计算机组成原理第一章
计算机组成原理的相关笔记是我根据老师上课所讲，以及课后查找资料所写
一、计算机系统概述
1. 定义
计算机是由硬件和软件组成的一种能够按照事先存储程序自动，高速进行大量数值运算以及各种信息处理的现代化智能电子设备
看得见摸得着的是硬件，软件是虚的概念。
注意:软件并不是仅仅只包含我们写的那些程序，还包括文档，这些文档可能是软件开发前的分析，以及开发后 进行维护等的文档，因为软件开发不是一个人的事，还要被其他人看，如果没有文档的话，别人单纯看程序的话，很有可能就不知道你在干什么。
2.分类
1.计算机按照处理信息的方式不同来划分
数字计算机和模拟计算机的主要区别
| 比较内容 | 数字计算机 | 模拟计算机 |
|---|---|---|
| 数据表示方式 | 0和1 | 电压 |
| 计算方式 | 数字技术 | 电压组合和测量值 |
| 控制方式 | 程序控制 | 盘上连线 |
| 精度 | 高 | 低 |
| 数据存储量 | 大 | 小 |
| 逻辑判断能力 | 强 | 无 |
2.计算机按照通用性差异分类
3.按照计算机性能分
3.计算机系统的抽象层次
1.从编程语言角度
机器语言—>汇编语言—>高级语言
2.语言虚拟机抽象
3.从软硬件功能转换角度
4.计算机硬件的逻辑等价性
计算机中的许多功能，可以直接由专门硬件实现，也可以在基础硬件支持下依靠软件实现，对用户而言在功能上是等价的
举例：以电风扇的开关为例子，我们可以通过一个按钮，通过按钮可以控制电流大小来控制风扇的开关，也可以是一个程序来控制风扇的开关，这对于用户来说是等价的，因为他们看到的效果是一样的，就是风扇的开或关
计算机性能的好坏取决于"软 "硬“件功能的总和
软件技术发展，硬件功能软件化——降低造价
集成电路技术发展，软件功能硬件化——提高性能
二、计算机系统的组成
在接下来的举例中，主存和内存是一样的
1.计算机系统的硬件组成
1.1冯.诺依曼计算机(重点)
世界上第一台计算机是ENIAC，冯.诺依曼是当时的顾问
缺点：
ENIAC：每一步的操作要执行什么指令，都要程序员手动接线去告诉计算机，ENIAC的运算速度就被手工操作的耗时给抵消了
1945年，美国数学家冯·诺依曼提出“存储程序”概念，可以很好解决当时出现的问题，以此为基础研制的计算机叫冯·诺依曼机
存储程序:将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器(内存)，然后按其在存储器的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束
第一台采用冯诺依曼结构的计算机EDVAC
计算机是用来处理数据的，所以我们应该要有一个输入设备把数据输入到计算机中，这里面的数据包含我们要处理的数据，也包含指令。
控制器通过电信号来协调其他器件相互配合工作，控制器也用来解析存储器中存储的程序指令。比如说，控制器从存储器中读取加法指令，那么就可以控制运算器进行相应的加法操作。
冯诺依曼计算机特点:
ps:看到这么大的字大家也知道这个很重要吧，冯诺依曼结构也叫普林斯顿结构，因为他是普林斯顿的教授
1.计算机由五大部分组成
2.指令和数据以同等地位存在存储器，可以按照地址来访问
3.指令和数据用二进制来表示，可以很方便的用0，1表示电信号的两种状态，同等地位存放于存储器，按地址访问
4.指令由操作码和地址码来组成，在存储器中按顺序存放，默认顺序执行
操作码:指明要进行什么操作，比如加减乘除。
地址码:我们要操作的数据存放在哪一个位置。
5.存储程序
6.以运算器为中心–输入设备和输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器来完成，会影响计算机的效率
1.2现代计算机结构
存储器分成了主存储器（内存）和辅助存储器（外存），系统以主存储器为中心
合并运算器和控制器，构成中央处理器CPU——CPU和主存储器构成主机
输入设备和输出设备变得多样化和复杂化，合称外部设备或I/O设备
主存储器和CPU统称为主机
主存就是主存储器，也是我们大家熟悉的内存
辅存是辅助存储器，在电脑里面就是机械硬盘，固态硬盘
手机里面安装的app放在辅存，app需要启动运行的时候，才会把app里面的相关数据读到主存，辅存应该看成IO设备
运行内存指的是主存
机身存储是辅存
1.3哈佛结构
将指令和数据分开存储的一种存储器并行的组成结构
特点
1）使用两个独立的存储器，分别用于存储指令和数据
