1.计算机体系结构 - 五大部件
- 冯 诺依曼 计算机的特点
1.计算机有五大部件组成
2.指令和数据以同等地位存储于存储器，可按照地址访问
3.指令和数据用二进制表示
4.指令由操作码和地址码组成
5。存储程序
6.以计算器为中心（输入、输出设备与存储器之前的数据传送通过计算器完成）
计算机体系结构 - 主存储器
1.存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
2.存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合
3.存储字长：存储单元中二进制代码的位数（拓展：指令字长：计算机接收指令的二进制长度，机器字长：计算机在一次整数运算中能处理的最大二进制位数）
4.存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存储 1 bit
5.MAR：地址寄存器（可以用地址寄存器的长度来计算出存储单元的个数，例如：当MAR为 4 位时，那么存储单元的个数就有 2*2*2*2 （也就是2的4次方）个存储单元，）
6.MDR：数据寄存器（指的是每个存储单元能存放的最大二进制位数，例如：MDR = 16 那么一个存储单元最大就能存放 16 位二进制数）
易混淆：1个字节 = 1个Byte = 1B = 8bit = 8b
计算机体系结构 - CPU
1.运算器：用于实现算数运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如与或非）
2.ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果
3.MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果
4.X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数
5.ALU（很重要）：算数逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算
6.DR：数据缓存寄存器
7.PSW：状态条件寄存器，用来保存指令运行标志（例如有些游戏打到一半关机了，下次打开的时候依旧可以接着上次的进度）
计算机体系结构 - CPU
1.CU：控制单元，分析指令，给出控制信号
2.IR：指令寄存器，存放当前执行的指令
3.PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加 1 的功能
4.AR：地址寄存器，保存当前CPU所访问的内存单元地址
5.ID：指令译码器，对操作码进行分析
6.完成一条指令的过程：取指令 -> 分析指令 -> 执行指令（之前说过：指令和数据以同等地位存储在存储器中，所以我们该如何区分此次取出来的指令还是数据呢？通过阶段来区分，例如：在取指令阶段那么从存储器中取出来的二进制数就一定表示指令）
计算机体系结构 - Flynn分类
| 体系结构类型 | 结构 | 关键特性 | 代表 |
|---|---|---|---|
| 单指令流单数据流SISD | 控制部分：一个 处理器：一个 主存模块：一个 | 单处理器系统 | |
| 单指令流多数据流SIMD | 控制部分：一个 处理器：多个 主存模块：多个 | 各处理器以异步的形式执行同一条指令 | 1.并行处理机 2.陈列处理机 3.超级向量处理机 |
| 多指令流单数据流MISD | 控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个 | 被证明不可能，至少以目前的技术无法实现，只是理论上存在 | 目前没有，有文献称流水线计算机为此类 |
| 多指令流多数据流MIMD | 控制部分：多个 处理器：多个 主存模块：多个 | 能够实现作业、任务、指令等各级全面并行 | 多处理机系统 多计算机 |
Single：单一的
Multiple：倍数、多种多样的
指令系统 - 指令
1.指令（又称为机器指令）：是指令计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位；
2.一台计算机的所有指令的集合构成该 计算机的指令系统，也称为指令集；
指令系统 - 指令格式
1.一条指令就是机器语言的一个语句，他是一组有意义的二进制代码；
2.一条指令通常要包括 操作码字段 和 地址码字段 两部分；
重要考点：指令系统 - 寻址方式
指令系统 - 寻址方式（数据寻址）以下寻址方式从上至下 寻址效率依次降低 ->
1..立即寻址：此操作数作为指令的一部分直接写在指令中，这中操作数成为立即数
2寄存器寻址：指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器
3.直接寻址：指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址
4.寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址用 SI 、DI、Bx 、BP 四个寄存器之一来指定
5.基址加变址寻址方式：操作数在寄存器中，其有效地址是一个基址寄存器（ BX 、 BP ）和一个变址寄存器 ( SI 、DI ) 的内容之和
6.相对基址加变址寻址：操作数在寄存器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX 、 BP）的值，一个变址寄存器 （SI 、 DI）的值和指令中的 8位/16位偏移量之和
指令系统 - CISC 和 RISC
| CISC(Complex) | RISC(Reduced) | |
|---|---|---|
| 指令系统 | 复杂，庞大 | 简单，精简 |
| 指令数目 | 一般大于 200 条 | 一般小于 100 条 |
| 指令字长 | 不固定 | 定长 |
| 可访存指令 | 不加限制 | 只有Load/Store指令 |
| 各种指令执行时间 | 相差较大 | 绝大多数一个周期内完成 |
| 各种指令使用频度 | 相差较大 | 都比较常用 |
| 通用寄存器数量 | 较少 | 多 |
| 控制方式 | 绝大多数为微程序控制 | 绝大多数为组合逻辑控制 |
| 指令流水线 | 可以通过一定方式实现 | 必须实现 |
指令系统 - 指令的流水处理
1.指令控制方式有 顺序方式、重叠方式 和 流水方式三种
2.流水方式：是指 并行性或并发性 嵌入计算机系统里的一种形式，他把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效的并发工作
3.在概念上，" 流水 "可以看成是 "重叠" 的延伸；差别仅在于 " 一次重叠 " 只是把一条指令解释分解为两个子过程，而 " 流水 " 则是分解为更多的子过程。
指令系统 - 流水线的计算
例题：若指令流水线把一条指令分为 ：取指令、分析指令、执行指令三部分，且三部分的时间分别是 -> 取指令：2ns 分析指令：2ns 执行指令：1ns ，那么流水线周期是多少？100条指令全部执行完毕需要的时间是多少？
1.流水线周期为执行时间最长的一段：上述中 取指令：2ns 分析指令：2ns 执行指令：1ns 三个发过程中执行时间最长的显然是 2ns，所以流水线周期为 2ns
2.流水线计算公式为： 1条指令执行时间 +（指令条数 - 1）* 流水线周期 ；所以计算结果如下所示 ->
100条指令执行完的时间为：2 + 2 + 1 +（100 -1）* 2 = 203
那么如果不使用流水线处理的话100条指令执行完的时间就是：（ 2 + 2 + 1 ）*100 = 500
3.拓展：流水线的吞吐率（Though Put rate ,TP）：是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量；
4.计算流水线吞吐率的最基本的公式如下：TP = 指令条数 / 流水线执行时间
5.依照上面例题计算流水线吞吐率的话就是：100 / 203 ≈ 0.5
6.流水线开始工作后，需经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是 建立时间；若 m 个子过程所用时间一样，均为 t ，则建立时间 T = m * t
7.完成同一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比成为 流水线的加速比 ，计算流水线加速比的基本公式如下：S = 不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间
还是用上面例题的来计算 -> S = 500 / 203 ≈ 2.46
