第一章 計算機組成與體系結構
系統構建於硬件與操作系統之上，對計算機底層原理有一定認識后，我們可以對安全與性能有更好的了解、認識，方便優化。
1.1 計算機系統組成
計算機系統是一個硬件和軟件的綜合體，可看做是按功能划分的多級層次結構。
1.1.1 計算機硬件的組成
硬件通常指能看得見、摸得着的設備實體。
原始的馮-諾依曼 計算機在結構上以運算器為中心，現在轉向以存儲器為中心了。
（1）控制器的組成：
1>.程序計數器PC(program counter)
詳細解釋摘自百度
程序計數器是用於存放下一條指令所在單元的地址的地方。
當執行一條指令時，首先需要根據PC中存放的指令地址，將指令由內存取到
指令寄存器中，此過程稱為“取指令”。與此同時，PC中的地址或自動加1或由轉移指針給出下一條指令的地址。此后經過分析指令，執行指令。完成第一條指令的執行，而后根據PC取出第二條指令的地址，如此循環，執行每一條指令。
程序計數器是計算機
處理器中的
寄存器，它包含當前正在執行的指令的地址（位置）。當每個
指令被獲取，程序計數器的存儲地址加一。在每個指令被獲取之后，程序計數器指向順序中的下一個指令。當計算機重啟或復位時，程序計數器通常恢復到
[1] 零。
2>.指令寄存器IR （Instruction Register）：存儲即將執行的指令
3>.指令譯碼器ID (Instruction Decoder) ：對指令中的操作碼字段進行分析解釋
操作碼表示要執行的操作性質，即執行什么操作，或做什么；
地址碼是操作碼執行時的操作對象的地址。
計算機執行一條指定的指令時，必須首先分析這條指令的操作碼是什么，以決定操作的性質和方法，
然后才能控制計算機其他各部件協同完成指令表達的功能。這個分析工作由譯碼器來完成。
4>.時序部件：提供時序控制信號
（2）運算器，運算器也稱為算術邏輯單元（ArithmeticandLogicUnit ,ALU）, 主要功能時在控制器的控制下完成各種算術運算和邏輯運算。
運算器組成包含：
1>.算術邏輯單元ALU:數據的算術運算和邏輯運算
2>.累加寄存器AC (accumulator ):通用寄存器，為ALU提供一個工作區，用於暫存數據
3>.數據緩沖寄存器DR(Data Register):寫內存時，暫存指令或數據
4>.狀態條件寄存器PSW：存狀態標志與控制標志（也有的，將他歸類為：控制器）
（3）主存儲器 （也稱為內存儲器，內存或者主存）。
（4）輔助存儲器（也稱為外存儲器，外存或者輔存），存儲需要長期保存的各種信息
（5）輸入設備
（6）輸出設備
1.1.2 計算機系統結構的分類
計算機的發展經歷了電子管、晶體管時代、集成電路時代（中小規模、大規模、超大規模、甚大規模、極大規模）。
1.存儲程序的概念
1946年6月馮-諾依曼等人提出，可概括為：
（1）計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備五大基本部件組成。
（2）計算機內部采用二進制來表示指令和數據
（3）將編好的程序和原始數據事先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作。
馮-諾依曼型計算機的主要弱點：存儲器訪問
通過百度文庫檢索到的這篇文章，觀點：認為馮-諾依曼結構體系的瓶頸主要是因為：串性
https://wenku.baidu.com/view/7c8bd42f2af90242a895e58d.html
目前出現的一些突破存儲程序控制的計算機，統稱為：非馮-諾依曼型計算機，
例如：數據驅動的數據流計算機、需求驅動的歸約計算機和模式匹配驅動的智能計算機等。
2.Flynn分類
1966年，Michael.J.Flynn 提出根據指令流-數據流的多倍性特征對計算機系統進行分類（通常稱為Flynn分類法），有關定義：
（1）指令流：指機器執行的指令序列；
（2）數據流：指由指令流調用的數據序列，包括輸入數據和中間結果，但不包括輸出數據。
Flynn 根據不同的指令流-數據流組織方式，把計算機系統分成四類：
（1）單指令流單數據流（Single Instruction stream and Single Data stream ,SISD）
SISD就是傳統的順序執行的單處理計算機，其指令部件每次只對一條指令進行譯碼，並只對一個操作部件分配數據。
（2）單指令流多數據流（Single Instruction stream and Multiple Data stream,SIMD）
SIMD以並行處理機（矩陣處理機）為代表，並行處理機包括多個重復的處理單元，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同數據。
（3）多指令流單數據流（Multiple Instruction stream and Single Data stream,MISD）
MISD具有n個處理單元，按n條不同指令的要求對同一數據流及中間結果進行不同的處理。一個處理單元的輸出又作為另一個處理單元的輸入。這類系統實際上很少見到。有文獻把流水線看作多個指令部件，稱流水線計算機是MISD。
（4）多指令流多數據流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream ,MIMD）
