MDR對程序員透明嗎

⑴ 三級存儲系統構成工作原理

主存和Cache之間的數據調動是由硬體自動完成的，對所有程序員均是透明的；而主存和輔存之間的數據調動則是由硬體和操作系統共同完成的，對應用程序員是透明的。MDR和MAR邏輯上在主存中，實際上在CPU中；地址解碼器在主存中。

三級緩存是為讀取二級緩存後未命中的數據設計的—種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數據需要從內存中調用，這進一步提高了CPU的效率。

其運作原理在於使用較快速的儲存裝置保留一份從慢速儲存裝置中所讀取數據且進行拷貝，當有需要再從較慢的儲存體中讀寫數據時，緩存(cache)能夠使得讀寫的動作先在快速的裝置上完成，如此會使系統的響應較為快速。

⑵ 電路板上的Tⅴ一cⅴBS代表什麼

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1. 計算機組成原理概論

計算機：數字電子計算機

組成：計算機硬體系統的邏輯實現

原理：不以具體機型為依託的，基本實現原理。

計算機組成原理：掌握如何實現的具體細節。

1.1 計算機系統簡介

計算機系統由兩大部分組成：硬體和軟體。軟體又包括系統軟體和應用軟體。

系統軟體可以管理整個計算機系統：

• 語言處理程序（將高級語言轉換為機器可以懂得指令）
• 操作系統
• 服務性程序（比如數學庫、MPI服務程序進行並行之間的通信）
• 資料庫管理系統
• 網路軟體

應用軟體是按照任務需要編製成的程序。

可以簡單將軟體看作一個層次結構，硬體為軟體提供介面，系統軟體又為應用軟體形成介面，來完成不同的程序。

對於計算機的物理結構層次，我們這門課主要研究邏輯層和微電路層的具體實現方式。

計算機系統的指令層次如下圖所示

操作系統可以管理軟硬體的資源。

計算機系統結構定義了系統軟硬體的交界面，定義了哪些功能由軟體實現，哪些功能由硬體實現，定義為==程序員所見到的計算機系統的屬性概念性的結構與功能特性==。（指令系統，數據類型，定址技術，I/O機理），即程序員需要理解的東西。

計算機組成：實現計算機體系結構所體現的屬性，即具體指令的實現。

1.2 計算機的基本組成 1.2.1 馮諾依曼結構

上圖實線表示數據流動，虛線表示控制反饋。

• 計算機結構由五大部件組成：存儲器、運算器、控制器、輸入設備、輸出設備
• 以運算器為中心==程序存儲在存儲器中==
• 指令和數據以同等地位保存在存儲器中，可以按照地址尋找。
• 指令和數據由二進製表示，指令由操作碼和地址碼組成，操作碼指明指令要干什麼，地址碼指明操作數的地址。

馮諾依曼結構以運算器為中心，容易形成瓶頸。我們可以使用存儲器作為中心來進行優化，但是還不夠。

1.2.2 現代計算機硬體框圖

指令和數據都是保存在存儲器中的。

1.2.3 存儲器的基本組成

MAR是存儲器地址寄存器，保存了存儲單元的地址和編號，長度反映存儲單元的個數。

MDR是存儲器數據寄存器，保存了要存入存儲體的數據或剛從存儲體拿出來的數據，長度反映存儲字長。

利用MAR和MDR來將數據放入存儲器。

1.2.4 運算器的結構

ALU（算術邏輯單元），通常是一個組合電路，輸入撤銷，輸出也撤銷，因此需要加上寄存器保存參與運算的計算。

數據寄存器X保存輸入參數，ACC為累加寄存器，保存結果，乘法可能使得數據位數保存不下，使用MQ寄存器保存低位。

上表中存放了不同運算中，運算器的工作過程，以乘法為例，操作過程如下：

• 首先將被乘數取出來放到ACC中
• 從指令中的乘數地址M中取出乘數，送入MQ中
• 將被乘數送到X中
• 將ACC清零
• 完成乘法操作，結果由ACC和MQ保存

這些操作的過程順序是由控制器來控制完成的。

1.2.5 控制器的基本結構

控制器的功能是解釋指令（完成指令）、保證指令的按序執行。

• PC（程序計數器）寄存器保存了當前指令的地址，進行取指令，PC有計數功能。
• IR（指令寄存器）存放當前要執行的指令，將操作碼送入CU進行分析。
• CU（控制單元）發出控制信號，控制相對應的部件來執行指令。

