1.計算機體系結構 - 五大部件

?- 馮 諾依曼 計算機的特點

1.計算機有五大部件組成

2.指令和數據以同等地位存儲于存儲器，可按照地址訪問

3.指令和數據用二進制表示

4.指令由操作碼和地址碼組成

5。存儲程序

6.以計算器為中心（輸入、輸出設備與存儲器之前的數據傳送通過計算器完成）

計算機體系結構 - 主存儲器

1.存儲單元：每個存儲單元存放一串二進制代碼

2.存儲字（word）：存儲單元中二進制代碼的組合

3.存儲字長：存儲單元中二進制代碼的位數（拓展：指令字長：計算機接收指令的二進制長度，機器字長：計算機在一次整數運算中能處理的最大二進制位數）

4.存儲元：即存儲二進制的電子元件，每個存儲元可存儲 1 bit

5.MAR：地址寄存器（可以用地址寄存器的長度來計算出存儲單元的個數，例如：當MAR為 4 位時，那么存儲單元的個數就有 2*2*2*2 （也就是2的4次方）個存儲單元，）

6.MDR：數據寄存器（指的是每個存儲單元能存放的最大二進制位數，例如：MDR = 16 那么一個存儲單元最大就能存放 16 位二進制數）

易混淆：1個字節 =?1個Byte = 1B =?8bit = 8b

計算機體系結構 - CPU

1.運算器：用于實現算數運算（如：加減乘除）、邏輯運算（如與或非）

2.ACC：累加器，用于存放操作數，或運算結果

3.MQ：乘商寄存器，在乘、除運算時，用于存放操作數或運算結果

4.X：通用的操作數寄存器，用于存放操作數

5.ALU（很重要）：算數邏輯單元，通過內部復雜的電路實現算數運算、邏輯運算

6.DR：數據緩存寄存器

7.PSW：狀態條件寄存器，用來保存指令運行標志（例如有些游戲打到一半關機了，下次打開的時候依舊可以接著上次的進度）

計算機體系結構 - CPU

1.CU：控制單元，分析指令，給出控制信號

2.IR：指令寄存器，存放當前執行的指令

3.PC：程序計數器，存放下一條指令地址，有自動加 1 的功能

4.AR：地址寄存器，保存當前CPU所訪問的內存單元地址

5.ID：指令譯碼器，對操作碼進行分析

6.完成一條指令的過程：取指令 -> 分析指令 -> 執行指令（之前說過：指令和數據以同等地位存儲在存儲器中，所以我們該如何區分此次取出來的指令還是數據呢？通過階段來區分，例如：在取指令階段那么從存儲器中取出來的二進制數就一定表示指令）

計算機體系結構 - Flynn分類

體系結構類型	結構????????	關鍵特性	代表
單指令流單數據流SISD	控制部分：一個 處理器：一個 主存模塊：一個	????????	單處理器系統
單指令流多數據流SIMD	控制部分：一個 處理器：多個 主存模塊：多個	各處理器以異步的形式執行同一條指令	1.并行處理機 2.陳列處理機 3.超級向量處理機
多指令流單數據流MISD	控制部分：多個 處理器：一個 主存模塊：多個	被證明不可能，至少以目前的技術無法實現，只是理論上存在	目前沒有，有文獻稱流水線計算機為此類
多指令流多數據流MIMD	控制部分：多個 處理器：多個 主存模塊：多個	能夠實現作業、任務、指令等各級全面并行	多處理機系統 多計算機

