An Overview - 2. Data Manipulation

2.1 Computer Architecture

• CPU和Main Memory

  
  
  

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• 执行x+y=z：从memory中读x，放入reg1；从memory中读y，放入reg2；启动加法，以reg, reg2为输入，输出到reg3；向memory的z中写入reg3；终止。

• memory级别：CPU中的寄存器 -> CPU中的cache -> main memory -> mass storage

2.2 Machine Language

The Instruction Repertoire

• 两类CPU

  • RISC(Reduced Instruction Set Computer)：使用精简指令集，例如PowerPC处理器（Apple、IBM、Motorola联合出品）
  • CISC(Complex Instruction Set Computer)：使用复杂指令集，例如Intel处理器
  • ARM(Advanced RISC)：低功耗的RISC，例如Qualcomm、Texas Instructions出品的处理器

• 三类指令

  • 数据转移（实际是拷贝）：LOAD（从memory到寄存器），STORE（从寄存器到memory）
  • 数值/逻辑：ROTATE（循环移位）
  • 控制：JUMP, BRANCH, STOP

An Illustrative Machine Language

• 指令包括：Op-code（指令名称）+ Operand（指令的“参数”），长度为2字节。

  
  
  

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• 程序由一个接一个的2字节指令构成

2.3 Program Execution

• 程序存储在memory中，其中的指令被拷贝到CPU中，之后执行
• 两个特殊寄存器保证程序运行：
  • instruction register：存储当前执行的指令
  • program counter：存储下一条指令的地址
• machine cycles三步骤：
  • fetch：根据program counter地址从memory中载入指令，放入instruction register；program counter增2字节
  • decode：根据instruction register中指令的op-code进行解读
  • execute：激活电路执行指令

An Example of Program Execution

Programs Versus Data

2.4 Arithmetic/Logic Instructions

Logic Operations

• AND：1保留，0置零；OR：0保留，1置一；XOR：1翻转，0保留。

Rotation and Shift Operations

Arithmetic Operations

• 浮点型做加法，要先移位对齐

2.5 Communicating with Other Devices

The Role of Controllers

• 把CPU的指令转化成外设（键盘、显示器、光驱）能理解的格式
• 自己有memroy，有的就是一台小电脑
• 外设有不同通信标准，例如USB、 FireWire、SATA

Direct Memory Access

• controller可以自己访问main memory
• 例：CPU发指令“从硬盘中载入数据到主存”->硬盘的controller读数据->硬盘的controller写数据到主存

Handshaking

• 计算机和外设之间要交换信息，沟通设备状态，协调行动

Popular Communication Media

• 并行通讯：总线
• 串行通讯：USB, FireWire，modem

Communication Rates

• 传统电话：57.6 Kbps
• 播放MP3：64 Kbps
• 播放低清视频：若干 Mbps
• USB, FireWire：几百 Mbps

2.6 Programming Data Manipulation

python编程基础

2.7 Other Architectures

Pipelining

• 允许machine cycle的步骤相互重叠：执行第1条指令，读取第2条指令

Multiprocessor Machines

• 多个processor，连接到一个main memory上
• SIMD（Single Instruction, Multiple Data）：相同指令，执行在不同数据上
• MIMD（Multiple Instruction, Multiple Data）：不同指令，执行在不同数据上