下面以取數指令為例分析指令執行過程（取數送到ACC中）

1. PC保存指令的地址，送到MAR進行定址
2. MAR根據地址到存儲體中找到保存的指令
3. MDR從存儲體中取出指令
4. 送到IR中，IR存放要執行的指令
5. IR將操作碼送入CU中進行分析
6. 同時將地址碼送到MAR中找這個數的數據
7. MAR根據地址到存儲體中找到要取的數
8. MDR保存從存儲體中取出的數
9. CU控制下，將要取的數送到ACC中。

CU分析控制這些步驟的過程。

1.3 計算機硬體的主要技術指標

• 機器字長：CPU一次能處理數據的位數，與CPU中寄存器位數有關。
• 運算速度：主頻、核數以及每個核支持的線程數、CPI（執行一條指令所需的時鍾周期數）、MIPS（每秒執行百萬條指令）、FLOPS（每秒浮點運算次數）。
• 存儲容量：主存容量（可使用存儲單元個數×存儲字長來表示存儲體容量，MAR * MDR）（也可使用位元組數來表示）、輔存容量（位元組數表示）。

2. 計算機的發展以及應用 2.1 計算機的發展史

第一台計算機，1946年ENIAC，十進制運算。

電子技術的發展與計算機體系結構技術的發展對計算機的發展產生了決定性作用。

根據硬體技術來對計算機進行劃分代碼

電子管→晶體管→大規模集成電路→大規模集成電路→超大規模集成電路

軟體技術的發展：機器語言（面向機器）、匯編語言（面向機器）、高級語言（面向問題）。

2.2 計算機的應用

• 科學計算和數據處理
• 工業控制和實時控制
• 網路技術
• 虛擬現實
• 辦公自動化和管理信息系統
• CAD/CAM/CIMS
• 多媒體技術
• 人工智慧

3. 系統匯流排 3.1 匯流排（bus）的基本概念

匯流排是連接各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質，是信號的公共傳輸線。

如果使用單匯流排結構（系統匯流排），那麼同時只能有一對部件進行信號傳輸，效率較低，使用雙匯流排結構效率會更高。

上面的結構，無法在I/O和主存之間進行直接的信息傳輸，必須要通過CPU。

3.2 匯流排的分類

• 片內匯流排：晶元內部的匯流排。
• 系統匯流排：計算機各部件之間的信息傳輸線。可分為：
• • 數據匯流排，雙向的，一般小於等於機器字長和存儲字長。
  • 地址匯流排，單向的，與存儲地址、I/O地址有關。
  • 控制匯流排，雙向（CPU發出存儲器讀寫指令，匯流排允許，中斷確認等；CPU接收中斷請求、匯流排請求）
• 
  
• 通信匯流排：計算機之間或計算機和其它設備之間的通信，並行通信匯流排和串列通信匯流排。

3.3 匯流排的特性和性能指標

匯流排印刷到電路板上（主板），其他設備插板插到電路板上。

匯流排的性能指標：

• 匯流排寬度：數據線根數，同時可以傳輸多少位。
• 標准傳輸率：每秒傳輸的最大位元組數MBps
• 時鍾同步/不同步
• 匯流排復用：地址線與數據線是否可以復用
• 信號線數：地址線、數據線和控制線的總和
• 匯流排控制方式
• 其他指標：負載能力等

