前言

本文是对王道计算机考研《计算机组成原理》课程的总结，主讲咸鱼学长讲的确实清晰。

王道考研《计算机组成原理》

由于我们学校已经开设过汇编和计算机体系结构，所以计组的笔记内容会比较精炼，不适合无基础人听。

如果有不理解的，可以回去看看我前面的CSAPP笔记和汇编语言笔记（不过我感觉还是没啥必要，我这篇文章更多的是总结性质，不适合入门学习）

CSAPP笔记：
第一卷：程序结构与执行——信息表示、指令、处理器、性能优化、储存层次
第二卷：在系统上运行程序——链接、异常控制流、虚拟内存
第三卷：程序间的交流与通信——系统级IO、网络编程、并发编程
汇编语言笔记：
汇编语言笔记——微机结构基础、汇编指令基础
汇编语言笔记——汇编程序开发、汇编大作业
汇编语言笔记——接口技术与编程

概论

计算机的发展

计算机系统

计算机硬件组成

最开始计算机是没有内存的，程序员给条指令，计算机就执行一个行为。

冯诺依曼提出了储存程序理论，程序记录了计算机要做的一系列流程，理应先放在储存器（内存）中，等计算机需要的时候按照规定顺序执行。

下图中，注意看实线，代表数据流。

输入设备把数据交给运算器，运算器和储存器进行交互，最后运算器再把结果输出给输出设备。控制器负责协调这4个部件，他只和储存器有数据交换，这是因为控制器需要从储存器中读取指令。虽然控制器负责协调，实际上还是以运算器为核心的。

现代计算器为了减轻运算器的压力，将储存器作为中心，整体运行没什么变化，只不过输入是先送到储存器中，储存器的数据也可以直接输出，都不需要经过运算器了。

各个硬件的工作原理

这一节比较抽象，我学过5级流水线CPU了，所以就直接从宏观层面去总结。

首先是主存：

1. 储存体负责具体储存数据
   • 储存单元指的是一个地址对应的空间
   • 储存元指一个可以存1bit的电子元件
   • 字就是储存单元具体的值，字长就是其bit数
2. MAR。一个寄存器，储存了地址
   • 即指向储存单元的指针
   • 长度对应内存地址空间范围
3. MDR。一个寄存器，储存一个字的数据
   • 一般MDR长度=字长
   • CPU存取数据都要经过MDR

CPU和主存通过寄存器交换着三个数据：地址，数据，指令，看一下交互过程：

1. 假设CPU要取数据，就先设置MAR，然后发一个“取”指令给主存，然后主存把数据放到MDR里。
2. 当CPU存数据时，CPU先把数据放MDR，然后设置MAR，发送一个“存”指令给主存，主存就会把MDR的数据放到目标位置。

现在CPU已经把MAR和MDR集成进去了。

再说运算器：

运算器是一个计算核心ALU+三个辅助寄存器构成：

1. ALU负责计算
2. ACC，默认的操作数和结果寄存器
3. X，第二个操作数的寄存器
4. MQ，执行乘除时会用到

一个完整的运算过程如下：

1. 取指：控制器C收到运算指令
2. 译码：取出操作符和操作数
3. 执行：ALU计算，把结果放在对应寄存器
4. 访存：输出到内存（有时候不执行）
5. 写回

有时候要多执行一个周期，先去把内存的数放到辅助寄存器中，再进行一个周期的计算。

再论控制器：

控制器以CU为核心，IR和PC是两个辅助寄存器。IR存放指令内容，PC存放下一指令地址。

现在的CPU其实是把控制器和运算器集成在了一起，同时又集成了一大堆寄存器。指令的执行其实就是CPU和内存在反复打交道。

下图描述了一条指令被CPU执行的全过程。可以看到，无论是取指令，还是取数据，都要进行内存访问。

图灵机的神奇之处就在于，第一条指令存在IR之中，运行完毕后，会决定PC值是单纯+1还是做其他处理，也就是说一条指令可以决定下一条指令是什么，如此就可以自动执行，生生不息了，所以你的计算机只要开了机，指令就是在一直运行的。

