Components & Interconnects
Components & Interconnects
计算机组件
计算机主要是由以下三部分组成
- 中央处理器（CPU）
- CPU =控制单元（CU）+算术和逻辑单元（ALU）
- 两个功能：控制和计算
- IO
- 因为数据和指令需要进入系统
- 并且我们需要输出结果
- 主存（Main Memory）
- 需要临时存储代码（程序）和结果
寄存器（Register）：存储信息的地方
- 程序计数器（PC）：也称为指令地址寄存器；它存储将要执行的下一条指令的内存地址；在获取指令后它将增加
- 指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的指令
- 内存地址寄存器（MAR）：它存储将从中将数据提取到CPU的内存地址或将数据发送到的内存地址
- 内存缓冲寄存器（MBR）：它存储与即时访问存储器之间传输的数据
指令（Instruction）
- 指令是由CPU完成的算术或逻辑运算
- ADD：将两个数字加在一起
- COMPARE：比较数字
- JUMP：跳转到RAM地址
- LOAD：将信息从RAM加载到CPU
- 指令集是计算机支持的指令集
- 取决于硬件–不同的体系结构将支持不同的指令集
程序（Program）是什么
程序：一系列指令
- 不能使用C，Java，Python等高级语言编写程序语句，但可以把他们翻译成程序语句
- 每个程序语句将转换为一系列指令
- 例如：IN，ADD，JUMP，LOAD，OUT
- 旨在实现一定功能
机器语言编写程序不仅难读,难写而且非常不灵活.
用汇编语言开发程序
若用符号表示跳转位置和变量位置，是否简化了问题？
于是，汇编语言出现：用助记符表示操作码，用标号表示位置，用助记符表示寄存器
用汇编语言编写的优点是： 不会因为增减指令而需要修改其他指令 不需记忆指令编码，编写方便 可读性比机器语言强。不过，这带来新的问题，是什么呢？人容易了，可机器不认识这些指令了.所以，我们需将汇编语言转 换为机器语言！ 我们用汇编程序作为中介进行转换
但是，我们进一步认识汇编语言，会发现汇编语言(源)程序由汇编指令构成
- 什么是汇编指令？
- 用助记符和标号来表示的指令（与机器指令一一对应）
- 指令又是什么呢？
- 包含操作码和操作数或其地址码
- 机器指令用二进制表示
- 汇编指令用符号表示
- 只能表达这些：取（或存一个数）、两个数加（或减、乘、除、与、或等）、根据运算结果判断是否转移执行
- 包含操作码和操作数或其地址码
想象用汇编语言编写复杂程序是怎样的情形？ （例如，用汇编语言实现排序（sort）、矩阵相乘） 需要描述的细节太多了！程序会很长很长！而且在不同 结构的机器上就不能运行！
机器语言和汇编 语言都是面向机 器结构的语言， 故它们统称为机 器级语言
结论：用汇编语言比机器语言好，但是，还是很麻烦！
高级编程语言
- 它们与具体机器结构无关
- 面向算法描述，比机器级语言描述能力强得多
- 高级语言中一条语句对应几条、几十条甚至几百条指令
- 有“面向过程”和“面向对象”的语言之分
- 处理逻辑分为三种结构 • 顺序结构、选择结构、循环结构
- 有两种转换方式：“编译”和“解释”
- 编译程序(Complier)：将高级语言源程序转换为机器级目 标程序，执行时只要启动目标程序即可
- 解释程序(Interpreter )：将高级语言语句逐条翻译成机器 指令并立即执行，不生成目标文件
经典案例：Hello，world的编写
我们用C++ 一个简单的程序
#include <stdio.h>
int main()
{
printf(hello, world\n);
}
数据经常在各存储部件间传送。故现代计算机大多采用“缓存”技术
所有过程都是在CPU执行指令所产生的控制信号的作用下进行的
指令周期（Instruction Cycle）
两个主要步骤：取、执行
指令周期（Instruction Cycle） = 提取周期（Fetch Cycle）+ 执行周期（Execute Cycle）, 可能会有中中断周期
所有步骤均由控制单元使用内置时钟（周期）控制：synchronization
因此，一条指令通常消耗一个以上的时钟周期（步骤和顺序的调节器）
提取周期（Fetch Cycle）中的动作
- 程序计数器（PC）已保存要提取的下一条指令的地址
- 指令顺序执行
- 处理器从PC指向的内存位置获取指令（需要先将地址放入MAR）
- 指令加载到指令寄存器（IR）中（需要先将指令放入MBR）
- PC计数器增量（顺序执行）
- 除非在执行周期中另有说明（例如，从IF-THEN-ELSE，循环语句）
- 处理器解释指令并准备执行所需的操作
执行周期（Execute Cycle）中的动作
取决于指令
- 处理器-内存
- CPU和主存储器之间的数据传输
- 处理器-I / O
- CPU和I / O模块之间的数据传输
- 数据处理
- 对数据进行一些算术或逻辑运算（ALU运算）
- 控制
- 操作顺序的变更，例如分支和跳转（来自循环，函数调用等语句）
- 以上组合
程序执行示例
最初：PC：300指令是IR中的第一位
首先，程序计数器（也称为指令地址寄存器/PC）中记录了内存中下一条应该执行的指令地址为300
之后，IR获取了地址为在内存中地址为300的程序指令1940（虽然我们不知道1940代表的指令是什么意思,我们假设它代表的意思为获取内存地址为940的值，故AC此时编程0003）
同时，PC更新为下一个内存地址301。
之后，IR获取了地址为在内存中地址为301的程序指令5941，（虽然我们不知道5941代表的指令是什么意思,我们假设它代表的意思为把内存地址为941的值和当前的值进行加和并存储到AC中，故AC此时编程0005）
同时，PC更新为下一个内存地址302.