3.4 匯流排結構

增加了DMA（直接存儲器訪問）匯流排，外部設備直接訪問存儲器內存。高速設備直接通過DMA訪問主存。

CPU與cache通過局部匯流排進行相連，擴展匯流排將外部設備連接。

高速設備和低速設備分離，分別連接到高速匯流排和擴展匯流排上。

PCI高速匯流排來連接高速設備，PCI匯流排可以通過橋來進行擴展。

3.5 匯流排控制 3.5.1 匯流排判優控制

通過是否能對匯流排發出佔用請求，我們將設備分為主設備（主模塊）和從設備（從模塊）。主設備可以對匯流排有控制權，從設備響應從主設備發來的匯流排命令。

匯流排判優控制可以分為兩種：集中式和分布式。下面介紹幾種集中式的匯流排判優控制結構。

主設備通過BR申請匯流排的控制權，有設備在使用匯流排，則設置BS。匯流排控制部件通過BG來鏈式查詢這些介面是否提出了BR，遇到了BR則交出控制權。

因此，優先順序則為BG的查詢順序。這種結構對電路故障特別敏感，尤其是BG，如果BG後面出了問題，會導致後面的設備一直不會響應。

數據線用於數據的傳輸，地址線用於從設備的查找。通過設備地址線來查找某個設備是否發出匯流排請求。計數器的值通過設備地址線進行傳輸，來查找某個設備是否發出請求。可以自定義計數器的計數方式，來改變從哪個設備先查詢等。

為每個I/O介面增加了BR和BG，通過排隊器來進行優先順序排隊。這種方式使用的線數較多。

3.5.2 匯流排通信控制

為了解決通信雙方（主從設備）協調配合的問題。

匯流排的傳輸周期（完成一次主從設備完整可靠的傳輸所需要的時間）：

• 申請分配階段：主設備申請，匯流排決定
• 定址階段：主設備向向從設備給出地址和命令
• 傳數階段：主設備和從設備進行交換數據
• 結束階段：主從設備撤銷有關信息

• T1，主設備給出地址信號
• T2，給出從設備的讀命令信號
• T3，從設備給出數據，輸出到匯流排，完成數據交換
• T4，撤銷地址信號，結束周期

強制同步，如果設備之間速度不同，快的設備需要等慢的設備。

不互鎖：不管從設備是否接收到請求信號，過段時間主設備都會撤銷請求。不管主設備是否接收到應答信號，從設備多段時間都會撤銷應答。

半互鎖和全互鎖針對上面進行改進。

增加等待響應信號，當wait為低電平，則等待一個T。

使用分離式通信來將匯流排空閑的時間也充分利用起來。

4. 存儲器 4.1 概述

按照存取方式對存儲器進行分類：

• 存取時間與物理地址無關（隨機訪問）：隨機存儲器、只讀存儲器。
• 存取時間與物理地址有關（串列訪問）：順序存取存儲器（磁帶）、直接存取存儲器（磁碟）。

按照在計算機中的作用分類：

存儲器的層次結構：

• 寄存器包括體系結構寄存器和非體系結構寄存器。
• 一部分緩存放在了CPU之中。

• 緩存——主存層次，使用硬體方法連接到一個整體（對程序員透明，即不需要了解），速度較快，解決CPU和主存之間速度差距較大的問題，緩存即為cache，CPU可以直接從緩存調用數據，cache和主存也進行數據交換。使用主存儲器的實地址和物理地址。
• 主存——輔存層次，使用軟硬體結合方式連接，容量較大，解決容量不足問題。這個層次稱為虛擬存儲器，使用虛地址和邏輯地址。

4.2 主存儲器 4.2.1 概述

主存的基本組成：

主存與CPU之間的聯系：

主存中存儲單元地址的分配：

• 每個位元組（8位）一個地址，如果一個存儲單元存儲32位，即四個位元組為一個字，可以將高位位元組/低位位元組，放在小的地址作為字地址。

主存的技術指標：

4.2.2 主存儲器半導體晶元簡介

基本結構：

• 地址線（單向）給出地址，經過解碼驅動電路來選擇指定的存儲單元，完成數據的讀寫操作（數據線雙向）。
• 片選線是晶元選擇信號，給出這次選擇的地址是不是這個晶元的地址。
• 讀寫控制線，控制操作允許讀還是寫。
• 根據地址線和數據線條數，可以計算出晶元容量。如果地址線10條，數據線4條，那麼晶元容量則為1K×4位。即1K個地址，每個地址數據4位。

解碼驅動方式：

第一種方法是線選法

• 使用地址解碼器，給定輸入，輸出只有一根線（字線）是有效的，圖中一根線中是8個晶元組合成一個字，那麼只有一根線的這一組晶元有效。
• 這種方法，每個字的存儲單元都需要一根線，當容量較大的時候，很麻煩。

