Components & Interconnects

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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

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
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

有关内容推荐

https://www.doc.ic.ac.uk/~eedwards/compsys/index.htmlopen in new window

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.htmlopen in new window

Components & Interconnects

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# 指令（Instruction）

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# 经典案例：Hello，world的编写

# 指令周期（Instruction Cycle）

# 提取周期（Fetch Cycle）中的动作

# 执行周期（Execute Cycle）中的动作

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# 中断（Interrupts）

# 通过中断转移控制（Transfer of Control via Interrupts）

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# 带中断的指令周期（Instruction Cycle with Interrupts）

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# Interconnection Scheme （了解即可）

# BUS(总线) 是什么

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指令周期（Instruction Cycle）

提取周期（Fetch Cycle）中的动作

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BUS(总线) 是什么

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