MIMD 是指能實現作業、任務、指令等各級全面並行的多機系統。如多核處理器、多處理機屬於MIMD。
1.1.3 復雜指令集系統與精簡指令集系統
計算機系統結構發展的過程中，指令系統的優化設計有兩個截然相反的方向，
一個是增強指令的功能，設置一些功能復雜的指令，把一些原來由軟件實現的、常用的功能改用硬件的指令系統來實現，這種計算機系統 統稱為復雜指令系統計算機（Complex Instruction Set Computer ,CISC）
另一個是盡量簡化指令功能，只保留那些功能簡單，能在一個節拍內執行完成指令，較復雜的功能用一段子程序來實現，這種計算機系統統稱為精簡指令系統計算機
（Reduced Instruction Set Computer,RISC）
1.CISC指令系統的特點
CISC指令系統的主要特點：
（1）指令數量眾多。指令系統擁有大量的指令，通常有100~250條。
（2）指令使用頻率相差懸殊。最常使用的是一些比較簡單的指令，僅占指令總數的20%,但在程序中出現的頻率缺占80%。而大部分復雜指令卻很少使用。
（3）支持很多種尋址方式。支持的尋址方式通常為5~20種。
（4）變長的指令。指令長度不是固定的，變長的指令增加指令譯碼電路的復雜性。
（5）指令可以對主存單元中的數據直接進行處理。
典型的CISC 通常都有指令能夠直接對主存單元中的數據進行處理，其執行速度較慢。
（6）以微程序控制為主。CISC的指令系統很復雜，難以用
硬布線邏輯（組合邏輯）電路實現控制器，通常采用微程序控制。
https://baike.baidu.com/item/%E7%A1%AC%E5%B8%83%E7%BA%BF%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/5791306
硬布線控制器是早期設計
計算機的一種方法。硬布線控制器是將控制部件做成產生專門固定時序
控制信號的邏輯電路，產生各種控制信號，因而又稱為組合邏輯控制器。這種邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設計目標，因為該邏輯電路由門電路和
觸發器構成的復雜
樹型網絡，所以稱為硬布線控制器。
一旦控制部件構成后，除非重新設計和物理上對它重新布線，否則要想增加新的控制功能是不可能的。 硬布線控制器是計算機中最復雜的邏輯部件之一。
2.RISC 指令系統特點：
RISC要求指令系統簡化，操作在單周期內完成，指令格式力求一致，尋址方式盡可能減少，並提高編譯的效率，最終達到加快機器處理速度的目的。
RISC指令系統的主要特點：
（1）指令數量少。優先選取使用頻率最高的一些簡單指令和一些常用指令，避免使用復雜指令。 只提供了LOAD（從存儲器中讀數）和STORE（把數據寫入存儲器）兩條指令對存儲器操作，其余所有的操作都在CPU的寄存器之間進行。
（2）指令的尋址方式少。通常只支持
寄存器尋址方式、
立即數尋址方式和
相對尋址方式。
（3）指令長度固定，指令格式種類少。因為RISC指令數量少、格式少、相對簡單，其指令長度固定，指令之間各字段的划分比較一致，譯碼相對容易。
（4）以硬布線邏輯控制為主，為了提高操作的執行速度，通常采用硬布線邏輯（組合邏輯）來構建控制器
（5）單周期指令執行，采用流水線技術。因為簡化了指令系統，很容易利用流水線技術，使得大部分指令都能在一個機器周期內完成。少數指令可能會需要多周期，例如，LOAD/STORE指令因為需要訪問存儲器，其執行時間就會長一些。
（6）優化的編譯器：RISC的精簡指令集使編譯工作簡單化。因為指令長度固定、格式少、尋址方式少，編譯時不必在具有相似功能的許多指令中進行選擇，也不必為尋址方式的選擇而費心，同時易於實現優化，從而可以生成高效率執行的機器代碼。
（7）CPU中的通用寄存器數量多，一般在32個以上，有的可達上千個。
大多數RISC采用了Cache方案，使用Cache來提高取指令的速度。而且，有的RISC使用兩個獨立的Cache來改善性能。一個稱為指令Cache,另一個稱為數據Cache。這樣，取指令和取數據可以同時進行，互不干擾。
1.1.4總線
總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。
共享是指總線上可以掛接多個部件，各個部件之間相互交換的信息都可以通過這組公共線路傳送；
分時是指同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，如果出現兩個或兩個以上部件同時向總線發送信息，勢必導致信息沖突。當然，在同一時刻，允許多個部件同時從總線上接收相同的信息。
按總線相對於CPU或其他芯片的位置可分為：內部總線和外部總線兩種。
1.在CPU內部，寄存器之間和算術邏輯部件ALU 與控制部件之間傳輸數據所用的總線稱為內部總線。
2.外部總線：指CPU與內存RAM、ROM和輸入/輸出設備接口之間進行通信的通路。
由於CPU通過總線實現程序取指令、內存/外設的數據交換，在CPU與外設一定的情況下，總線速度是制約計算機整體性能的最大因素。
按總線功能來划分，又可分為地址總線、數據總線、控制總線三類。
地址總線用來傳送地址信息，數據總線用來傳送數據信息，控制總線用來傳送各種控制信號。