第二種方法是重合法

• 將所有存儲單元布置成二維的陣列，使用兩個地址解碼器XY，一組(X,Y)對應一個存儲單元。
• 這樣會大大降低所需要的線數量。

4.2.3 隨機存取存儲器（RAM） 4.2.3.1 靜態RAM（SRAM）

SRAM的基本電路：

• 使用觸發器T1-T4來存儲0/1，T5、T6控制存儲單元讀寫，實際中會有許多虛線框進行堆疊，T7、T8列開關，一列共用。同樣，可以橫向進行堆疊，那麼行地址選擇的這一行，所有存儲單元的T5和T6都會導通，但是只有對應列也有效的那個存儲單元才進行讀寫。
• 通過行選和列選，選中進行讀寫操作的存儲單元。

SRAM晶元舉例（Intel 2114）：

• WE讀寫控制信號，CS片選信號，A0-A9為地址線，4個I/O數據線。
• 10根地址線，使用重合法，6線為行地址，4線為列地址，每個列信號控制四列，這樣一次就可以選擇4位，將這4位看做是一個存儲單元。就完成了1K×4位的選擇。

4.2.3.2 動態RAM（DRAM）

DRAM的基本電路：

• 利用電容，如果電容保存了電荷，則認為保存是1，沒有電，則認為是0。
• 保存在Cg上，T1、T2、T3是控制管。
• 讀出信息與原信息相反，需要加非門。
• 寫入信息與輸入信息相同。

還有一種結構是單管動態RAM：

• 讀出數據時，數據線有電，則為1。
• 寫入時，Cs充電為1，放電為0。

三管DRAM晶元舉例（Intel 1103）：

• 因為電容會漏電，刷新放大器會定時對存儲的信息進行刷新。

單管DRAM晶元舉例（Intel 4116 16k×1位）：

• 只有7根地址線，通過兩次，來接受行地址和列地址，存放到對應的緩存器中。
• 通過行時鍾、列時鍾、寫時鍾來控制讀寫。

動態RAM的刷新：

• 每一次刷新只與行地址有關，與列地址沒有關系，每次刷新一行。
• 集中刷新（在某段時間集中刷新所有的電容），這段時間DRAM是不可用的，稱為死區。
• 分散刷新（每次讀寫操作之後，將某一行刷新），相當於將原來的讀寫操作的時間變長，把刷新操作放在讀寫操作中，這樣就不存在死區。分散刷新比較頻繁，有點過度刷新了。
• 非同步刷新（將上面兩種結合），則每隔一段時間對某一行進行刷新，即多個讀寫操作加一個刷新操作。

4.2.3.3 兩種RAM的比較

• DRAM的集成度較高，每個存儲單元復雜度較低。
• SRAM的速度較快，一般用作緩存。

4.2.4 只讀存儲器（ROM）

ROM中一般保存系統信息或系統程序。早期是只讀的，不可以寫，經過多年的發展和改進，現在的ROM可以自己多次讀寫。

• 掩模ROM（MROM）：只讀，不能修改。行列選擇線交叉處有MOS管則為1，沒有則為0。
• PROM（一次性編程）：熔絲斷了，則為0，否則為1。可以一次性的破壞性編程。
• EPROM（可以多次編程）：N型溝道浮動柵MOS電路。S與D導通為1，不導通為0。
• EEPROM（多次性編程）：電可擦寫、局部擦寫、全部擦寫。
• Flash Memory（快閃記憶體型存儲器）：比EEPROM快，具有RAM的一些功能。

4.2.5 CPU與存儲器的連接

存儲器容量擴展可以通過位擴展（增加存儲字長）、字擴展（增加存儲字的數量）、同時擴展。

CPU與存儲器的連接：

• 地址線的連接：低位作為地址，高位作為片選信號
• 數據線的連接
• 讀寫命令控制線的連接
• 片選線的連接：MREQ信號（表示該信號是連接存儲器還是I/O介面）一定要連接到片選信號中，使得只有這個信號有效，才是CPU和內存連接工作。
• 合理選擇存儲晶元（ROM/RAM，晶元的性能參數）
• 其他：時序、負載

4.2.6 存儲器的校驗

校驗，檢測合法代碼，對非法代碼進行糾錯。

編碼的糾錯、檢錯能力與編碼的最小距離有關。最小距離為任意兩組合法代碼之間二進制位數的最小差異。$$ L-1 = D + C (D≥C) $$L為最小距離，D為檢測錯誤的位數，C為糾正錯誤的位數。

漢明碼是具有一位糾錯能力的編碼，漢明碼都採用了奇偶校驗和分組校驗（分組的奇偶校驗，分組之間是有重疊的，校驗位放在2 ^ k處，k=0,1,2,3...）。

漢明碼的分組，將代碼中每一位進行分組（1,2,3,4,5,6,7序號），將每一位的序號進行分組，序號的二進制最右邊一位為1的，第一組，右邊第二位為1的，第二組......