计算机系统的层次结构

计算机系统=软件+硬件/固件，实际上，在开发设计人员眼中，软硬件在逻辑上是等价的，乘法运算可以用软件去写（基于底层硬件），也可以直接用底层硬件实现，所以说软硬件只不过处在不同层次罢了。

从整体的角度来看，软硬件还可以继续细化成若干层，形成7（或者5）层结构，自下向上为：

1. 硬联逻辑。最基础的硬件，比如晶体管构成的各种逻辑门。
2. 微程序级。由基础硬件构成的功能单元。比如什么控制器，加法器，移位器等等。
3. 机器语言级。用0和1来描述抽象的模块行为。
4. 操作系统级。建立在裸机之上，上面的人看不懂机器语言，机器也看不懂人的汇编语言，在此之间操作系统构成软硬件交流的界面。
5. 汇编语言级。比如x86指令集汇编。
6. 高级语言级。用来开发的编程语言。
7. 应用语言级。应用程序。

计算机系统结构、组成、实现

1. 系统结构（体系结构）：计算机硬件有哪些部分，有哪些功能。比如CPU就是一个系统结构部分，CPU可以进行寻址，可以操作寄存器，执行指令，这是功能。又比如有内存，这是结构部分，内存空间是如何管理的，这是功能。
2. 组成：是硬件实际的结构，比如CPU的结构如何，有没有Cache，有没有片外Cache。
3. 实现：计算机组成其实是用各种模块进行组合，形成一个大型功能单位；而模块（微程序级）的物理实现，就是计算机实现部分。

程序员一般只能看到系统结构，再往下看不到了，也没必要看到。既然看不到，就可以说这就是透明的。（这个透明和生活中的透明正好是反过来的）

我们之前那本CSAPP，讲的其实是体系结构，而计组学的是组成，电子信息那帮人学的是实现。

计算机性能指标

储存器

• 字长=MDR长度
• 地址空间=$2^{MAR长度}$
• 容量=字长×地址空间

CPU

• 主频：内部时钟频率
• 时钟周期：主频倒数
• CPI（cycles per instruction）：一条指令消耗的平均周期数
• IPS（instructions per second）：一秒执行的指令数=主频/CPI
• FLOPS：一秒执行浮点指令数

CPU时间=通过CPU计算出来的时间=CPU消耗周期数/时钟频率。CPU时间仅仅是程序在CPU上消耗的时间，实际上消耗的还有其他部分，比如等待，调度啥的。

CPI即每条指令平均消耗周期，CPI=CPU时钟周期数/指令数
CPI还可以通过加权计算，CPI=不同类指令的CPI加权和。

通过加权公式可以看出，CPI受到权重影响，而不同程序会影响指令权重，所以CPI实际上受到程序影响。

CPU真正执行的时间=（指令数×CPI）/时钟频率，由此可得三个因素：

1. 时钟频率。取决于计算机实现技术
2. CPI。取决于计算机实现技术和指令集技术，指令集够不够好，如何用越少的周期实现一个指令
3. IC。指令数量，取决于从编程技术到计算机实现的一系列流程。

平时使用计算机，CPU时间太过理想，综合考虑各种因素，于是有了吞吐量这个衡量参数，更加实用。

吞吐量常用MIPS（Million IPS）衡量，即每秒百万条指令计算。为什么是百万呢。百万其实就是兆指令，对应6次方的MHz单位，通过CPU时间计算方便。

整体指标

• 数据通路带宽。我们一般说带宽指的是速度，但是这里指的其实是数据总线位宽
• 吞吐量。单位时间执行请求的数量。请求可以是指令，任务等。
• 响应时间。

性能指标的评判要用到基准程序，其实就是我们说的跑分。但是这个东西只能参考，因为我们日常的使用场景是丰富的，基准程序只能测量某一个方面。

正如我们前面说的，CPU时间很复杂，受时钟频率，CPI，IC三者约束。

Amdahl定律与加速比

Amdahl定律用于衡量一个部分的性能对于整体性能的重要性，具体用加速比计算，加速比=改进后性能/改进前性能=改进前时间/改进后时间。原理很简单，改进的加速比取决于这一部分的占比（可向量化百分比）与提升空间（优化部分可以提升到什么程度）。