动手学计算机类-快学计算机组成原理

主要是介绍计算机的基础知识，这是第一部分–计算机组成原理

计算机组成原理

计算机历史

重要的计算机器的历史人物和发明；

电子计算机

概念：继电器—类比成水龙头
继电器—>热电子管–>三级真空管
热电子真空管：热电级发射—一极加热发射电子，另一个电极吸引电子，形成电流； 单向流动的称为二极管；之后另一个发明家在这两个电极之间，加入第三个电极：控制电极；
三极真空管：向控制电极施加正电荷，允许电流流动；施加负电荷。阻止电子流动；这样就可以代替继电器，称为起到开关的作用，相比较来说不会产生磨损；但会烧坏；

晶体管发明

代替真空管控制开关的作用，一个全新的计算机时代诞生了；即半导体技术—通过控制门电极来达到控制导电或不导电；
现在一个晶体管达到小于50nm；并且不仅小，而且切换快；切换上百万次每秒；

晶体管和半导体的概念：

半导体制成晶体管，晶体管集成芯片
三极管的使用特性

布尔逻辑和逻辑门

两种值：true false ; 三种基本操作：not and 和or; 恰好用晶体管可以轻易实现上述逻辑；
晶体管之前只是用电来控制开关的方式； 三根线：两个电极和一个控制；就像水龙头；
使用晶体管来实现：门电路 分清谁是输入和输出
NOR门：
AND逻辑门：两个晶体管，串联在一起
NOR逻辑门：两个晶体管，并联在一起；
符号表示：三种门，是其他所有操作的基础
其他常见操作：XOR：用上面三种门来构造异或门，非常有用，虽然连接构造较复杂，但是我们可以把它放进工具箱里面了；向上抽象：不关心底层原理怎么实现的，只关注它的功能和使用方法；

二进制

电脑如何存储和表示数字；二进制，八进制，十六进制，是最常见的；
1字节=8位；
32位/64位计算机：意思是：每处理一块数据，每块是32位或者是64位，一块能表示最大的数；
正负数表示：第一位表示符号位；
Address:计算机给内存中的每一个位置，做一个“标记”；目的：是为了方便存取数据，现在内存增长到GB/TB，也要求着寻址数据大小，64位代表着寻址能力更大，同时一次读取更多的数据；
浮点数（好几种方法）： IEEE 754标准 ；
文字表示：给字母编号，还是间接利用数字来表示；ASCII标准；–只用来表示英语母语国家；拓展到别的国家–UTF-8；
就像ASCII-标准用来表示文字的编码方式一样，MP3和GIF 用二进制编码 声音/颜色，表示照片，电影和音乐；
归根到底，就是一连长串位
二进制解决了计算机存储和表示数字的问题；

ALU-算术逻辑单元

历史最著名的ALU器件–Intel 74181
ALU有两个单元-1个计算单元和一个逻辑单元；使用到 AND OR NOT XOR逻辑门
一层层的向上抽象：当理解并承认基本原理知识后，就不再关心具体怎么运行的，想成一个工厂/盒子，关注输入和输出；
XOR+AND—>半加器+半加器+OR---->全加器-独立组件
为了使运算更快，不需要等待前一位运算结果，发明–超前进位加法器；
实时性要求不高的机器（恒温器等）：把乘法换算成 加法，多执行几次；没有专门的乘法运算单元；
乘法单元：比加法单元只是稍微复杂一点，需要用到更多的逻辑门资源而已；
向上抽象：ALU被表示成一个大写的V字：代表着两个输入数，并操作代码告诉ALU执行什么操作。（1000=add,1100=减法），ALU还会引出很多标志：最基础的：溢出标志，0标志，负数标志；

寄存器和内存

内存：RAM，ROM
外存 ：硬盘
之前的电路都是单向流，现在增加了回向：把输出再连回输入；
为什么增加回向流：有记忆功能了，保持逻辑有记忆性；Eg:AND门：永远保持0；OR门：永远保持1;—但这是永久的；
AND-OR锁存器：有设置位和复位 这两个输入：可以控制输出是0还是1；实现了锁存的效果，这就是 memory（存储）
逻辑门连线图

