一：计算机系统概述

发展历程

电子管——晶体管——集成电器——大规模集成电器——摩尔定律

层次结构

1：硬件组成：

冯诺依曼体系

计算机由运算器，控制器，存储器，输入，输出五部分组成；
指令和数据都用二进制代码表示，保存在存储器中，按地址寻址；
指令由操作码和地址码组成，在存储器内按顺序存放；
以运算器为中心，IO 通过运算器与存储器相连。

现代体系：

以存储器为中心
IO 尽可能绕过 CPU，直接让 IO 和存储器间完成

功能部件：
输入设备，
输出设备，
存储器：存储字，MAR 和 MDR 的位数。
运算器：算数运算和逻辑运算，ALU
控制器：PC + IR + CU，CPU 和主存储器构成主机，IO 设备和外村构成外设。

2：软件分类

系统软件：OS。DBMS，语言处理程序，分布式系统，网络系统，标准库，服务程序
应用软件：科学计算程序，应用类程序
机器语言，汇编语言，高级语言

3：工作过程

程序和数据装入主存，从程序起始地址开始执行；从起始地址取出第一条指令，译码执行并计算下一条指令地址；取出下条指令地址，在取值译码，执行间往复，直到执行完毕

4：多级层次结构

微指令，机器指令，操作系统，汇编，高级语言，应用

性能指标

吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，取决于主存存取周期；
响应时间：发出请求到得到结果的时间差，包括 CPU 时间和等待时间；
时钟周期：主频的倒数，CPU 最小时间单位
主频：
CPI：执行一条指令需要的时钟周期数
CPU 执行时间：运行一个程序花费的时间
MIPS：每秒执行多少百万条指令
FLOPS：每秒执行多少百万条浮点运算

二：数据的表示与运算

1：制数与编码
2：定点数
3：浮点数

4：ALU

串行加法器

并行加法器

ALU 功能

ALU 是一个组合逻辑电路，核心是并行加法器，
4 片 74181 串联可组成 16 位 ALU，属于单级先行进位；
4 片 74181 和一片 74182 构成 16 位 ALU，属于两级先行进位 ALU

ALU 结构

两幅图，会画一级先行进位和二级先行进位

三：存储器层次结构

1：分类
层次划分：主存储器即内存，辅存储器即硬盘；高速缓存 Cache
存取方式：

随机存储器：如主存和 cache
只读存储器：也是随机存储，但只能读不能写，RAM 和 ROM 共同构成主存地址域。
串行访问存储器：如磁带是顺序访问存储器，硬盘是直接访问存储器，但不是随机存储器，需要先寻道然后再道上殊勋存取。

信息的可保护性：
断电易失：如 RAM
断电不丢失：如 ROM，磁盘，光盘
破坏性读：DRAM
非破坏性读：SRAM，磁盘
2：性能指标
实际容量 = 存储单元个数 单元长度；理论容量= 存储子树 存储字长；
存取时间 = 取出结果时间 - 启动存储器时间
存取周期 = 存取时间 + 存储器状态恢复时间 = 连续读或写的最小时间间隔，显然存取周期>=存取时间
3：层次化结构
CPU-寄存器-Cache-主存-辅存
4：随机存储器
SRAM ：使用双稳态触发器存储信息，多用于高速缓存
非破坏性读，断电易失
引脚中处理地址线和数据线外，还有 CS（片选），WE（可写），OE（可读）
DRAM：
用电容电荷存储信息，用于主存；
刷新：

集中刷新：在固定的时间集中刷新，产生无法访问的时间段（死区）
分散刷新：将工作周期分开为读写周期和刷新周期，这样增加了存储周期，但无死区
异步刷新：刷新周期（2ms）除以行数，得到时间间隔 t，每时间 t 产生一次刷新，缩短死区时间；

刷新对 CPU 透明，刷新单位是行，刷新类似读，刷新无序片选；
DRAM 引脚除了地址线和数据线，还有 RAS（行选，起 CS 的作用），CAS（列选），WE，OE
只读存储器：
ROM 跟 RAM 一样随机读写，结构简单，断电不丢失
ROM，MROM 只读，PROM 写一次，EPROM 和 E2PROM 多次擦除，Flash 固态硬盘
Flash

5：主存与 CPU 的连接

四：指令系统

指令

基本格式：
零地址指令：空操作，停机，关中断指令；运算类指令只用在堆栈计算机中
一地址指令：自加，自减，求反等单操作数运算；隐含地址 ACC，结果也放进 ACC 中
二地址指令：| OP |A1 | A2| ，结果存放在 A1 中
三地址指令：同时给出两个操作数地址和存放结果的地址
四地址指令：在三地址指令基础上再给出下条指令地址，这不利于跳转。
定长指令：
指操作码长度固定，利于流水线
变长地址：
操作码长度不固定，会进行扩展操作码指令设计

寻址

有效地址：指令中的地址码给出的是形式地址，要根据寻址方式得到有效地址
指令寻址：PC +1 ；JMP
数据寻址：根据指令中的地址码和寻址方式
数据寻址方式：
隐含寻址：操作数在 ACC 中
立即寻址：指令直接给出操作数
直接寻址：指令给出操作数在内存地址，EA = A
间接寻址：指令给出操作数地址的地址，EA = (A)
寄存器寻址：指令给出寄存器号。EA = R
寄存器间接寻址：指令给出寄存器号，寄存器存储操作数地址，EA = （R）
相对寻址：指令给出形式地址 A，EA = （PC ) + A（数加，A 是补码表示），注意 PC 取值后 +1
基址寻址：EA = （BR ） + A
变址寻址：EA = （IX ） + A
堆栈寻址：EA = (SP)
基址寻址用于为程序会数据分配存储空间，基址地址由操作系统给出且不变，A 由程序猿给出，可变。
变址寻址用于处理数组问题，变址寄存器内容由用户给出，可变；A 不变
CISC：指令复杂庞大；指令长度不固定，指令执行时间和频率差异；大多采用微程序控制器；编译程序难优化
RISC：指令精简，指令定长；只选常用指令，且大都只用一个时钟周期；只有 Load/Store 才能访存；使用大量寄存器流水线和组合逻辑电路

五：中央处理器

六：总线

1：概述

分时，共享，猝发传送
分类：
内部总线：CPU 内部
系统总线：数据总线，是双向的；地址总线，单向传输；控制总线，双向；
通信总线（外部总线）：计算机系统之间传输信息的总线
组成
单总线：将各设备挂在一组总线上（不是一根），简单低成本；带宽低，
双总线：一条主存总线，一条 IO 总线，从低速 IO 从总线分离，需要增加硬件。
三总线：主存总线，IO 总线，DMA 总线；提高 IO 性能吞吐量；工作效率低
性能指标：
总线周期：一次总线操作所需全部时间（申请，寻址，传输，结束）
总线时钟周期：即机器时钟周期
总线工作频率：总线周期倒数，总线周期 = 若干时钟周期
总线时钟频率：即机器时钟频率
总线宽度：总线上能同时传输数据位数，取决于数据总线的根数；

三千道藏

计算机组成原理