之后，IR获取了地址为在内存中地址为302的程序指令2941（虽然我们不知道2941代表的指令是什么意思,我们假设它代表的意思为把当前AC的值存储到内存地址为941的地方，故AC此时编程0003）
同时，PC更新为下一个内存地址303.
......
用图来看是这样的
中断（Interrupts）
中断：其他模块（例如I / O）可以中断正常处理顺序的机制
问题：想象一下，如果你在通话中并接到另一个来电，该怎么办？
也许我会考虑这另一个来电是否重要，重要的话，我会接听。不重要的话，我会等当前的电话打完后再处理另一个，即判断是否有接听的必要
中断源
- 程序，例如溢出，除以零
- 计时器，例如由内部处理器计时器生成
- I / O，例如从I / O控制器
- 硬件故障，例如内存奇偶校验错误
通过中断转移控制（Transfer of Control via Interrupts）
如果发生中断：
- 处理器暂停当前程序的执行并保存其上下文
- 将PC设置为中断处理程序的起始地址
中断周期（Interrupt Cycle）
中断可能不可避免，所以，我们需要制定相关流程
- 处理器检查中断
- 由中断信号指示
- 如果没有中断，则获取下一条指令
- 如果中断待处理：
- 暂停当前程序的执行
- 保存上下文
- 将PC设置为中断处理程序例程的起始地址
- 处理中断
- 恢复上下文并继续中断的程序
带中断的指令周期（Instruction Cycle with Interrupts）
图解
程序流程控制（Program Flow Control）
多次中断（Multiple Interrupts）
无需了解详细信息，仅供参考
多个中断：当前正在处理中断时出现中断
- 解决方案1：顺序处理：中断按顺序发生
- 处理器在处理一个中断时将忽略其他中断
- 中断保持挂起状态，并在处理完第一个中断后进行检查
解决方案2：嵌套处理：允许中断期间的中断
问题：两种方法有什么区别？
- 如何处理？ 设置公正和紧急的优先事项
- 低优先级中断可以被高优先级中断打断
- 处理较高优先级的中断后，处理器将返回上一个中断
连接计算机组件（互连）
所有单元必须连接
不同类型的单元有不同类型的连接
- Memory
- Input/Output
- CPU
电脑模块/组件
所有三个组件均通过bus(es)进行通信,如下图
## Bus
Interconnection Scheme （了解即可）
BUS(总线) 是什么
连接两个或更多设备的通信路径
- 通常广播，经常分组
- 一条总线中的多个通道，例如32位数据总线是32个独立的单个位通道
- 通常广播，经常分组
三种总线类别：数据总线，地址总线和控制总线
单总线与多总线结构
- 例如Unibus（DEC-PDP）
- 例如控制/地址/数据总线（PC）
专用总线
- 分配给单个功能，例如用于地址或数据的功能，称为地址总线和数据总线
- 不同组件的分离总线
多路总线
- 用于地址和数据-共享线
- 优势：行数更少
- 缺点：更复杂的控制和资源的顺序使用将限制性能
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引用材料
- William Stallings, “Computer organization and architecture: Designing for Performance”, 8th Edition, 2010
- Dr. Kai Zhou's PowerPoint
- https://www.cnblogs.com/chenxuming/p/9609463.html