**我们不想不用关心单独的逻辑门，即向上一层抽象，把门锁放进一个“box（盒子）”即抽象成一个可以存取1个bit的盒子；盒子的功能就是–门锁–：可以存取1个bit,保持不变；
抽象成 "盒子-门锁"图

有：输入线、允许读/写线 、输出线
什么是寄存器？Register
一组锁存器叫寄存器，多少个锁存器就叫多少位寄存器。发展有8位寄存器，16位寄存器和32位寄存器，现在基本都是64位寄存器。
64位寄存器：需要64根数据线（输入线），64根输出线，1条线控制读/写线，总共129线
但是如果要存256位就要高达513线，所以通过使用矩阵。16X16个锁存器按矩阵放置。
行阵排列法：用一根“允许写入线/允许读取线”连所有锁存器。共只要35条线：1根数据线，1条允许写入线，1条允许读取线，还有16行和16列的线用于选择锁存器。

多路复用器：Multiplexer；向上抽象就是一个256位的内存；扩大存储规模，就是并排列在一起。向上抽象就是一大块整体连续的可寻址内存。地址不需要自己操心，操作系统自动给分配好。
内存地址：8位代表256个内存地址，也即256个字节。一个地址等于8位一个字节。
所以要想需要更大的内存位置就要需要更多的内存地址
内存的一个重要特性：可以随时访问任何位置。
RAM分类：SRAM DRAM Flash memory NVRAM.功能都是与SRAM相似的，区别只是使用不同的电路存储 “位”。例如，使用逻辑门 电容器，电荷捕获 或 忆阻器。但是所有的都是矩阵层层嵌套，来存储大量信息。

小结概念

AND-OR锁存器 盒子 寄存器 RAM（随机读写存储器）

中央处理器 CPU

重点：1、组装CPU 2、CPU怎么执行命令
计算逻辑单元ALU：输入二进制，会执行计算；
两种内存：register寄存器，每次只能存一个值。
RAM是利用矩阵扩大的内存，能在不同地址存储大量数字。

CPU运行

第一个阶段：取指令阶段 : fetch
第二个阶段：译码阶段 :deode
第三个阶段：执行阶段:execute

CPU包含: 控制单元 + ALU计算逻辑单元+ 若干寄存器 +时钟（时钟频率）
RAM：是在CPU外面的独立组件，CPU和RAM 之间用“地址线”+“数据线”+“允许读/写线”进行通信。

指令和程序

重点：1、给CPU指令，一步步带你运行一遍程序
CPU之所以强大是因为他是可编程的，写入不同指令，就会执行不同任务。即是一块硬件，很容易被硬件控制。

两位数相加例子

四个指令下的两个数相加：load_A load_B STORE_A ADD
冯诺依曼体系下的计算机结构：程序和数据都存储在同一个内存里面的，本质上没有区别，都是二进制数。

指令

这里指令是8位：前4位是操作码—>指令（最多16条），后四位是地址------>数据值（最多十六个值）
解决方法：
1、更多位来代表更多指令：32位或64位，这个叫指令长度。
2、可变指令长度：
指令集越来越多，是因为给CPU设计了越来越多的功能。

高级CPU设计

如何快速传递数据给CPU？

超高的时钟速率带来一个问题：如何快速传递数据给CPU，即CPU和外部RAM之间的通信速度匹配问题？ 类似空有强大的蒸汽机，却无法快速加煤？

法一：添加cache

给CPU里面加一点RAM–called cache。和外部RAM硬件上没有什么不同但是因为更靠近CPU，所有传输速度更快。因为cache集成在CPU中，内存很小：但是却可以CPU从RAM拿数据时，RAM不用传一个，而是可以传一批。但是数据可以先存在cache里，CPU不用空等。可能数显问题: cache hit /cache miss

法二：PiPline—流水线技术

fetch–decode–execute: 不同任务重叠进行，这样会用上CPU里面的所有部分，流水线技术，每个时钟周期执行一个指令，但是吞吐量X3。
可能出现的问题：
问题一:指令之间的依赖关系。解决方法1：乱序执行
问题二：条件跳转问题，解决方法1：空等，等到条件确定值下来。解法2：推测执行接下来的执行指令。这些方法本质都是提高吞吐量。

解法三：多核处理器（双核或四核处理器）

意思是一个CPU芯片里面有多个独立处理单元，运行时像是由多个独立的CPU，但是共享一些资源：cache，可以多核之间合作运算。多个CPU使用，一般这个是用在服务器上面搭载运行，或者是更强大的计算速度。
我们的任务就是充分利用好现在已有的运算处理能力，去做cool and useful 事情，即重心在编程上