2）使用两套独立的总线，作为CPU与每个存储器间专用通信线路
应用——在嵌入式系统设计中广泛使用
1.4各个组成部件的功能
2.计算机系统的工作过程
1.基本的计算机系统模型
地址总线：传输数据在主存里面的存放位置
目前这个图看着还很懵，可以等后面学习以后再看。
2.工作过程
在了解工作过程之前，要先知道指令是什么
指令的执行过程
控制器将某个存储地址送往存储器，从对应的存储单元取回指令，控制器根据指令内容的含义，发出相应的操作命令，各部件根据操作命令，进行相应的操作，完成指令对应的功能
再来复习一下，控制器，存储器的相关内容
控制器可以协调各个器件的运行
存储器是存储数据和程序的
以我自己的理解来说:
一条指令想要运行，我们应该先把它存储起来， 所以第一步把存储地址送到存储器–相当于存储数据
想要执行操作，肯定要发布命令，就比如说，在家里面，你妈妈说，大家干活了，要大扫除了。 所以要取回指令。
有了指令以后，我们是不是还得告诉具体的部件要做什么操作，还是以家里大扫除为例。如果没有进行分工，只是说干活，就会导致分工不明确，我们人当然是可以做相应的事情。但是要注意的是，计算机需要的是明确的指令操作，也就是说每一步要做什么事情，必须是明确的，不能是含糊的，因为计算机没有我们人那样聪明，
如果没有具体明确的要求，各个部件瞬间就蒙圈了，他们不知道自己要做什么事情
后面学习相关的内容以后，理解得会更加的透彻，上面那个只是我个人的一个理解。
指令执行过程的阶段划分
下面的划分可以有不同的情况，不是固定的，就像语文划分自然段一样，每一个人都会有不一样的理解，划分出来的也就不一样了。
两阶段——取指、执行
三阶段——取指、分析、执行
五阶段——取指、译码/读寄存器、执行/计算有效地址(数据存放的地址)、访存取数、结果写回
3.指令执行过程示例
ADD R1, (R2)
实现10+18=28的加法计算。假定10存放在通用寄存器R1，18存放在存储器中，其存放地址2n-1存放在通用寄存器R2，计算结果存放到通用寄存器R1
18存储在存储器中，就有存放位置，也就是它的地址，我们又把存放的地址存储在通用寄存器R2，数本身存储在主存里面
通用寄存器可用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果
三、计算机硬件的性能指标
1.字长
定义：能够一次性处理的二进制数的位数
分类：根据对象的不同，分为机器字长、存储字长、指令字长、数据字长
接下来，我以其中的存储字长来说一下我自己的理解，其他概念也是类似的。
字长直接反映了计算机的计算精度，也影响计算速度和硬件成本
为协调计算精度和硬件成本间的制约关系，很多计算机采用变字长设计
各类字长可能各不相同，但必须是字节的整数倍
2.存储容量
-
定义：计算机存储器中所能存储信息的总量
分为主存容量和辅存容量
-
单位
位(bit)——最小单位，1个0或1占1b
字节(Byte)——基本单位，1B = 8b -
主存容量的表示
主存容量 = 存储单元数×存储字长
3.运算速度
周期T和频率f
计算机系统时钟就是一个典型的频率 相当精确和稳定的脉冲信号发生器
计算机中为什么要有系统时钟?
计算机工作时，各个设备必须相互配合，但每个设备工作都有各自的工作速度（工作时钟），为使整个系统能协调运行，就需要有统一的系统时钟对各设备作同步，各设备的工作时钟都基于系统时钟产生。
CPU主频和时钟周期
时钟——按一定电压幅度和时间间隔连续发出的脉冲信号
公式
| 性能指标 | 描述 | 计算公式 |
|---|---|---|
| CPU执行时间 | 表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间 | CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期 |
| CPI | 执行一条指令需要的平均时钟周期数 | CPI=执行某段程序需要的CPU时钟周期数➗程序包含的指令条数 |
| MIPS | 表示平均每秒执行多少百万条定点指令数 | MIPS=指令数➗(程序执行时间×10^6) |
| FLOPS | 平均每秒执行的浮点操作次数，用来衡量机器浮点操作的性能 | FLOPS=程序中的浮点操作次数➗程序执行时间(s) |
4.计算机性能评测方法
四、计算机的发展
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