ENGG1310 P2.1 Intro to CE Computer Systems, Programming & Networking

课程内容笔记，自用，不涉及任何 assignment，exam 答案

Notes for self-use, do not include any assignments or exams

H/W & S/W

H/W : 即 Hardware (硬件)，指计算机的有形部件

S/W : 即 Software (软件)，指计算机程序

Abstraction

• 抽象 (Abstraction) 是指通过 接口 (Well-defined interface) 将实现细节 (low-level details) 进行 封装 (encapsulated)
• 只需通过接口就能使用模块，无需了解实现细节

Decomposition of Computer System

• 自顶向下 (top-down approach)：将系统 Decompose 成若干个子系统 (sub-system)
• 自底向上 (bottom-up approach): 用若干个子系统 Compose 复杂系统
• 子系统组织成一个 hierarchy

Abstraction of Computer System

• 每个子系统可被一个 block 表示：因此系统之间的关系形成了一个 block diagram
• 子系统之间的边界较模糊 (arbitrary)
• 子系统与外界交互有一个清晰并且 well-defined 的接口 (interface)

Computer/Electronic System

• 所有的电脑系统最终都会与外界互动 (interacting with the physical worlds)
• System Component —— 输入 input：外界的物理性质 (physical quantities)转化为易于处理的电信号 (electrical signals)，例如电压，电流...
• System Component —— 输出 output：将电信号或内部性质 (internal quantity) 转化为物理性质
• System Component —— 处理 process：执行特定的功能

Computer organization 计算机组成

• Input devices
  
  从外界获取数据/信息并传入计算机进行处理
  
  Interact with human：键鼠，触摸屏...
  
  Interact with other computers：硬盘 (hard disk)，无线路由器 (wireless network router)...

• Output devices
  
  将信息传向 (proceed)外界
  
  Interact with human：屏幕 (monitor)，打印机，扬声器...
  
  Interact with other computer：硬盘，无线路由器...

• Central Processing Unit (CPU) 中央处理器
  
  Control the operations of all parts of the computer system
  
  包括 arithmetic operations, decision making
  
  实体 CPU 包含一部分 memory system 与 I/O
  
  

• CPU - Arithmetic and Logic Unit (ALU) 算术逻辑单元
  
  CPU 中的 ALU 负责执行实际的算术运算
  
  例如：四则运算 (\(+,-,\times, \div\))，位运算 (\(\&, \|, <<, >>\))，比较运算 (\(<, >, \neq, \leq, \geq\))

• Memory
  
  储存 指令 (instruction) 与 数据 (data) (注意，在同一 memory storage 同时储存指令与数据是 Von Neumann Architecture 的特性！)
  
  指令 (instruction)：

  • 指导 CPU 的工作
  • 指令由用户的软件程序经过 编译 (compilation) 后产生

  数据 (data)

  • User input
  • Temporary Data
  • Computed output
    
    

  Memory Storage Capability:
  
  任何 Memory Device 都有对应的 Memory Storage Capability，表示其能存储的字节数 (Bytes, \(1\ Byte=8 \ bits\))
  
  

• Memory —— Main Memory 主存
  
  主存包括 RAM (Random Access Memory) 与 ROM (Read-Only Memory)，其中的数据一般可直接访问
  
  其中，RAM 存储 user programs，其可与 CPU 直接交换数据，且是 volatile 的 (断电后存储的信息消失)
  
  ROM 存储几乎不会更改的数据：例如操作系统 (operating systems)

• Memory —— Cache Memory 缓存
  
  现代处理系统常拥有多级缓存 (layers of Cache memory): Level 1(L1), Level 2(L2), Level(L3)；多级缓存形成了 memory hierarchy
  
  缓存拥有较高的性能：
  
  
  
  缓存的作用：临时储存重复使用的数据，从而提高 fast access

  当CPU处理数据时，它会先到Cache中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从 RAM（Main memory）中读取数据

Stored-Program Computers

冯诺依曼 (Von Neumann) 提出 存储程序 (store programe) 设想

不同于传统的数据与程序分离，存储程序计算机将数据与程序一起进行存储；在执行计算时，遵循 memory 中存储的指令

• Pros of Von Neumanns architecture
  
  控制单元 (Control Unit，例如 CPU) 能以同样的方式由主存中获取数据和指令
  
  类似的，由 memory 或 外部装置中获取的数据可以同样的方式进行处理

• Cons of Von Neumann

  The memory unit is the performance bottleneck of the stored-program architecture since both data and instruction are stored
  
  in the same place

  CPU 与存储器之间的流量与存储器的容量相比起来相当小，这是限制冯诺伊曼结构效率的重要瓶颈 (performance bottleneck)

  The CPU is idle for a certain amount of time while memory is being accessed

  同样，CPU 与存储器之间的流量 (或 CPU 的读写效率) 与 CPU 的数据处理性能相比起来相当小，因此 CPU 将会在资料输入或输出存储器时闲置 (idle)

3 Classes of Computers

三种电脑类型：

Desktop Computer (桌上电脑)，Server(服务器)，Embedded System(嵌入式系统)

• Desktop Computer
  
  我们最常见的电脑类型
  
  PC，笔记本电脑，智能手机均属该类型

• Embedded System
  
  嵌入式系统指：某个 Computer system 是组成更大系统的一小部分，那么这个 Computer system 被称为嵌入式系统
  
  一般来说，其为整个系统执行简单或专门 (simple or dedicated)的功能；所以，其处理能力，存储能力均受限
  
  例：汽车上的测速系统 (测速系统为嵌入到整个汽车系统中的一个电脑系统)
  
  现代嵌入式系统的功能更加多样，且拥有更多的资源