一：計算機組成與體系結構
兩個重點概念：
計算機體系結構：對程序員可見的屬性。體系結構屬性包括有：指令集、表示數據類型的比特數、輸入輸出機制、內存尋址技術。
計算機組成：實現(xiàn)結構規(guī)范的操作單元及其相互連接。組成屬性包括那些對程序員可見的硬件細節(jié)：控制信號、計算機和外設的接口、存儲器的使用技術。
例如：是否有乘法指令是計算機體系結構設計的問題，而這條指令是由特定的乘法單元實現(xiàn)還是重復使用系統(tǒng)的加法單元來實現(xiàn)，則是組成問題。
個人理解：總的來說，結構就是出于更上層or抽象的，而組織則是基于上層的or抽象的結構來具體實現(xiàn)。
二：結構和功能
計算機是一個復雜的系統(tǒng)，我們在設計計算機時會將其劃分為各個系統(tǒng)層次，而每個層次具有其特定的結構和功能。所以在每一層的設計上，我們更關心它的結構和功能：
結構：部件相互關聯(lián)的方法。
功能：作為結構組成部分的單個獨立部件的操作。
<1>：功能
計算機的基本功能概括為：
數據處理
數據存儲
數據傳送? ?（數據通信：數據傳送到遠方設備or接收從遠方設備傳入的數據的過程）
控制
“為適應功能而改變計算機的結構的情況很少發(fā)生。計算機的通用性是根本，所有功能專門化均發(fā)生在變成階段，而不是設計階段?！?/p>
<2>：結構
計算機的4種主要結構部件：
中央處理單元（CPU）：控制計算機的操作并且執(zhí)行數據處理功能
主存儲器：存儲數據
I/O：在計算機及其外部環(huán)境之間進行數據的傳送
系統(tǒng)互連：為CPU/I/O/存儲器之間提供一些通信機制。一個常見的就是系統(tǒng)總線
CPU：
控制單元：控制CPU以至整個計算機的操作
算術邏輯單元（ALU）：執(zhí)行計算機的數據處理功能
寄存器：提供CPU的內部存儲
CPU互連：提供控制器、算術邏輯單元和寄存器的通信機制
三：思考題
1.1計算機組成與計算機體系結構在概念上有什么區(qū)別？
答:計算機組成：實現(xiàn)結構規(guī)范的操作單元和相互連接。
計算機體系結構：對于程序員可見的部分，是對計算機的頂層設計。
1.2計算機結構和計算機功能在概念上有什么區(qū)別？
答：計算機結構：部件相互關聯(lián)的方法
? ? 計算機功能：作為結構組成的單個獨立的操作
1.3計算機的4個主要功能是：
答：4個主要功能：數據處理、數據存儲、數據傳送、控制
1.4列出并定義計算機的主要結構部件：
答：1.CPU：（ALU、控制單元、寄存器、互連）中央處理器，執(zhí)行計算機的數據處理的控制。2.主存儲器：存儲數據。3.I/O：進行計算機與外部環(huán)境的數據傳送4.互連：進行CPU、主存儲器、I/O之間的信息傳送的機制，如：總線。
1.5：如1.4
第二章
0：存儲程序：將程序以某種形式與數據一同存于存儲器中，這樣，計算機就可以通過在存儲器中讀取程序來獲取指令，而且通過設置一部分存儲器的值就能夠實現(xiàn)編寫和修改程序。
1.馮諾依曼的ISA計算機模型：
主存儲器：用于存儲指令和數據
能夠處理二進制數的算數邏輯單元
控制器：負責解釋內存中的指令并執(zhí)行之
由控制器操縱的輸入輸出設備
1：IAS無論是控制器還是ALU都包括了存儲區(qū)域---寄存器。
存儲器緩沖寄存器（MBR）：包含將要寫到存儲器或者送到I/O單元或者接受來自存儲器或I/O單元的一個字。
存儲器地址寄存器（MAR）：指定將要從MBR寫進存儲器或從存儲器讀入MBR的存儲器字單元的一個字。
指令寄存器（IR）：包含正在執(zhí)行的8位操作碼指令。
指令緩沖寄存器（IBR）：用來暫存來自存儲器一個字的右指令。
