计算机科学导论笔记-计算机组成

　　计算机组成有三个部分:中央处理单元，主存储器，输入/输出

1. 中央处理单元(cpu)
   
   中央处理单元用于数据运算。在大部分体系中又分为算术逻辑单元，控制单元，寄存器(快速存储单元)
   
   
   1. 算术逻辑单元
      算术逻辑单元对数据进行逻辑，移位和算术运算
   2. 寄存器
      期存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元，寄存器又分为数据寄存器，指令寄存器，程序计数器
   3. 控制单元
      控制单元控制各个子系统的操作，我的理解就是一个大型的信息交换的场合。
      
      
2. 主存储器
   主存储器是存储单元的集合，说白了就是硬盘等一切可以进行存储的总和。每一个存储单元都有地址，所有的存储单元的标识地址的总数称为地址空间。由于计算机的存储的原因，地址是以二进制整数的形式存在在电脑中的。
   
   

   存储器又分为RAM和ROM
   　　RAM是计算机的主存中重要组成部分，RAM和ROM的区别在于，前者可以通过写入不断覆盖，并且如果断电的话，这一部分信息并不会保存，对应的是电脑中内存

   1. 随机存取存储器(RAM)
      RAM分为SRAM(静态)和DRAM(动态),SRAM通电的时候数据始终存在，不需要刷新，速度快，价格高
      DRAM内存需要周期性刷新，速度慢，比较便宜，价格相对较低

   2. 只读存储器(ROM)
      ROM切断电源后数据也不会丢失，用来存储程序和程序所产生的数据
      
      PROM:可编程只读存储器
      EPROM:可编程可擦除的只读存储器
      EEPROM:电科擦除的可编程只读存储器

   3. 存储器的层次结构
      计算机需要用到很多存储器，不同的需求对应不同性能的存储器。
      
      
      
   4. 高速缓冲存储器
      存取速度比主存快，但是比CPU内部的寄存器慢。每次CPU存取主存中的一个字时，都要先询问缓存，如果存在，就直接从缓存复制，如果不存在，就从主存中复制一份，并且覆盖到缓存
      

3. 输入/输出子系统
   输入/ 输出子系统可以使计算机与外界通信。，并且在断电的时候也能保存数据，分为存储设备和非存储设备

   1. 非存储设备
      鼠标，键盘，打印机等

   2. 存储设备
      就是我们常说的硬盘之类的，但是书中这个存储设备的概念特别广，包括以前使用的光盘等都属于存储设备。
4. 子系统的互连
   1. CPU和存储器之间的连接
      CPU和内存之间有三组统称为主线的线路连接在一起，分别为数据总线，地址总线和控制总线
      1. 数据总线:由多根线组成，每根线上每次传输一位数据，线的数量取决于字的大小，如果计算机是64位的，那么就需要64根线。
      2. 地址总线:允许访问存储器中的某个字，取决于存储空间的大小。
      3. 控制总线:控制总线负责在中央处理器和内存之间传送数据
   2. I/O设备的连接
      输入/输出设备不能够直接跟总线相连，如下图
      

       因为这些设备并一定是电子设备，比如早年使用的光盘。但是CPU和存储器都是电子设备，必须要有一个中介来处理这种差异。输入/输出控制器就扮演这一角色
      控制器:类似于接口，控制器可以串行或者并行连接设备。

      1. SCSI
         小型计算机系统接口，是一个8位，16位，32位的并行接口，连接器的两端都必须有终结器，并且，每个设备都必须有唯一的地址。
         
         
         
      2. 火线
         高速的串行接口，不需要终端数据采用包的形式。
         
         
         
      3. USB
         通用串行总线用以连接高速和低速设备。这个接口可以允许多个设备以树状拓扑结构连接到一个控制器上(usb根集线器),还有集线器负责连接更多的设备，集线器作为树的节点不能感知到其他集线器，控制器能够感知到所有的节点。除此之外，
         这个接口还支持热插拔，即插即用。
         

   3. 输入/输出设备的寻址
      CPU使用同一根数据总线在内存和i/o设备之间传输数据，计算机用指令区分，如果指令涉及到内存，就找内存，如果涉及到输入输出设备就找对应的设备。为io设备寻址分两种，一种io独立寻址，一种io存储器映射寻址

