计算机组成原理

参考pdf 《computer basic》

CPU

• 英文名： Central Processing Unit

• sysctl machdep.cpu.brand_string可查看CPU型号

• 执行过程：
  （1）提取：从RAM（Random Access Memory随机存取存储器/主存）取指令。RAM速度很快，通常作为临时存储介质。
  （2）解码
  （3）执行

• 组成：控制单元和算术逻辑单元ALU
  ALU：处理算数和逻辑运算
  从功能来看，包括：控制器、运算器、时钟、寄存器 四部分

• 内存
  每个字节都有一个地址编号

• 寄存器

  
  
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其中：
程序计数器（Program Counter）：用于存放下一条指令所在的单元的地址，所以它控制着程序的流程/

指令寄存器：存储正在被运行的指令，供CPU内部使用，程序员无法读写

栈寄存器：存储栈区域的起始位置

标志寄存器：保存某个分支判断的值/溢出检查、奇偶校验
补充：程序的比较运算，其实是在CPU内部做减法运算

通过地址和索引实现数组
需要用到基址寄存器和变址寄存器

• CPU指令执行过程
  五个阶段（冯诺伊曼）：取指令、指令译码、执行指令、访问取数、结果写回

内存

分为三种：
随机存储器RAM，停电信息会丢失
只读存储器ROM，停电信息不会丢失
高速缓存Cache

内存IC：

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RD读取，WR写数据

• 内存中数据存储
  数据还有数据类型，需要占用特定大小的内存
  数组是内存的实现

• 队列有循环队列，有环形队列

• 二进制
  1字节 = 8bit
  移位运算：左移代表*2。表示负数：首位符号为1。在表示负数时要用补数来表示。（补数就是用正数来表示的负数）
  求补数的方法：原始数值取反，+1

• 右移
  逻辑右移：最高位补0
  算数右移：填充原来的符号值

• 符号扩展
  不管是正数还是负数，只需要用原来的符号位填充高位即可。

压缩算法

文件是以字节为单位来存储的

• RLE算法（Run Length Encoding 行程长度编码）
  存储的时候，一个英文是一个半角字符，用一个字节来存储。
  把文件内容用 数据 * 重复次数 来表示的方法，只有对连续的字符才会进行压缩

• 哈夫曼算法

磁盘

• 与内存的区别：内存通过电流实现存储，磁盘通过磁记录技术 来实现的。所以断电之后，内存中的数据不能保留，但是磁盘中的可以。

• 以前程序的运行是通过改变计算机的布线来读写指令的

• 磁盘缓存
  为了读取相同的磁盘内容时，可以提高速率。
  磁盘缓存是内存的一部分。

• 虚拟内存
  本质：把磁盘的一部分作为假想内存来使用。它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存，在需要运行时将虚拟内存与内存置换。
  为了解决程序过大造成内存空间耗尽的问题
  在Windows中是PAGEFILE.SYS页面
  置换分为：分页式(windows)和分段式
  分页式：Windows中页的大小为4KB
  虚拟内存使用的文件是页文件

• 使程序大小更优化
  DLL：动态链接库
  _stdcall：标准调用。dll中函数的调用大多都是stdcall，C语言程序默认都不是_stdcall，而是C调用。因为函数传入参数（的个数）是可变的，导致无法清理栈空间。
  C 与Java的区别是 C需要人为控制释放内存空间
  默认函数的清除操作是在调用的一方
  C语言中，函数的返回值是通过寄存器来传递的，而不是通过栈
  

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  _stdcall为反复调用方法，执行栈清理的开销比较小

• 磁盘的物理结构
  划分为空间的方法：可变长方式 和 扇区方式（固定长度）。

  
  
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  扇区是读写的最小单位，Windows中扇区一般是512字节。

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输入输出设备

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本文件完结

参考《cxuan-os》

流水线

• 形式：由于CPU有单独的访问、解码、执行单元，CPU执行第N条指令，对N+1条指令解码，读取N+2条指令。

• 超标量(superscalar)CPU

  
  
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执行单元同时执行，并且只要空闲，就去缓冲区中找是否有指令。
此种设计，应用程序通常是无序执行的。大多数硬件需要保证执行结果的正确性。

CPU/内存

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磁盘

• 磁道
  每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道(track)。
  一个给定臂的位置上所有的磁道合并起来，称为柱面(cylinder)。

• 固态硬盘不是磁盘，数据存储在存储器（闪存）中。

• 虚拟内存
  需要快速映像内存地址，把程序生成的地址转换为RAM中的物理地址。由CPU中的存储器管理单元MMU部件来完成。

• ATA
  ATA 高级技术附件(AT attachment)
  SATA 串行高级技术附件(Serial ATA)
  慎用高级这个词

I/O 设备

• 设备控制器
  含有寄存器
  所有设备寄存器的结合构成了 I/O端口空间。

• 实现输入输出的三种方式
  （1）忙等待
  用户程序--->系统调用--->转为驱动程序的程序调用--->启动I/O、循环检查设备---> |||（输入完成）---> 数据送到指定地方并返回 ---> 控制权交给调用者
  （2）中断
  设备驱动程序启动设备---> 操作完成时发生中断
  （3）使用特殊的硬件
  直接存储器访问（DMA）：控制内存和控制器之间的位流，无需CPU的干预。

[补充中断]：CPU决定中断：
保存当前状态：程序计数器和PSW
切换内核态

中断开始：
移除栈中的程序计数器和PSW，保存。
查询设备的状态{
...中断处理程序全部完成...
}
返回到先前用户尚未执行的第一条指令。

如果正在中断，又发生了一条中断，则其他中断需要等待。

总线

参考CS224 Computer Organization- Bilkent

https://www.youtube.com/results?search_query=principles+of+computer+organization

Chapter 1

• 处理器有：Intel / AMD

• 计算机组成：input, output, memory, datapath, control
  datapath + control = CPU(processor)