计算机组成原理自学笔记（一）

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先给B站站个台？
也许是行业特性，不管是主动还是被动，码农总归是要学习的，就算你不学习，各大机构公众号也会制造各种焦虑让你去学习。作为底层群众能从事的职业，抛开其他因素，只看薪资的话，不管是入门起薪还是行业平准薪资都算不错了，从而导致很多人都投入到IT行业成为一名码农。就如同那个淘金的故事，众人都蜂拥投入到淘金大军中，最后这些淘金大军有没有淘到金子发家致富不知道，但是摆渡众人去对岸金矿的船夫是挣钱了。类比一下，各大培训机构和技术公众号一边鼓吹大厂高薪，一边面试碾压，一边技术迭代，一边中年危机，着实让人焦虑。不过也有一些好处，可能是竞争比较激烈，也有不少机构或者个人通过B站发布一些参杂推销的技术视频进行推广，加上B站对技术学习板块的一些扶持，从而B站上也有了一些质量不错的学习资料。同样作为转行过来的码农，貌似自然而然的站在技术鄙视链的底端，可能这是实力不够导致的自卑心理，但无论如何，欠下的基础还是应该要补的。目前的计划是先把计算机组成原理，操作系统，网络，算法这几块先补上，刚好这些在B站上找到了一些大学的mooc视频，希望我学完之前这些视频都还在。

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引言

之所以要开始还基础的债，主要还是在了解一些知识点时经常就涉及到基础的知识。比如之前在看NIO相关的内容时说到DMA（直接存储器访问）等等基础知识，当时忍了忍就囫囵吞枣就这么过去了；接下来想着好好学学多线程，发现有什么缓存行对齐、锁总线等等奇奇怪怪的知识点时，实在时忍不住了，决定还是先把基础知识补一补。学习的确是枯燥的，进度也是不容乐观，加上基本上全是理论性的内容，听的时候可能明白，稍微过几天可能就没什么印象了，所以就有了这个系列的博文（希望是个完整的系列）。

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最好的总结大概就是画图了，一目了然，所以大概率博客就是由图片构成的。

层次结构

冯诺依曼计算机特点

硬件框图:

运算器：

加法指令模拟：

控制器:

存储器

• 存储体
  • 存储单元
    • 存储元件

存储体（火车） — 存储单元（车厢） — 存储元件（床位）
存储单元：存放一串二进制代码
存储字： 存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
每个存储单元赋予一个地址，一个存储单元中存储一个单元字
MAR： 存储器地址寄存器，反映存储单元的个数
MDR： 存储器数据寄存器，反映存储字长

存数指令的执行过程

程序运行过程
1.程序通过输入设备送至计算机
2.程序首地址 —> PC
3.启动程序
4.取指令：
PC —> MAR —> M —> MDR --> IR
(PC + 1) —> PC
5.分析指令：
OP(IR) —> CU (OP：指令中的操作码部分)
6.执行指令：
AD(IR) —> MAR —> M —> MDR —> ACC (AD：指令的地址码部分)
…

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以上是基本的硬件认识，抛开CPU内的运算器/控制器，各硬件部件间连接的总线，其实整个大组成结构算是基本常识。总体而言硬件系统包含三个大的部分：
主机：CPU（运算器+控制器）、内存
外设：输入设备、输出设备、外存储器
总线：地址线、数据线、控制线

• 衡量机器的指标

  • 非时间指标
    + 机器字长：机器一次能处理的二进制位数，由加法器、寄存器的位数决定，越长表示范围越大、精度越高。（机器字长与寄存器位数相等）
    + 总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息位数
    + 主存容量：
    + 存储带宽：单位时间内与主存交换的二进制信息量B/s（字节每秒）。影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率。

  • 时间指标
    +主频（f）：CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号震荡的速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系
    +时钟周期（T）：节拍周期/震荡周期（时钟晶振频率的倒数，晶振为12M，则时钟周期为1/12us），计算机中最基本的、最小的时间单位；在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作;
    +外频：CPU与主板之间同步的时间频率
    +倍频：CPU主频与外频之间的倍数
    +CPI：clock cycles per instruction 一条指令需要的时钟周期数（即时钟周期的个数）
    +IPC：instruction per clock 每个时钟周期内执行的指令条数（并行）
    +MIPS：million instruction pre second 每秒钟CPU能执行的指令总条数（百万条/秒）
    +CPU时间：执行一段程序所需的时间=CPU时间 + I/O时间 + 存储访问时间 + 各类排队延时等；
    备注：
    机器周期：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。
    指令周期：指令周期是指取出并完成一条指令所需的时间，一般由若干个机器周期组成，分为单周期指令，双周期指令和多周期指令。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。
    参考[http://www.51hei.com/bbs/dpj-154301-1.html]
    CPU时间片：CPU分给每个进程的时间
    CPU周期：读取一个指令节所需的时间
    参考https://www.cnblogs.com/yzjT-mac/p/6054457.html
    （墙上）时钟时间：程序从开始执行到结束的总时间（时钟走过的时间）
    用户CPU时间：CPU在用户态执行的时间
    系统CPU时间：CPU在内核态执行的时间
    参考[https://www.shuzhiduo.com/A/MAzAnkEqJ9/]

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第一章是计算机组成的一个总的架构，差不多看完视频时我随手留的笔记也就这么多。当我整理的时候发现知识点有些不连贯，应该遗漏了些什么，不过也不要紧，也没指望这一次全搞定，先系统的过一遍，细节和遗漏的地方后面再慢慢找补吧。