计算机组成原理（郑秋梅）第一章绪论

本课由：中国石油大学（华东） 郑秋梅老师授、

写在前面：本课主要从两个角度讲授–计算机组成角度和信息流角度
组成角度：普遍的计算机是冯诺依曼机器，由输入、输出、存储、控制、运算5个部分组成。每一部分的组成和原理、各部分之间的关系、整机如何工作将在后续慢慢扣字
信息流角度：计算机中只有两类信息在流动–数据流和控制流，数据流包含着指令和数据，计算机各部件如何协调一致？是控制器发出的控制信息在起作用（控制流），（至于地址现在还没学明白，学明白再写）

第一章 绪论

1.计算机发展简史

1.电子模拟计算机与电子数字计算机：前者使用连续变化的物理量如温度、电流，后者的数字量是离散的，我们学的是电子数字计算机（好像应该写在分类里），微机是计算机的子集，计算机原理讲共性的东西，微机原理是讲个性的东西

2.ENIAC于1946.2.15研制成功-第一台电子数字计算机

3.祖师爷：冯诺依曼（Von Neuman）–他提出了存储程序工作原理，根据这个原理确定了冯诺依慢计算机的基本结构，这个原理和结构一直沿用到现在

4.计算机代际变迁：

代际	存储和其他特点
第一代电子管	（水银延迟线\磁鼓存储，无高级语言）
第二代晶体管	（磁芯存储，磁带\磁盘做辅存，出现高级语言Fortran、Cobol等）
第三代集成电路	（半导体存储，出现Cache、操作系统、虚拟机等技术）
Now第四代大规模超大规模集成电路	（集成度更高的半导体存储，操作系统、网络、多媒体、人工智能等完善发展）

5.发展方向
巨型化（速度高功能强）、微型化（开拓应用领域）、网络化（共享数据资源）、智能化（人工智能）、多媒体化（媒体交互）

2.分类及特点

1.分类

我们常用的是通用机，专用机
中小微，按照计算机的性能指标区分的而不是体积，没准小型机过几年就成了微型机了

2.特点
（1）运算速度快 高速的电子元器件+先进的运算技巧
（2）运算精度高
（3）记忆和逻辑判断能力强
（4）通用性强
（5）自动连续运算（电子计算机区别于其他计算工具最本质的特点） —存储程序原理赋予了计算机这种特点

3.基本结构

1.计算机系统包括硬件系统和软件系统（基本结构属于硬件这块）

2.一些概念写在前面，作为铺路
（1）指令： 人给计算机发的命令，格式为 ： 操作码+地址码（OP+D）操作码告诉计算机执行什么操作，地址码告诉计算机到哪里找操作数。
//操作码n位就可以有pow（2，n）种操作—即2的n次方，地址码位数越多操作数可存放位置就越多（空教室越多排课也就越方便），这两个都是越多越好就存在一种制衡，如何制衡在第四章指令系统中会详细讲
（2）程序：指令的有序集合
（3）指令系统：一台机器所拥有的\所能执行全部指令（现在一台机器也就几百条）
（老师的理解）CPU指令集的集合就是该机器的指令系统，换一个U可能指令系统就变了,扔一张我的CPU-Z
（4）先插一个程序计数器PC（Program Counter），PC就是一个程序计数器（控制器中有PC），该寄存器具有自动++、- -的功能（也可以+=2，-=2），以完成自动取指令等操作
（5）ACC（Accumulator）累加器专门用来存放操作数或者运算结果
（6）IR（Instruction Register）指令寄存器，用于存放指令
（7）ID（Instruction Decoder）操作码译码器，用于译码指令中的操作码
（8）停机指令没有地址码，只有操作码

3.基本结构
数据经输入设备存入存储器，控制器中的程序计数器（PC）拿第一条指令的地址去存储器取指令（请注意存储器和控制器之间的箭头），取出来后放到控制器的指令寄存器（IR）中，PC自动+1（准备取下一条指令），指令中的操作码（OP）经过控制器中的操作码译码器（ID）进行分析
假设分析到是一条取数指令，那么控制器会走红线（控制流）控制存储器取数，控制运算器准备计算，然后把数据从存储器取到运算器（存储器指向运算器的数据箭头），算完后返回结果·

