Computer Abstractions

计算机系统结构的概述

　　（MOOC：计算机系统设计）

组成：

　　硬件：CPU +MM（主存）+I/O(输入/输出）

　　软件：系统软件+应用软件

层次结构：

发展简史：

　　第一代：真空管 

　　　　·ENIAC

　　　　·冯诺依曼机：

　　　　　　存储程序、程序控制

　　　　　　　　存储程序：将事先编号的程序、原始数据送入主存中，启动执行。计算机能自动逐条取出并且执行指令。

　　　　冯诺依曼：存储程序通用电子计算机方案（电子离散自动计算机）

　　　　　构想： 计算机应由：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 五基本部件构成。

　　　　　　　　·各部件功能： 存（数据、指令，形式上无区别，但机器能区分）

　　　　　　　　　　　　　　  控制器：自动执行指令

　　　　　　　　　　　　　　  运算器： 能进行基本算术运算，也能进行一些逻辑运算、附加运算。　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　  操作人员通过I/O 和主机进行通讯

　　　　　　　　·内部以二进制表示指令和数据

　　　　　　　　·采用“存储程序”工作方式

　　存储程序通用电子计算机方案（电子离散自动计算机）

　　第二代：晶体管

　　　　元器件：逻辑元件采用晶体管，内存由磁芯构成，外存为磁鼓与磁带），

　　　　软件（使用高级语言）

　　三代：SSI/MSI 

　　　　元器件：

　　四代：

计算机系统概述：

计算机：分而治之

　　　　　　　　

分界——

　　晶体管

　　兼容机

　　总线结构

　　　　好处：可扩充性等

　　四代——特点

　　70年代开始计算机小型化

　　

基本组成与基本功能：

　　计算机实现所有任务都是通过执行一条一条指令完成的。

　　解剖一台计算机（分而治之）

　　芯片功能模块：

　　　　处理器内部布局

　　Cache：指令

　　

　　普林斯顿高等研究院——>IOS  ：ias计算机

　　EDSAC

　　

　　你认为冯诺依曼结构式怎样的？

　　

　　　　

　　GPRs：是什么

　　MDR 、IR

　　Cache：高速缓冲器。快于储存。

　　GP：

　　General packet：压缩包

　　perpose ： GP

　　

　　指令集合：ISA

　　

　　计算机是如何工作的？

　　　　程序执行前：

　　　　执行程序：

　　　　　　第一步：根据PC取指令 ————>IR计算器

　　　　　　第二部

　　　　　　第三步

　　　　　　第四步

　　　　　　第五步：送回计算器或者主存里

　　　　　　第六步：修改下一个指令的值（根据PC取指令）（连接第一步）

　　　

　　指令数据

　　　　启动前：存储程序

　　　　指令执行过程：  DIS ->MM(主存) -(PC计算器)> CPU(IR、GPR)

　　　　操作性质（操作码）：二哥

　　　　　　源操作数1 或/和 源操作数2

　　　　　　目的操作数地址 （只能是：。。。）

　　Compiler ：编译

　　

Hardware/Software Interface

右侧： 高级语言程序->汇编语言程序（Linux指令) (架构<体系结构>：MIPS）【lw（load word）从内存装载】 ->机器语言指令（前八个：操作符，后面操作数： 1111：15，0100：$）->控制信号

机器语言：指令代码构成，能被硬件直接地执行（产生控制信号）

Software：

　　系统软件：

　　　　　　翻译程序：

　　　　　　　　汇编程序：汇编语言源程序 ->机器目标指令（程序）

　　　　　　　　编译程序（先编译，生成目标文件，额外占用内存）：

　　　　　　　　解释程序：将高级语句逐条翻译成机器指令并执行，不生成目标文件。

　　　　　　其他程序：磁盘整理程序、备份程序等。

　　　　应用软件：解决具体应用问题

体系结构

计算机系统层次

ISA（指令集）是软/硬件的交界面 ：最核心部分！

　　不同用户不一样：虚拟

典型系统硬件组成　　

　　I/O bridge：芯片组

　　chipset

　　南桥（I/O -I/O bus）（慢一些）、北桥（作用大一些）（I/O  Memory bus、system bus）：

　　

CPU：

　　MIPS :运算器用的数来源于计算器

　　LW、ld :访问主存

　　计算器访问速度快，

典型程序转换过程：

例：hello.c：

　　功能：输出：hello，world

　　hello.c 的ASCII :文本表示               十进制数

　　例 ： ‘#’  ：35 =　32+2 +1　  ： 100000   + 10 +01 =  00100011(二进制）   =   23H（16进制）

　　老师，16进制H咋化出来的

　　pre（预编译）->compiler(编译器 )->assem（汇编）->linker(链接）:最后得到可执行文件（二进制机器指令）

　　

