1.计算机体系结构 - 五大部件

 - 冯 诺依曼 计算机的特点

1.计算机有五大部件组成

2.指令和数据以同等地位存储于存储器，可按照地址访问

3.指令和数据用二进制表示

4.指令由操作码和地址码组成

5。存储程序

6.以计算器为中心（输入、输出设备与存储器之前的数据传送通过计算器完成）

计算机体系结构 - 主存储器

1.存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码

2.存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合

3.存储字长：存储单元中二进制代码的位数（拓展：指令字长：计算机接收指令的二进制长度，机器字长：计算机在一次整数运算中能处理的最大二进制位数）

4.存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存储 1 bit

5.MAR：地址寄存器（可以用地址寄存器的长度来计算出存储单元的个数，例如：当MAR为 4 位时，那么存储单元的个数就有 2*2*2*2 （也就是2的4次方）个存储单元，）

6.MDR：数据寄存器（指的是每个存储单元能存放的最大二进制位数，例如：MDR = 16 那么一个存储单元最大就能存放 16 位二进制数）

易混淆：1个字节 = 1个Byte = 1B = 8bit = 8b

计算机体系结构 - CPU

1.运算器：用于实现算数运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如与或非）

2.ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果

3.MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果

4.X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数

5.ALU（很重要）：算数逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

6.DR：数据缓存寄存器

7.PSW：状态条件寄存器，用来保存指令运行标志（例如有些游戏打到一半关机了，下次打开的时候依旧可以接着上次的进度）

计算机体系结构 - CPU

1.CU：控制单元，分析指令，给出控制信号

2.IR：指令寄存器，存放当前执行的指令

3.PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加 1 的功能

4.AR：地址寄存器，保存当前CPU所访问的内存单元地址

5.ID：指令译码器，对操作码进行分析

6.完成一条指令的过程：取指令 -> 分析指令 -> 执行指令（之前说过：指令和数据以同等地位存储在存储器中，所以我们该如何区分此次取出来的指令还是数据呢？通过阶段来区分，例如：在取指令阶段那么从存储器中取出来的二进制数就一定表示指令）

计算机体系结构 - Flynn分类

体系结构类型	结构	关键特性	代表
单指令流单数据流SISD	控制部分：一个 处理器：一个 主存模块：一个		单处理器系统
单指令流多数据流SIMD	控制部分：一个 处理器：多个 主存模块：多个	各处理器以异步的形式执行同一条指令	1.并行处理机 2.陈列处理机 3.超级向量处理机
多指令流单数据流MISD	控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个	被证明不可能，至少以目前的技术无法实现，只是理论上存在	目前没有，有文献称流水线计算机为此类
多指令流多数据流MIMD	控制部分：多个 处理器：多个 主存模块：多个	能够实现作业、任务、指令等各级全面并行	多处理机系统 多计算机

Single：单一的

Multiple：倍数、多种多样的

指令系统 - 指令

1.指令（又称为机器指令）：是指令计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位；

2.一台计算机的所有指令的集合构成该 计算机的指令系统，也称为指令集；

指令系统 - 指令格式

1.一条指令就是机器语言的一个语句，他是一组有意义的二进制代码；

2.一条指令通常要包括 操作码字段 和 地址码字段 两部分；

重要考点：指令系统 - 寻址方式

指令系统 - 寻址方式（数据寻址）以下寻址方式从上至下 寻址效率依次降低 ->

1..立即寻址：此操作数作为指令的一部分直接写在指令中，这中操作数成为立即数

2寄存器寻址：指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器

3.直接寻址：指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址

4.寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址用 SI 、DI、Bx 、BP 四个寄存器之一来指定

5.基址加变址寻址方式：操作数在寄存器中，其有效地址是一个基址寄存器（ BX  、 BP ）和一个变址寄存器 ( SI 、DI ) 的内容之和

6.相对基址加变址寻址：操作数在寄存器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX 、 BP）的值，一个变址寄存器 （SI 、 DI）的值和指令中的 8位/16位偏移量之和 

指令系统 - CISC 和 RISC

	CISC(Complex)	RISC(Reduced)
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	一般大于 200 条	一般小于 100 条
指令字长	不固定	定长
可访存指令	不加限制	只有Load/Store指令
各种指令执行时间	相差较大	绝大多数一个周期内完成
各种指令使用频度	相差较大	都比较常用
通用寄存器数量	较少	多
控制方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线	可以通过一定方式实现	必须实现

指令系统 - 指令的流水处理

1.指令控制方式有 顺序方式、重叠方式 和 流水方式三种

2.流水方式：是指 并行性或并发性 嵌入计算机系统里的一种形式，他把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效的并发工作

3.在概念上，" 流水 "可以看成是 "重叠" 的延伸；差别仅在于 " 一次重叠 " 只是把一条指令解释分解为两个子过程，而 " 流水 " 则是分解为更多的子过程。

指令系统 - 流水线的计算

例题：若指令流水线把一条指令分为 ：取指令、分析指令、执行指令三部分，且三部分的时间分别是 -> 取指令：2ns   分析指令：2ns   执行指令：1ns ，那么流水线周期是多少？100条指令全部执行完毕需要的时间是多少？

1.流水线周期为执行时间最长的一段：上述中 取指令：2ns   分析指令：2ns   执行指令：1ns 三个发过程中执行时间最长的显然是 2ns，所以流水线周期为 2ns

2.流水线计算公式为： 1条指令执行时间 +（指令条数 - 1）* 流水线周期 ；所以计算结果如下所示 -> 

100条指令执行完的时间为：2 + 2 + 1 +（100 -1）* 2 =  203

那么如果不使用流水线处理的话100条指令执行完的时间就是：（ 2 + 2 + 1 ）*100 = 500

3.拓展：流水线的吞吐率（Though Put rate ,TP）：是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量；

4.计算流水线吞吐率的最基本的公式如下：TP = 指令条数 / 流水线执行时间

5.依照上面例题计算流水线吞吐率的话就是：100 / 203 ≈ 0.5

6.流水线开始工作后，需经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是 建立时间；若 m 个子过程所用时间一样，均为 t ，则建立时间 T = m * t

7.完成同一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比成为 流水线的加速比 ，计算流水线加速比的基本公式如下：S = 不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间

还是用上面例题的来计算 -> S = 500 / 203 ≈ 2.46