==最後的校驗結果，哪一位是1，那麼這位對應的那組中的那個序號的代碼位出錯。如果出現了多個1，那麼就是這幾個組中公共的那位出錯了。==

4.2.7 提高主存的訪問以及存儲速度

CPU速度提升很快，但是存儲器的速度提升較慢。

我們可以採用高速器件，採用層次結構（Cache-主存）,==調整主存結構。==

• 單體多字系統：使得存儲器的存儲字長大於CPU的字長（比如是CPU字長的4倍），這樣一次讀取就可以讀取多個指令。但是這樣會導致存儲器結構復雜， 而且，如果需要執行的指令不是連續存放的，會更麻煩。
• 多體並行方式：
• 高位交叉：對各個存儲體進行編號，存儲體內部自行編號，每個存儲體獨立，有自己的控制編號。這樣CPU給出的地址是體號+體內地址，各個存儲體可以並行處理。（類似存儲器容量的擴展）如果程序指令存方式順序的，實際上還是在一個存儲體中，並無法提升存儲體速度。
• 低位交叉：體內地址+體號，使用橫向的編碼，比如存儲體為M0-M3，那麼第一個地址為M0的第一個位置，第二個地址為M1的第一個位置......這樣M0中所有地址後兩位都為00，M1都為01，M2都為10，M3都為11。後兩位給出了存儲體的選擇地址。這樣如果程序指令順序存放的地址，實際上是不同存儲體並行處理，這樣就提升了效率，流水操作。

4.3 高速緩沖存儲器（Cache） 4.3.1 概述

CPU與主存（DRAM）之間存在速度差異，為了避免CPU「空等」的現象，使用cache。

程序訪問的局部性原理：

• 時間的局部性：當前正在使用的指令或數據，會在不久的將來還會使用到，那麼應該把這種數據或指令放在緩存中。
• 空間的局部性：當前正在使用的指令或數據，不久的將來，相鄰的指令或數據會使用到，那麼應該把當前和相鄰的指令和數據放到緩存中。

cache的工作原理：

把主存和cache分成大小相等的塊，每個塊大小相等，主存的塊數量遠遠大於cache的塊數量。==主存與cache之間的信息傳送是按塊傳送，塊內地址不變，cache的每個塊的標記，標記了這個塊是主存的哪個塊。==

主存塊調入了緩存（即cache標記了），稱為命中，CPU可直接在緩存中取得數據；如果沒有調入，稱為未命中。

我們希望，每次執行程序，都盡可能的在cache中提取數據，這樣速度會很快。CPU欲訪問的信息在Cache中的比率稱為命中率，命中率與Cache的容量和塊長有關。一般每塊取4-8個字，一般為一個存取周期內從主存調出的信息長度。

cache與主存的訪問效率：

這裡面平均訪問時間為每次訪問的平均時間（可能從cache，可能從主存）。

4.3.2 cache的基本結構與讀寫操作

cache的基本結構：

讀寫操作：

• 前者時刻保持了cache和主存的一致，後者只寫cache中，當cache中退出時才寫回主存。

cache的改進：

• 增加cache的級數：片內cache，片外cache。
• 分立緩存：指令cache，數據cache。

4.3.3 cache-主存的地址映射

即主存的任意一塊載入到cache中的哪塊。

直接映射：

即主存中任意一個塊，只能映射到指定的一個cache塊中，cache塊可以是一對多的。相當於將主存分區，每個區內的這些塊，對應於cache的所有塊；這樣在cache的標記中，有t位的標記，表示當前該cache塊存放的是主存哪個區的對應位置信息。