      1. io独立寻址
         用来读写内存和读写io设备的指令区分开，每个输入输出设备都有自己的独立地址。
         

      2.  io存储器映射寻址

         把每一个io设备中的寄存器看成内存中的某个字，命令不做区分，把地址写入到内存中。
         

5. 程序的执行
   计算机通过程序来处理数据，而程序其实就是一系列的指令　　　　 

   1. 机器周期
      CPU利用重复的机器周期执行程序中的指令，一个机器周期包括三个步骤:取指令，译码，执行
      取指令:控制单元把下一条要执行的命令拷贝到CPU的寄存器上，并且这个指令的地址复制到计数器中。
      译码:控制单元将指令译码为计算机可以执行的二进制代码
      执行:控制单元发送任务命令到CPU的某个部件(视情况而定，如果是计算，就通知计算逻辑单元，如果只是存取就通知内存)
      
      
      
   2. 输入/输出操作
      之前提到因为io设备不一定是电子设备，所以，传输速度比CPU要慢的多，CPU在某种程度上必须和io设备同步。有三种方法实现这种同步
      
      
      1. 程序控制输入/输出
         这种方法是CPU采用轮询的方式不断的查询io设备的状态，如果io设备准备好数据了就开始传输
         
         
         
      2. 中断控制输入/输出
         这种方式当io设备准备好的时候，它会中断CPU，在这之前，CPU都可以在运行别的程序
         

      3. 直接存储器存取
         这个方法可以在高速io设备间传输大量的数据块，他的原理是增加一个DMA的类似CPU的硬件，它是一个控制器，开始的时候，CPU会发送一些传输的基本信息如传输的类型，内存的地址等，当准备好传输的时候，由DMA获取到总线的使用权，这时候CPU是停止工作的。这时候才真正传输数据。注意的是，这种方法的有点在于快，因为重新增加了一个硬件设施。
         

          

   3. 不同的体系结构
      
      CISC:复杂指令集计算机的缩写。CISC架构是使用非常多的复杂的指令，每一个简单或者复杂的任务都有相对应的指令，虽然在这种体系下设计程序语言会相对容易一些，但是使得硬件设施非常复杂，但是设计者提出一个解决方案，CPU不直接执行指令，而是执行称为微操作的指令，把原本复杂的指令翻译成简单操作，这又需要被称为微内存的架构支持。微内存负者记录每一个复杂指令的微操作，使用微操作的程序设计语言被称为微程序设计(上次有在微博上看到好像win10使用的就是这个架构)
      
      RISC:精简指令集计算机的缩写，和CISC相反，他使用的非常简洁的指令，每一个复杂的指令都是由简单指令进行模拟的。
      
      

   4. 流水线
      计算机使用流水线的技术改善指令的周期的运行效率，每一条指令都需要进行三个周期，控制单元如果能够同时执行两个或者三个阶段，那么下一条指令就可以在前一个指令的第二阶段运行了。如图:
      

   5. 并行处理

      随着技术的进步，一台计算机里可能有多个控制单元和多个算计逻辑单元，多个内存单元。所以诞生了并行处理这个思想，并行处理涉及不同的技术，把这个技术分为四个分类
      

      1. SISD:单指令流，单数据流，意思就是只有一个算术逻辑单元，一个控制单元，一个内存。一个指令对应的一个内存中多个数据项
         

      2. SIMD:单指令流，多数据流，计算机内部有一个控制单元，但是有多个算术逻辑单元，多个内存单元。早起的处理器基本都属于这一种，看到这个模型的时候，想起以前在课上问操作系统老师，并行的问题，他说虽然CPU可以有多个，但是出口只有一个，这个出口应该就是这个指令流吧

         

      3. MISD:多指令流，单数据流，这个架构其实效率没有MIMD高，所以没有被实现过。本身也很奇怪吧。多个指令，就一个数据流，等于就一个干活的
         

      4. MIMD:多指令，多数据流。多个指令应用于多个数据流。一般在这种架构上，内存是共享的。