Computer Science - An Overview - 2. Data Manipulation

2.1 Computer Architecture

  • CPU和Main Memory


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  • 執(zhí)行x+y=z：從memory中讀x，放入reg1；從memory中讀y，放入reg2；啟動加法，以reg, reg2為輸入，輸出到reg3；向memory的z中寫入reg3；終止。

  • memory級別：CPU中的寄存器 -> CPU中的cache -> main memory -> mass storage

2.2 Machine Language

The Instruction Repertoire

  • 兩類CPU

    • RISC(Reduced Instruction Set Computer)：使用精簡指令集，例如PowerPC處理器（Apple、IBM、Motorola聯(lián)合出品）
    • CISC(Complex Instruction Set Computer)：使用復雜指令集，例如Intel處理器
    • ARM(Advanced RISC)：低功耗的RISC，例如Qualcomm、Texas Instructions出品的處理器

  • 三類指令

    • 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（實際是拷貝）：LOAD（從memory到寄存器），STORE（從寄存器到memory）
    • 數(shù)值/邏輯：ROTATE（循環(huán)移位）
    • 控制：JUMP, BRANCH, STOP

An Illustrative Machine Language

  • 指令包括：Op-code（指令名稱）+ Operand（指令的“參數(shù)”），長度為2字節(jié)。


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  • 程序由一個接一個的2字節(jié)指令構(gòu)成

2.3 Program Execution

  • 程序存儲在memory中，其中的指令被拷貝到CPU中，之后執(zhí)行
  • 兩個特殊寄存器保證程序運行：
    • instruction register：存儲當前執(zhí)行的指令
    • program counter：存儲下一條指令的地址
  • machine cycles三步驟：
    • fetch：根據(jù)program counter地址從memory中載入指令，放入instruction register；program counter增2字節(jié)
    • decode：根據(jù)instruction register中指令的op-code進行解讀
    • execute：激活電路執(zhí)行指令

An Example of Program Execution

Programs Versus Data

2.4 Arithmetic/Logic Instructions

Logic Operations

  • AND：1保留，0置零；OR：0保留，1置一；XOR：1翻轉(zhuǎn)，0保留。

Rotation and Shift Operations

Arithmetic Operations

  • 浮點型做加法，要先移位對齊

2.5 Communicating with Other Devices

The Role of Controllers

  • 把CPU的指令轉(zhuǎn)化成外設(shè)（鍵盤、顯示器、光驅(qū)）能理解的格式
  • 自己有memroy，有的就是一臺小電腦
  • 外設(shè)有不同通信標準，例如USB、 FireWire、SATA

Direct Memory Access

  • controller可以自己訪問main memory
  • 例：CPU發(fā)指令“從硬盤中載入數(shù)據(jù)到主存”->硬盤的controller讀數(shù)據(jù)->硬盤的controller寫數(shù)據(jù)到主存

Handshaking

  • 計算機和外設(shè)之間要交換信息，溝通設(shè)備狀態(tài)，協(xié)調(diào)行動

Popular Communication Media

  • 并行通訊：總線
  • 串行通訊：USB, FireWire，modem

Communication Rates

  • 傳統(tǒng)電話：57.6 Kbps
  • 播放MP3：64 Kbps
  • 播放低清視頻：若干 Mbps
  • USB, FireWire：幾百 Mbps

2.6 Programming Data Manipulation

python編程基礎(chǔ)

2.7 Other Architectures

Pipelining

  • 允許machine cycle的步驟相互重疊：執(zhí)行第1條指令，讀取第2條指令

Multiprocessor Machines

  • 多個processor，連接到一個main memory上
  • SIMD（Single Instruction, Multiple Data）：相同指令，執(zhí)行在不同數(shù)據(jù)上
  • MIMD（Multiple Instruction, Multiple Data）：不同指令，執(zhí)行在不同數(shù)據(jù)上
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