程序計數器（PC）：存放將要從存儲器中獲取的下一對指令的地址。
累加器（AC）和乘商寄存器（MQ）：用來暫存ALU運算的操作數和結果。例如：兩個40位的數相乘，結果是一個80位的數，則高40位放在AC中，低40位放在MQ中。
2：控制器通過以此從存儲器中取一條指令并執(zhí)行它的方式來操作IAS。
3：ISA通過反復執(zhí)行指令周期來運行。指令周期分為：取指周期、執(zhí)行周期。
取值周期：下一條指令的操作碼裝入IR，地址部分裝入MAR。指令可以從IBR中獲取也可以從存儲器中獲取，即先從存儲器裝在一個字到MBR，然后將該字解開放入IBR、IR、MAR。那么問題來了，為什么不直接取呢？因為這些操作都是由電子電路控制并且導致數據路徑的使用。為了簡化電路、只用一個寄存器來指定存儲器中讀寫的地址，而且也只用一個寄存器來存放數據源或目標。
執(zhí)行周期：一旦操作碼在IR中，則進行執(zhí)行周期。控制電路翻譯操作碼，并且通過發(fā)送相應的控制信號來執(zhí)行指令，這些信號控制數據的傳送和ALU操作的執(zhí)行。
4：IAS計算機的指令可分為以下幾類：
數據傳送
無條件轉移
條件轉移
算術運算
地址修改
5：計算機發(fā)展歷程：
第一代：真空管-----代表有：ENIAC、馮.諾伊曼機、商用計算機
第二代：晶體管-----代表有：IBM7094、使用了高級語言，并為計算機提供了系統(tǒng)軟件
第三代：集成電路---代表有：IMB System/360
半導體存儲器、微處理器（將CPU的所有原件放入同一塊芯片的處理器）
6：性能差異：
晶體管：比電子管體積更小、更便宜、發(fā)熱更少，并且能夠以與真空管相同的方式建造計算機。電子管以導線、金屬片、玻璃外殼和真空管構成；集體管是固態(tài)器件，由硅片構成。
微電子技術：只有”邏輯門“、存儲器位元是必須的。存儲位元具有存儲一位數據的元件。
四個基本功能：<1>:數據存儲、<2>:數據處理、<3>:數據移動、<4>:控制。
7：默爾定律：單芯片上所能包含的晶體管的數量每12/18個月翻一番。
摩爾定律的影響：
芯片集成快速增長，單個芯片成本幾乎沒變，計算機的邏輯電路和存儲器電路成本迅速下降。
集成度高的芯片中邏輯和存儲器單元的位置更接近，電子線路長度更短，提高了工作速度。
計算機等體積更小，便于攜帶。
減少電能消耗和對冷卻的要求
集成電路內部的連接比焊接可靠。
幸成穩(wěn)定的集成電路產業(yè)投資和良好的用戶生態(tài)，能夠持續(xù)穩(wěn)定的推動計算機產業(yè)的發(fā)展和進步。
8：高速緩存：在大而慢的存儲器與存取此存儲器的處理器邏輯之間插入的一個相對小而快的存儲器。此高速緩存保存最近被訪問過的數據，并被設計用來加快對同一數據的后續(xù)訪問。
9：性能平衡：處理器的性能以驚人的速度向前發(fā)展時，計算機的其他關鍵部件卻沒有跟上。這引發(fā)了性能平衡的要求：調整組成和結構，補償各種部件之間能力不匹配的問題。
10：嵌入式系統(tǒng)：是計算機硬件、軟件和可能附加的機械或其它部分的一種組合，用于執(zhí)行特定的功能。
11：性能評價：在評價小狐貍其硬件和設置新系統(tǒng)的需求時，性能是必須要考慮的因素之一。
12：時鐘速度和每秒指令數
1.系統(tǒng)時鐘：處理器在執(zhí)行的操作，如取指令、譯碼該指令、執(zhí)行算數運算等，都是由系統(tǒng)時鐘掌控的。典型的做法是，所有的操作都是隨著時鐘的脈沖開始，用HZ/每秒周期數測量。
2.脈沖的速率被定義為時鐘頻率，或時鐘速度。每增加一個脈沖或時鐘被稱為一個時鐘周期。兩個脈沖之間的時間被定義為周期時間。