三个核心：
（1）对于计算机硬件来讲，控制器是核心（说CPU也没错，因为控制器和运算器就是CPU）
（2）对于运算器来讲，核心就是加法器（ALU）
（3）操作系统是计算机系统的核心，因为它管理硬件和软件

三个字长
（1）计算机性能指标中的字长：机器字长
（2）控制器中IR存的指令的字长：指令字长
（3）存储器存放的数据：存储字长（如存储字长是8位，指令字长是16位，则需要两个存储单元来存一个指令）

4.程序的简单执行过程

5.执行过程可以简单理解为：取指令、分析指令、执行指令，然后再取下一条指令，取指令用PC取出来放到控制器的指令寄存器（IR）中，分析指令用到控制器的操作码译码器

具体看博客https://www.cnblogs.com/fengliu-/p/9269387.html

5.总线技术

能大概清楚总线就是连接很多村的窄路就可，总线串起了计算机的部件（发发信息，传传数据啥的），其他的等到总线章节再敲

6.计算机的多层次结构

1.采用虚拟存储可以提升容量，但不能提高主存的速度
2.能运行高级语言的机器都是虚拟机
3. 关于计算机的分层体系结构（分层虚拟）可查阅如下博客，不错https://www.cnblogs.com/feng9exe/p/8196109.html

7.主要性能指标

1.机器字长
2.主存容量
（1）字节数：如1G
（2）字数字长 比如主存有641024个字单元，每个单元为16位，则表示为64K16位
1P=1024T=10241024G=102410241024M=1024102410241024K
3.运算速度：有多种描述方式
（1）每秒平均执行的指令条数
<1>每秒执行加法指令的次数：早期方法
<2>单位时间内执行指令的平均条数：现在普遍方法
MIPS=指令条数/执行时间pow(10,6) —MIPS每秒百万条指令，适用于衡量标量机的性能
MFLOPS=浮点操作次数/执行时间pow(10,6) —MFLOPS每秒百万次浮点运算，适用于衡量向量机的性能
（2）CPU主频或CPI
<1>主频：主频并不是决定速度的唯一指标，只是一般规律
<2>CPI：执行每一条指令所需的时钟周期数（主频的倒数）
平均每条指令的执行时间=时钟周期CPI=CPI/时钟频率
平均运算速度=时钟频率/CPI*pow(10,6) (MIPS)
4.CPU时间5.响应时间6.吞吐量
这部分不是很重要，了解一下就行

8.本章重点（F&Q）

1.明白三个字长和三个核心（写在基本结构中了）
2.如何确定一条指令中的操作码和地址码？
指令的操作码和地址码在设计的时候就已经确定好了，加法操作几位操作码几位地址码，都是事先设计好的
3.控制器按什么顺序执行指令？如何寻找下一条指令地址？寻址是由哪部分操作的？
按照指令的存放顺序执行，利用PC（PC自动+1）来寻找下一条指令地址，有很多种寻址方式，应该放在第四章详细展开
4.正在执行的指令和未执行的指令分别存在哪里？
执行的指令放在IR（指令寄存器）中，其中操作码由ID进行分析，未执行的指令还在存储器中，通俗一点可以说正在执行的指令放在内存里
5.存储器不仅能存数据也能放指令，形式上二者没有区别，计算机是如何区分的？（控制器那一章会将）
方式一：通过不同时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取值微指令）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。
方式二：通过地址来源区分，由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。
6.同样一个功能，硬件实现和软件实现有什么不一样？
硬件速度快，软件实现慢；硬件成本高，软件成本低
7.冯诺依曼机真的无法满足并行处理的要求吗？
不，理论上是无法并行，但现在有向量、流水（线）技术等并行处理技术
8.指令寄存器寄存的是：正在执行的指令
9.通常划分计算机发展时代是以：所用电子器件 为标准
10.冯·诺依曼计算机结构的核心思想是：存储程序控制原理
11.冯诺依曼计算机主机构成是：CPU和内存储器
12.控制器包括程序计数器、地址寄存器、指令译码器，没有地址译码器（地址译码器在存储器）