Red：shell命令行处理

cache：缓存

1级缓存.cpu内部

2级缓存.l1 ：cpu、主存之间

Course  Outline

·性能评价方法

·计算机算术

　　·数据的表示、运算

存储器层次结构

指令集体系结构

CPU设计

　　·数据通路（Data path）和控制器（Control Unit）

流水线技术

系统总线

输入/输出系统

不同层次语言之间的等价变换

　·下是对上的实现，上是对下的虚拟。

　　ALUop = add 

　　IorD =1 （指令D、数I能区分开）

　　汇编语言：Linux，指令集？

　　违

开发和运行程序需要什么支撑：

　　·最早：直接输入指令、数据

　　·高级语言：编辑器、编译器   （java：jre）

　　·执行程序界面（环境）：GUI方式（图形用户界面）、CUI方式（命令行用户界面）

目的操作数地址（只能是内存地址等）不能是立即数：立即数：直接拿过来运算、内存中的。

早期计算机系统层次

　　最早的计算机用机器语言编程

　　　　机器语言：第一发i程序设计语言 ：1GL

　　后来：汇编语言(符号语言)编程

　　　　第二代程序设计语言 : 2GL

现代~~

　　第三代：过程式：3GL（代码需要描述实现过程）

　　第四代：非过程式：4GL（代码只需说明做什么）

计算机语言发展：不断“抽象”的过程，因为，相应的计算机系统也不断有新的层次出现

系统抽象层的转换：

　  指令集体系结构ISA：将软硬件分割开来 -------

　  功能转换：上层是对下层的抽象，下层是对上层的是实现

　

ISA：对硬件的抽象，所有的软件功能都建立在ISA之上

ISA:

　　ISA指：指令集体系结构

　　是一种规约，规定了如何使用硬件

　　　　·可执行的指令集和，包括指令格式、操作种类、每种操作对应的操作数的相应规定。

　　　　·指令可接受的操作数的类型。

　　　　·操作数能存放的寄存器组的结构：包含每个寄存器的名称、编号、长度、和用途。

　　　　·操作数所能存放的存储空间的大小和编址方式。

　　　　·操作数

·　　　　作业：查存储器的组织形式：大端、小端。

　　　　·指令执行过程的控制方式:程序计数器、条件码定义等。

　　ISA是在计算机系统中必不可少的一个抽象层，WHy？：对上、对下，承上启下。

计算机体系结构：

　　计算机体系结构（有没有该属性）：程序员（机器指令程序员）所能看到的计算机系统的属性：

　　概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）

　　计算机组成（有该属性，如何去实现）： 实现计算机体系结构所体现的属性，即逻辑实现（具体指令的实现）

　　计算机实现： 计算机组成的物理实现，着眼于器件技术（如CPU的物理结构）

　　　computer architecture

　　　computer organization

　　　computer implemention

ISA和计算机组成（微机构）关系：

　　ISA 是计算机组成的抽像

　　MIPS

　　ARM ：手机处理器  （华为：ARM 8）

　　IA-32（64）  ：intel的32位（64位）的架构

　　

计算机体系结构的简述：

　　·第一台通用电子计算机诞生于1946

　　·计算机技术飞速发展得益：

　　　　·制造技术发展、系统结构创新

　　发展过程（4个）：

　

计算机系统结构的经典定义：程序员（机器语言）所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性

Amdahl提出的系统结构

　　传统机器语言级程序员索卡到的计算机属性

广义系统体系结构

　　指令集结构、组成、硬件（计算机设计的3个方面）

对于GPRs（通用寄存器型的）机器，属性是指：

　　指令系统（机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等）、数据表示（硬件能直接识别和处理的数据类型）、寻址规则（最小寻址单元、寻址方式及其表示）、寄存器定义、终端系统（中断的类型和中断相应硬件的功能等）、机器工作状态的定义和切换（管态和目态）、存储系统（主存容量、可用最大存储容量等）、信息保护（信息保护方式、硬件对信息保护的支持）、I/O结构（I/O连接方式、处理机/存储器等）

计算机系统结构概念的实质：

　　确定计算机系统中软、硬件的界面（ISA），界面之上时软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。

　

常见计算机系统结构分类方法：

　　FLynn分类法、冯氏分类法（系统最大并行度对计算机进行分类）

　　FLynn：指令流、数据流、多倍性

　

第一章节：

　　计算机系统结构的概念   

　　定量分析技术

　　计算机系统结构的发展 

　　计算机系统结构中并行性的发展 

  　理解计算机系统的层次结构、计算机组成、计算机系统结构、计算机实现的含义以及之间的关系，理解定量分析技术，计算机系统结构的并行性，了解计算机结构的发展以及其中的并行性发展。

重点： 计算机系统的层次结构，定量分析技术，计算机系统结构的并行性。

难点：计算机层次的概念和计算机体系结构的内涵，定量分析技术的方法。

思考： ·计算机系统层次结构的具体结构。

　　　 ·计算机性能提高的计算。

　　　 ·掌握冯诺依曼计算机的结构和工作原理。