這種方法cache塊的利用率比較低，且可能會沖突。

全相聯映射：

主存中任意一個塊，可以被放入cache中的任意一個塊中。

這樣的話，雖然塊的利用率高了，但是因為塊可以映射到任意一個位置，如果查詢某個主存塊是否已經放入cache，需要比較所有的cache標記，速度較慢。

==組相聯映射==：

與直接映射相似，==將cache分組，每個組可以有多個塊；將主存分區，每個區的大小為cache的組數==。這樣每個區的第0塊，可以放入cache第0組的任何一個位置，因為每個組有多個塊，解決了直接映射的沖突問題；想查詢某個主存的塊是否放入了cache，只需要在對應的組進行查詢即可，解決了全相聯映射的問題。

4.3.4 替換演算法

如果內存塊滿了，如何替換，將誰彈出。

先進先出（FIFO）演算法

近期最少使用（LRU）演算法

4.4 輔助存儲器

輔助存儲器的主要作用是保存程序、文檔和影音資料，不能直接與CPU交換信息，需要調入主存才能進行讀寫。

包括磁碟存儲器和光碟存儲器等。

⑶ 璁＄畻鏈虹郴緇熸傝-絎旇

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date: 2019-09-28 10:40:32
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⑷ 關於計算機計數系統的概念

1. 計算機系統的構成：

a. 由軟硬體兩大部分組成；

b. 硬體：是指實體部分，通常指主機（MPU、內存及其支持部件）、介面、外設這些看得見摸得著的東西；

c. 軟體：是指程序和相關附件（程序的產品說明、使用說明等），軟體不僅能充分調動硬體的功能而且能局部模仿人類思維，因此軟體也是評價系統好壞的重要標志；

d. 軟體通常分為兩大類：

i. 系統軟體：底層軟體，和相應的硬體緊密相連，通用性較差，基於硬體平台，主要有這幾類：

*1. 標准程序庫：例如開機啟動程序BIOS；

*2. 語言處理程序：特指匯編以及高級語言編譯器；

*3. 操作系統：有批處理、分時、實時等類型；

*4. 服務程序：例如連接、診斷、調試程序等；

*5. 資料庫管理程序：基於操作系統，又低於應用程序；

*6. 網路通信程序等；

ii. 應用軟體：位於最高層次，基於系統軟體，比如游戲軟體、事務管理軟體、文本編輯器等；

舉例：比如游戲里的存檔功能就是調用了操作系統提供的文件寫入功能，因此游戲軟體是基於操作系統的；

2. 計算機系統的層次結構：

a. 三級層次結構：

第三級（最高級） 虛擬機M3（高級語言機器）

實質是編譯器，將高級語言編譯成匯編語言再傳給M2執行，

從外部看上去就是一台可以直接運行高級語言的機器，將M2的功能隱藏了

第二級 虛擬機M2（匯編語言機器）

實質也是編譯器，將匯編語言編譯成機器語言再傳給M1執行，

從外部看上去就是一台可以直接運行匯編語言的機器，將M1的功能隱藏了

第一級（最底層） 實際機器M1（機器語言機器）

可以直接運行機器語言程序

b. 嚴格來講以上虛擬機都屬於翻譯程序，通常翻譯程序可以分為兩類：

i. 編譯型：就像a.中的結構，直接將源程序最終全部翻譯成可直接在M1上運行的機器語言，程序一次性執行；

ii. 解釋型：直接運行源程序，而且是一條一條執行源程序中的語句，只不過是每執行一條就將其翻譯成可直接在M1上運行的機器語言，即翻譯一次執行一次，即使下一次重復執行該語句也必須得走該流程，這種層次結構就只有兩層；

註：該過程同樣也是三層結構的，相當於M3每執行一次高級語言就將其先翻譯成匯編語言，再翻譯成機器語言最後再執行，這種模式更加貼近人的思維，就好像真的在執行高級語言一樣，並且是「一條一條執行高級語言」的；

