計算機系統簡介
硬件體系
講授內容：計算機、組織（組成：計算機硬件系統的邏輯實現——數字電路、數字邏輯）、原理（不依托機器）
基本內容
基本部件的結構與組織方式
基本運算的操作原理
基本部件與基本單元的設計思想，如何將部件連接起來
特色
計算機組成的一般原理，不易具體機型為依托
采用自頂而下的方式、層層細化
教材：唐碩飛-計算機組成原理（第二版），學習指導與習題解答
參考教材：Patterson\Hennessy-計算機組成與設計：硬/軟件接口；數字設計和計算機體系結構（共有兩部分，實現處理器）
計算機組成原理是連接軟硬件的中間層
課程組織
1、概論
2、計算機系統硬件結構 存儲器、IO、CPU、系統總線
3、CPU（ALU、CU、寄存器）
4、CU（排隊邏輯、寄存器解碼器、控制存儲器）
第一章 計算機系統概論
物聯網：將傳感器嵌入到各設備之中，並且被普遍連接，即“物聯網”，+“互聯網”=人類社會與物理系統的整合。
超算：HPC（higher performance computer） TF（千萬億次）
1.1計算機軟硬件概念
計算機系統：硬件（實體）、軟件（具有各類特殊功能的信息組成）
層次結構——軟件：系統軟件（管理整個計算機系統；語言處理程序，操作系統，服務性程序（數學庫），數據庫管理系統）、應用軟件（按任務需要編織成的各種程序）
高級語言--匯編語言--機器語言-||軟硬件分界線||-微指令解釋機器指令--硬件執行微指令
計算機組成與計算機體系結構區別：實現計算機體系結構所體現的屬性（具體指令實現）；系統結構定義了軟硬件交界面，程序員所見到的計算機系統屬性（指令 系統、數據類型、尋址技術、IO機理）
1.2計算機的基本組成
馮諾依曼計算機（存儲程序型計算機）特點
五大組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備
指令和數據以同等地位保存在存儲器中，咳咳按地址尋訪
指令和數據二進制表示（為什么？）
指令有操作碼和地址碼
存儲程序
以運算器為中心
馮諾依曼計算機硬件框圖 （實線：數據；虛線：控制）
存在問題：以運算器為核心（瓶頸）
改進：
1.以存儲器為中心
可以用層次化的設計思想
改進：層次化（按層次划分模塊）、模塊化（要能夠組裝在一起，有明確定義的功能和接口方便組裝）、規則性（是模塊更容易被重用，對模塊規范化），也稱3Y法則
可計算理論：可計算性問題，不可計算問題（圖靈機停機問題）
建立數學模型（eg sin(x)） 、確定計算方法（泰勒展開，精度確認）
指令和數據都是保存在存儲器中（存儲器結構，如何訪問存儲器）
存儲器結構
1.存儲器的基本組成：存儲體-存儲單元（二進制代碼）-存儲字（單元中二進制代碼集合）-存儲字長（存儲單元中二進制代碼的位數，每個存儲單元賦予一個地址號；按地址尋訪）-存儲元件；
MAR-存儲器地址寄存器，反應存儲單元個數
MDR-存儲器數據寄存器，反應存儲字長
存儲體存儲01代碼
每個存儲單元里存儲的01個數稱為存儲字長
假設MAR4位，從0000到1111，說明一共有16個存儲單元
MDR8位，說明每個存儲字字長是8位
運算器
假設程序已經保存為二進制代碼，可按地址尋訪
假設模型機有三個寄存器：累加器、
結構與功能（完成運算）
ALU，組合電路，特點是輸入結果撤銷，那么輸出也撤銷；因此要在其輸入端加上寄存器（保存參與運算的數據；ACC，X數據寄存器）；乘法中產生的結果長度是操作數的兩倍(為什么)，因此要加另一個寄存器
加法操作
memory
減法操作
乘法操作
乘法操作移位，這些操作總體上有先后順序（由控制器控制）
除法操作
可以看出，MQ僅用於乘除，所以MQ寄存器又叫做，乘商寄存器
控制器
功能：解釋指令，保證指令按序進行
完成一條指令：取指令、分析指令、執行指令
取指令：PC（程序計數器） 存放當前欲執行指令的地址，具備計數功能（PC）+1 -->PC（自動調整）
分析指令：IR（指令寄存器）存放當前欲執行的指令
執行指令：CU（控制單元）
運算器、控制器、存儲器構成了主機
主機上一條指令的執行過程
以取數指令為例：
一、取指令
1.PC把指定地址送給MAR
2.MAR再送給存儲體
3.控制器控制下，存儲體把指定存儲單元中保存的取數指令取出來，送入MDR
4.把指令送給IR
二、分析指令
5.把寄存器中的操作碼送給CU進行執行，把M中的數據取到ACC中；把地址部分送給存儲器，以便從存儲體中取數據
三、IR開始（保存了當前指令，當前指令地址、當前指令操作數的地址），地址嗎部分從把地址送給MAR，MAR 把地址送給存儲體，在控制器的作用下，從存儲體中把數取出，存入MDR，再送入ACC
OP 操作碼；Ad地址碼；連打印也得經過取指令、分析指令、執行指令的過程
課后練習：
將乘法、除法指令的運行過程按照上述計算機結構表述出來
1.3計算機硬件的主要技術指標
1.機器字長，CPU一次能夠處理數據的位數，（CPU可以對兩個8位數做加法結果依舊是8位，那么這個CPU一次可以處理的數據位數是8位，不是24位；機器字長和CPU的寄存器位數相等的；為了簡化問題，存儲器字長也是這樣——僅限於當前假設的模型機）
一般來說，機器字長越長，性能越好；
2.運算速度
主頻
核數，每個核支持的線程數
吉布森法（指令執行速度），以使用頻率做權重來做加權平均
CPI 執行一條指令所需的時鍾周期
MIPS 每秒執行百萬條指令
FLOPS 美妙浮點運算次數
3.存儲容量（主存容量、輔存容量）
存放二進制信息總位數