Single：單一的

Multiple：倍數、多種多樣的

指令系統 - 指令

1.指令（又稱為機器指令）：是指令計算機執行某種操作的命令，是計算機運行的最小功能單位；

2.一臺計算機的所有指令的集合構成該 計算機的指令系統，也稱為指令集；

指令系統 - 指令格式

1.一條指令就是機器語言的一個語句，他是一組有意義的二進制代碼；

2.一條指令通常要包括 操作碼字段 和 地址碼字段 兩部分；

重要考點：指令系統 - 尋址方式

指令系統 - 尋址方式（數據尋址）以下尋址方式從上至下 尋址效率依次降低 ->

1..立即尋址：此操作數作為指令的一部分直接寫在指令中，這中操作數成為立即數

2寄存器尋址：指令所要的操作數已存儲在某寄存器中，或把目標操作數存入寄存器

3.直接尋址：指令所要的操作數存放在內存中，在指令中直接給出該操作數的有效地址

4.寄存器間接尋址：操作數在存儲器中，操作數的有效地址用 SI 、DI、Bx 、BP 四個寄存器之一來指定

5.基址加變址尋址方式：操作數在寄存器中，其有效地址是一個基址寄存器（ BX? 、?BP ）和一個變址寄存器 ( SI 、DI ) 的內容之和

6.相對基址加變址尋址：操作數在寄存器中，其有效地址是一個基址寄存器（BX 、 BP）的值，一個變址寄存器 （SI 、 DI）的值和指令中的 8位/16位偏移量之和?

指令系統 - CISC 和 RISC

	CISC(Complex)	RISC(Reduced)
指令系統	復雜，龐大	簡單，精簡
指令數目	一般大于 200 條	一般小于 100 條
指令字長	不固定	定長
可訪存指令	不加限制	只有Load/Store指令
各種指令執行時間	相差較大? ? ? ??	絕大多數一個周期內完成
各種指令使用頻度	相差較大	都比較常用
通用寄存器數量	較少	多
控制方式	絕大多數為微程序控制	絕大多數為組合邏輯控制
指令流水線	可以通過一定方式實現	必須實現

指令系統 - 指令的流水處理

1.指令控制方式有 順序方式、重疊方式 和 流水方式三種

2.流水方式：是指 并行性或并發性 嵌入計算機系統里的一種形式，他把重復的順序處理過程分解為若干子過程，每個子過程能在專用的獨立模塊上有效的并發工作

3.在概念上，" 流水 "可以看成是 "重疊" 的延伸；差別僅在于 " 一次重疊?" 只是把一條指令解釋分解為兩個子過程，而 " 流水 " 則是分解為更多的子過程。

指令系統 - 流水線的計算

例題：若指令流水線把一條指令分為 ：取指令、分析指令、執行指令三部分，且三部分的時間分別是 -> 取指令：2ns? ?分析指令：2ns? ?執行指令：1ns ，那么流水線周期是多少？100條指令全部執行完畢需要的時間是多少？

1.流水線周期為執行時間最長的一段：上述中?取指令：2ns? ?分析指令：2ns? ?執行指令：1ns 三個發過程中執行時間最長的顯然是 2ns，所以流水線周期為 2ns

2.流水線計算公式為： 1條指令執行時間 +（指令條數 - 1）* 流水線周期 ；所以計算結果如下所示 ->?

100條指令執行完的時間為：2 + 2 + 1 +（100 -1）* 2 =? 203

那么如果不使用流水線處理的話100條指令執行完的時間就是：（ 2 + 2 + 1 ）*100 = 500

3.拓展：流水線的吞吐率（Though Put rate ,TP）：是指在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出的結果數量；

4.計算流水線吞吐率的最基本的公式如下：TP = 指令條數 / 流水線執行時間

5.依照上面例題計算流水線吞吐率的話就是：100 /?203 ≈ 0.5

6.流水線開始工作后，需經過一定時間才能達到最大吞吐率，這就是 建立時間；若 m 個子過程所用時間一樣，均為 t ，則建立時間 T = m * t

7.完成同一批任務，不使用流水線所用的時間與使用流水線所用的時間之比成為 流水線的加速比 ，計算流水線加速比的基本公式如下：S = 不使用流水線執行時間 / 使用流水線執行時間

還是用上面例題的來計算 -> S = 500 / 203 ≈ 2.46