c. 四級層次結構：就是講第一層再向下分解出一個微程序機器，又因為實際機器和微程序機器都是實際機器，因此將第一層的實際機器改稱為傳統機器以示區別

第一層 傳統機器M1

還是機器語言機器

將每一條機器指令按照不同的部分分解成更小的原子操作，即按照「指令類型+操作數1+操作數2」的形式進行分解，

分解成更小的一組微指令，再將不同類型的微指令傳給相應的M0直接運行，例如一條機器指令（為了方便，用匯編

語言描述）」MOV AL,X;「，將其分解成更小的三條微指令MOV、AL、X，分別為移動指令、尋找寄存器存儲單元的定址

指令和尋找內存存儲單元的定址指令，然後將這三個微指令交由各自相應的微程序機器運行（分別交由移動控制單元、

寄存器定址控制單元和內存定址控制單元來運行），這樣就將實際機器M1分解成了若干更小的微程序機器M0，這更加

體現了分工合作的高效性；

第零層 微程序機器M0

微指令系統

可以直接運行各自的微指令，因此由機器指令分解而來的各條微指令可以看做更小的微程序

d. 五級層次結構：即在M1和M2（即機器機和匯編機之間）還應有一層虛擬機，即操作系統，因為它具有控制並管理計算機全部硬體資源的作用，因此上層虛擬機的很多實現都必須有操作系統支持，比如malloc需要有操作系統的內存映射來支持，但從高級語言角度來看malloc沒有任何意義，操作系統不是翻譯程序，而是上層程序的運行環境；

3. 從層次結構來劃分軟硬體：

a. 以操作系統為分界線，上層虛擬機是軟體的主要研究對象，而下層的傳統機和微程序機是硬體的主要研究對象，組成原理主要的研究對象就是傳統機和微程序機；

b. 軟硬體界線並非一成不變，隨著超大規模集成電路的發展出現了固件，即將軟體永久存於只讀存儲器中；

例如，現在已經實現部分操作系統的固化（固態C盤），這樣就省去了開機時將操作系統載入進內存的時間，MPU可以直接讀操作系統中的內容，相當於一個專門存放操作系統的永久性內存；

4. 計算機系統結構和計算機組成的區別：

a. 計算機系統結構：

i. 即計算機系統的屬性，比如指令系統、數據類型、存儲技術等；

ii. 是一種概念性的結構與功能；

iii. 只在程序員層面上可見，由於計算機系統具有多級層次結構，因此站在不同層次上的程序員所看到的計算機系統結構是不同的；

iv. 例如在C程序員看來完全相同的兩種系統結構，但在匯編程序員看來可能完全不一樣；

b. 計算機組成：

i. 是對於程序員來說是透明的（隱藏的）實現系統結構的硬體細節；

ii. 例如指令系統是一種結構問題，而如何用硬體實現（用什麼電路、用那些器件進行組合）具體的指令系統就是計算機組成問題了；

c. 最為典型的例子：

廠商一般會生產同一系列不同型號的各種計算機，不同型號之間性能以及價格等會有較大的差別，但是這些型號的計算機上面開發的軟體可以相互兼容；

其中同一系列就是指這些計算機的系統結構都是相同的，因此對於程序員來說其看到的系統屬性都是相同的，因此開發的軟體相互都可以兼容（從而使用戶的軟體投資不浪費），而不同型號就是指這些計算機組成互不相同，但是這些不同的組成都實現了相同的體系結構，不同組成使得其運行速度有較大差異，一些方面的性能可能不同，這樣可以針對不同性能需求的用戶提供同一種體系結構的產品；
目錄
（一）計算機發展歷程
（二）計算機系統層次結構
1. 計算機系統的基本組成
2. 計算機硬體的基本組成
3. 計算機硬體和軟體的關系
4. 計算機的工作過程
（三）計算機性能指標
（一）計算機發展歷程
1.世界上第一台電子數字計算機是1946年問世的ENIC（Electronic Numerical Integrator And Computer）。

2.根據計算機採用的電子器件可分為四類：
（1）第一代——電子管計算機
（2）第二代——晶體管計算機
（3）第三代——小、中規模集成電路（SSI，MSI）計算機
（4）第四代——大、超大規模集成電路（LSI，VLSI）計算機

（二）計算機系統層次結構
1. 計算機系統的基本組成
1.1 一個完整的計算機系統包括硬體系統和軟體系統。

1.2 早期的馮·諾依曼機特點：

計算機硬體系統由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備5大部件組成。
指令和數據以同等地位存放於存儲器內，並可按地址尋訪。
指令和數據均用二進制數表示。
指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作碼在存儲器中的位置。
指令在存儲器內按順序存放。通常，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序。
機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送通過運算器完成。
註：現代計算機以存儲器為中心。

