1.1 概念
- 何为计算机：计算机是指“通用电子计算机”
- 通用：不是专用设备
- 电子：采用电子元器件
- 数字：信息采用数字化形式表示
- 计算机系统：硬件和软件
- 何为计算机“组织”：操作单元及其互联连接
- 对编程人员不可见
- 包括：控制信号，存储技术等
- 何为计算机”结构“：直接影响逻辑程序执行的属性
- 对编程人员可见
- 包括：指令集，表示数据类型的位数等
指令集体系结构： ISA ，有时称为指令系统。 ISA 是一种规约，规定如何使用硬件。
- 可执行指令的集合，包含指令格式、操作种类及操作数的规定
- 指令可以接受的操作数类型
- 操作数所能存放的寄存器组的结构，包括每个寄存器的名称、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
- 操作数在存储空间存放时按照大端还是小端方式存放
- 指令获取操作数的方式，即寻址方式
- 指令执行过程的控制方式，包括程序计数器（PC）、条件码定义等
ISA 与组成之间的关系：计算机组成必须能够实现 ISA 规定的功能，如提供 GPR 、标志、运算电路等，一种 ISA 可以有不同的计算机组成。
1.2 计算机简史
1.2.1 第一代：真空管
- ENIAC ：第一台通用计算机，十进制，手动编程
- ABC ：第一台电子计算机，不可编程
- EDVAC ：冯·诺伊曼架构（普林斯顿架构）
- 三个基本原则：
- 二进制
- 存储程序
- 5个组成部分
- 主存储器：地址和存储内容
- 算术逻辑单元 / 处理单元：执行信息处理
- 程序控制单元 / 控制单元：指挥信息处理
- 输入设备
- 输出设备
- 三个基本原则：
1.2.2 第二代：晶体管
- 体积更小、更便宜、发热更少
- 使用高级语言编程，并为计算机提供了系统软件
1.2.3 第三代：中小规模集成电路
1.2.4 第四代：（超）大规模集成电路
思想：
- 将整个电路安装在很小的硅片上，而不是用分立元件搭成的等价电路
- 晶体管可以通过金属化相互连接，形成电路
1.3 计算机发展
1.3.1 摩尔定律
- 价格不变时，单芯片上所能包含的晶体管数量每年翻一番 (1965-1969) / 1970年起减慢为每18个月翻一番
- 影响：
- 更小尺寸带来更多灵活性与可能性
- 成本下降
- 减小电能损耗与冷却要求
- 芯片间连接更少，更可靠
1.4 计算机性能
1.4.1 CPU 性能
- 计算机设计主要目标：提升 CPU 性能
- 系统时钟
- 时钟频率： 1s 内执行基本操作的次数
- 始终周期：执行每次最基本操作的时间
- 指令执行： $CPI_i$ 表示第 $i$ 种指令需要周期数， $I_i$ 表示第 $i$ 类指令条数，则有
执行一个程序的处理时间表示为
- 每秒百万条指令（ MIPS ）：
- 每秒百万条浮点操作（ MFLOPS ）：
1.4.2 性能设计的基本原则
- 大概率事件优先原则：对于大概率事件，赋予优先的处理权与资源使用权。
- Amdahl 定律：
- 部件系统加速比受限于其在系统中所占重要性比例。
- 性能增加的递减规则：改进越，系统获得效果越小