计算机组成原理——总结

1. 简单介绍

三月份的一个主要任务是学一门计算机科班的基础课程————《计算机组成原理》，在学之前对这部分的知识似懂非懂，没系统学过所以也不清楚它到底包含哪些知识点，但学完之后又能和本科时期学过的一些课程有了联系，比如最基础的模电和数电，想起之前课设的时候大家熬夜在宿舍做LED时钟显示器的情形，那个时候真的是平时不学习、期末抱佛脚，稀里糊涂四年时间就过去了，算是过的最舒服的几年时光了。但出来混，迟早要还的，现在开始学这些基础课程了。
计算机是一个复杂的结构，深挖计算机的第一性，从最基础的物理知识开始：

1. 电路：I=U/R，涉及的硬件有电阻、电感、电容，也有电磁学相关的内容，是信息时代快速发展的基石。
2. 模电: 用连续电信号作为信息载体，处理的是连续变化的模拟量电信号（即其幅值可以是任何值），如无线电、收音机等。不做深入了解。但基础元器件还是三极管。
3. 数电：主要是针对数字信号处理的模块。数字集成电路的运行以开关状态进行运算，它的精度高，适合复杂的计算。数字电路只要能区分高电平和低电平即可，数字电路不仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断，因此数字电路又称为数字逻辑电路。基础元器件还是三极管，也即晶体管，现在芯片中的基本单位就是这个玩意儿，其尺寸已经达到纳米尺度了。数电中我们需要理解的是与或非门电路，这是构建复杂计算逻辑组合电路的基础。
4. 计算机组成原理：在数电原理基础上，构建的复杂电路。主要包含的硬件模块有:总线、CPU、主存、I/O设备。下面分别进行简要总结
   

2. 简单分模块总结

1. 总线。可以理解为分布在计算机中用于各模块之间通讯、数据传输的线。各模块发出或者可以接受从总线上传输的数据，数据传输的速度和总线的频率和宽度相关。一般我们说的总线是系统总线，这里面又分为控制总线、地址总线和数据总线。此外，CPU内部也可能有用于在cpu内部进行数据和命令传输的总线，可称为内部总线。此外，I/O设备也可以拥有独立的io总线。总之，这些总线都是为传输信号工作的，为了使传输信号更快，总线的连接通路会更多，导致系统看起来非常复杂。
2. 主存：在计算机运行期间存储数据和代码，CPU在运行期间直接从主存中存取指令和数据。将其理解为一个非常大的数组即可，且可以根据地址高速随机访问。
3. CPU：这是整个计算机的控制计算中心，所有的任务都是在这里执行的。逻辑上主要包含四个组件：寄存器、ALU、CU和中断系统。

• 寄存器是用来临时存储一些从内存中拿来或者ALU计算结果的存储单元，如通用寄存器，还有一些是专用寄存器，如PC用于存储下一条指令在内存中的地址，还有状态寄存器。各种cpu其寄存器配置不尽相同，功能都是用来存储的，是计算机中最快的存储器；
• ALU用做算数逻辑运算，包括浮点、定点的加减乘除和逻辑与或非等能力，这个模块只要理解为按照既定的电路做算数逻辑计算即可，内部设计的组合逻辑电路各个芯片大同小异，有的还复用电路即可用做浮点计算也可以做整形计算，至于对输入的数据做何种运算，是由CU给出的信号(+-*/ &|！)决定的。
• CU是核心部件，用于将PC中的指令进行解析，讲指令由操作码+操作数组成，CU会将操作码解析为硬件命令信号，将操作数从内存中加载到约定好的寄存器并按照命令运算。这个过程细分为取指+间址(option)+执行+中断(option)。其中执行过程最复杂也最耗时。这些步骤细分还会分为微指令等更细微的操作，涉及到时钟、流水化，微程序控制器等较细的模块，简单了解有这个东西就行。简言之，最简单的计算机就是一直在循环做取指+执行。汇编指令和机器指令是一一对应的，如果有需要做指令级优化的话，掌握相应CPU架构的指令集，写汇编代码即可。
• 中断系统：中断系统是为相应系统的中断信号设计的，一般由硬件实现和软件实现两种，是速度和灵活性之间权衡的结果。在系统运行过程中，运行的程序本身或者IO设备都有可能发出中断请求，中断程序根据请求的种类不同，在保护现场后，去调用对应的中断程序来处理请求，结束后再返回到之前的程序断点继续执行，类似于函数调用。
  

3. 杂项

1. 数的表示和计算。
   计算机顾名思义是用来计算的，那就涉及到数据的存储和计算，数据是如何编码为2进制并存储到内存或硬盘上的，大端法小端法等。ALU里面的加法器是如何实现的，乘法是如何利用加法器工作的等等。其实这些都是组合逻辑电路实现的，和电子时钟原理差不多。当实现了最基本的加减乘除逻辑电路后，复杂的超越函数可以通过泰勒展开等近似方法简化为加减乘除运算，只不过不能一次性在ALU中完成计算，需要通过软件的方式，运行很多个指令才能求解出一个近似值。对于那些专用的计算芯片，可能会将常用的非线性函数如sin/cos/log/e^x等以硬件实现模拟，计算速度会大大提高。当然需要有配套的编译器和指令支持才可以。
2. 微程序控制单元。取到一条指令后，会被解析为很多粒度更细的指令按照严格顺序执行，是在cpu内部硬件实现的，相当于一个指令解码部件。
   
3. 流水线。多个指令并行执行且不干扰执行结果，基本原则是下一条指令使用上一条指令使用过的内部运算或存储体，该存储体或运算单元是当前指令使用完并在指令结束前不会再使用。跳转指令和耗时不均匀的指令会打乱流水、影响效率。流水逻辑是严格保证逻辑和串行执行一致的，在写汇编代码的时候按照串行写即可。

4. 结语

这门课是在计算机组成原理-刘宏伟-B站跟着视频学的，中间太深太细的没有深究，毕竟工作中用不到，只把组成原理的整体结构和知识点看完了，也做了这篇总结，主要是为了建立计算机组成原理的基本知识点范畴，并把硬件知识和上层代码联系起来，也把计算机硬件和之前学的数电建立了链接。接下来，还有一门操作系统，是重中之重。下个月主攻CS，道阻且长行则将至。