3.指令的執(zhí)行包括很多離散的步驟。有些指令執(zhí)行需要幾個周期，而有些執(zhí)行則需要幾十個周期。此外，當使用流水線時，多條指令被同時執(zhí)行，因此不同處理器的時鐘速度的直接比較是不能說明性能的整體情況的。
4.指令執(zhí)行速度。處理器由時鐘驅動，時鐘具有確定的頻率f，等價為確定的時間周期t=1/f。
Ic：一個程序運行完要執(zhí)行的指令條數。
CPI：一個程序中每條指令平均周期數。
Ii：某一給定的程序中執(zhí)行的i類指令的條數。
處理器執(zhí)行一個給定的程序所需要的時間可表示為：T = Ic * CPI * t；
由于傳送字的時間取決于存儲器的周期時間，可能比處理器周期時間長，于是上式可改寫為：T = Ic * （P + m * k）*t;
p:譯碼和執(zhí)行指令所需要的處理器周期數
m:所需要訪問存儲器的次數
k：存儲器周期時間和處理器周期時間之比。
5.這5個性能因子搜系統(tǒng)屬性影響：指令集設計、編譯技術、處理器的實現(xiàn)、cache與主存的層次結構。
6.處理性能的一個通用度量：指令執(zhí)行的速率，表示每秒百萬指令（MIPS）：
7.另一個通用性能金用于浮點指令，在很多科學計算和游戲中比較常用。MFLOPS = 程序中執(zhí)行浮點操作的次數 / （執(zhí)行時間 * 10^6）；
8.使用上述兩種處理性能的通用度量是不充分的，因為存在不同的指令集，特定指令集針對特定度量具有極大的優(yōu)勢。“程序執(zhí)行某一給定程序的性能并不能決定它是如何執(zhí)行其它類型的應用程序。”所以出現(xiàn)了使用基準程序來測量系統(tǒng)的性能。
9.基準程序的基本要求：
（1）：高級語言編寫、可以運行在不同的機器上
（2）：它是各種特殊設計的代表
（3）：易于度量
（4）：有廣泛的發(fā)性
10：SPEC基準程序不關心指令的執(zhí)行速度，而是速度度量、頻率度量。
速度度量：測試一臺計算機完成單個任務的能力，用運行時間和系統(tǒng)運行時間的比值表示。
頻率度量：測試一臺機器執(zhí)行多個人物的吞吐量或頻率。頻率度量用多個基準程序運行的時間與系統(tǒng)運行時間的比值表示。
13：阿姆達爾定律：我們在考慮系統(tǒng)性能時，計算機系統(tǒng)設計者希望通過改變設計或改變技術來提高性能。如：并行處理器的使用、存儲器高速緩存的使用、以及由于技術的改進用來加快存儲器的訪問和I/O的傳送速率。在所有的這些情況中，我們需要注意的是：只是加速技術or設計的一個方面并不能提高性能的相應改變。
阿姆達爾定律是研究一個程序在使用多個處理器時與使用單個處理器時可能出現(xiàn)的加速比。speedUp = 單個處理器上運行的時間/在N個并行的處理器上運行的時間 = 1/（（1-f）+ (f/n)）；
兩個重要推論：<1>: f很小時，使用并行處理器幾乎沒有影響；<2>:N的的增大，加速比被限制，因此使用更多的處理器只能導致速度下降。
二：思考題
1.什么是存儲程序式計算機：
答：將程序以某種形式與數據一同存于存儲器中，這樣，計算機就可以通過在存儲器中讀取程序來獲取指令，而且通過設置一部分存儲器的值就能夠實現(xiàn)編寫和修改程序。
2.任何計算機的四個主要部件：
答：處理器、主存儲器、I/O、系統(tǒng)互連
3.對集成電路級別而言，計算機系統(tǒng)的三個基本組成部分是什么:
答：邏輯門、存儲器位元、系統(tǒng)互連（總線）
4.解釋摩爾定律：
答：摩爾定律：每隔12/18個月，芯片上的集成電路將翻一倍。
5.列出并說明計算機系列的主要特征：
答：。。。。向上兼容、性能不斷提升、價格不斷下降、體積質量減小
6.區(qū)分微處理器的主要特征：
答：CPU的實現(xiàn)是否是都在一塊芯片上。