2. 計算機硬體的基本組成
2.1 計算機硬體的組成及作用：

運算器（ALU）：完成算術運算和邏輯運算，並將運算的中間結果暫存在運算器內。
存儲器：存放數據和程序。
控制器：控制、指揮程序和數據的輸入、運行以及處理運算結果。
輸入設備：將人們熟悉的信息形式轉換為機器能識別的信息形式，常見的有鍵盤、滑鼠等。
輸出設備：將機器運行結果轉換為人們熟悉的信息形式，如列印機輸出、顯示器輸出等。
2.2 計算機軟體的組成：

系統軟體：標准程序庫、語言處理程序、操作系統、服務性程序、資料庫管理系統、計算機網路軟體等。
應用軟體（應用程序）：科學計算程序、數據處理程序、過程式控制製程序、事務管理程序、各種APP等。
2.3 說明

中央處理器（CPU）：運算器和控制器。
I/O設備：輸入設備和輸出設備。
地址寄存器（MAR）：存放欲訪問的存儲單元地址。
數據寄存器（MDR）：暫存要從存儲器中讀或者寫的信息。
運算器：包含若干通用寄存器，如累計器（ACC）、乘商寄存器（MO）、操作數寄存器（X）、變址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）、程序狀態寄存器（PSW）等。
控制器由程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、控制單元（CU）組成。
3. 計算機硬體和軟體的關系
硬體和軟體是一個完整的計算機系統互相依存的兩大部分，它們的關系主要體現在以下幾個方面。

硬體和軟體互相依存：硬體是軟體賴以工作的物質基礎，軟體的正常工作是硬體發揮作用的唯一途徑。計算機系統必須要配備完善的軟體系統才能正常工作，且充分發揮其硬體的各種功能。
硬體和軟體無嚴格界線： 隨著計算機技術的發展，在許多情況下，計算機的某些功能既可以由硬體實現，也可以由軟體來實現。因此，硬體與軟體在一定意義上說沒有絕對嚴格的界面。
硬體和軟體協同發展：計算機軟體隨硬體技術的迅速發展而發展，而軟體的不斷發展與完善又促進硬體的更新，兩者密切地交織發展，缺一不可。
4. 計算機的工作過程
計算機的工作過程可分為以下幾個過程：

把程序和數據裝入到主存儲器中。
從程序的起始地址運行程序。
用程序的首地址從存儲器中取出第一條指令，經過解碼、執行步驟等控制計算機各功能部件協同運行，完成這條指令功能，並計算下一條指令的地址。
用新得到的指令地址繼續讀出第二條指令並執行，直到程序結束為止；每一條指令都是在取指、解碼和執行的循環過程中完成的。
（三）計算機性能指標
機器字長：計算機進行一次整數運算（即定點整數運算）所能處理的二進制數據的位數。數的表示範圍越大，計算精度越高。

數據通路帶寬：數據匯流排一次所能並行傳送信息的位數。

主存容量：主存儲器所能存儲信息的最大容量，用位元組或字數×字長表示。MAR的位數反映了存儲單元的個數。
如：MAR為16位，則有216 個存儲單元（即64K內存，1K=1024），若MDR為32位，表示存儲容量為64K×32位。

運算速度：

（1）吞吐量和響應時間

吞吐量：系統在單位時間內處理請求的數量，主要取決於主存的存取周期。
響應時間：用戶向計算機發送一個請求，到系統對該請求做出響應並獲得它所需要 的 結果的等待時間。
（2）主頻和CPU時鍾周期

主頻（CPU時鍾頻率）：機器內部主時鍾的頻率，即CPU時鍾周期的倒數，常以MHz為單位，1MHz表示每秒1次。
CPU時鍾周期：通常為節拍脈沖或T周期，即主頻的倒數，是CPU中最小的時間單位。
（3）CPI：執行一條指令所需要的時鍾周期數。

（4）CUP執行時間：運行一個程序所花費的時間。
   CUP執行時間 = CPU時鍾周期數 / 主頻 = (指令條數 × CPI）/ 主頻

（5）MIPS、MFLOPS、GFLOPS和TFLOPS

MIPS：每秒執行多少百萬條指令。
MIPS = 指令條數 / (執行時間 × 106）= 主頻 / CPI

MFLOPS：每秒執行多少百萬次浮點運算。

GFLOPS：每秒執行多少十億次浮點運算。

TFLOPS：每秒執行多少萬億次浮點運算。