第一章计算机系统概述

1.1 计算机系统层次结构

1.1.1 计算机系统的组成

计算机系统的组成：
计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。

1.1.2 计算机硬件

冯诺依曼架构：
冯诺依曼体系的基本思想是将程序指令存储和数据一起存储在计算机的内存中，首次提出了"存储程序"的概念，其主要由如下几个部件构成：
1. 输入设备
2. 输出设备
3. 存储器，可分为主存储器(内存)和辅存储器(外存)
4. 运算器，运算器和控制器可一起简化为CPU
5. 控制器
其基本结构如下：(主要用于了解结构体系)
Pasted image 20240329180301.png
上述五个主要部分可如下划分归类：(需要注意主机的概念)
Pasted image 20240329172539.png
冯诺依曼体系的特点有：
1. 指令和数据以同等地位存储并可以按地址访问
2. 数据和指令均以二进制表示
3. 指令由操作码和地址码(运算数的地址)组成
4. 会提前将指令和数据存储到存储器中
5. 冯诺依曼结构以运算器为核心，现代计算机以存储器为中心。

主存储器的基本组成：
其由存储体、MAR(存储地址寄存器)、MDR(存储数据寄存器)组成，其主要基本结构如下图所示：
Pasted image 20240329173142.png
其中：
MAR为存储地址寄存器，用于存放访存地址，其长度一般与PC的长度相等，其长度可以决定存储体中存储单元个数的上限。
MDR为存储数据寄存器，用于暂存要读写的信息，其长度与存储字长相等，一般为2的幂的整数倍。
在现代计算机中，MAR和MDR一般集成于CPU内部。
在主存储器中还有以下基础概念：
存储单元：存储单元是每个存储体以寻址方式进行划分的最小单元。
存储字：是存储器存储和处理数据的最小单位，其字长不定，取决于具体计算机。
存储字长：存储单元中二进制的位数。
存储元：用于存储二进制的电子元件，每个存储元可存储1bit。

运算器的组成：
运算器主要由以下几个部件组成(三个寄存器加一个算术单元)：
ACC：累加器，用于存放操作数或运算结果。
MQ：乘商寄存器，用于存放操作数(乘数、被除数)或运算结果，仅在乘法或除法中使用。
X：通用操作数寄存器(通常有多个)，用于存放操作数(加数、被乘数、除数)。
ALU：算术逻辑单元，其由复杂的逻辑电路构成，用于实现算术操作。
其结构如下：
Pasted image 20240329175600.png

控制器的基本组成：
控制器的基本组成主要由以下几个部件组成：
CU：控制单元，用于分析指令和给出控制信号
IR：指令寄存器，存放当前所执行的指令
PC：程序计数器，用于存放下一条指令的地址，有自动加一的功能
控制器完成一条指令的流程为：
1. 从PC指向的地址取指令
2. 使用IR分析指令
3. 使用CU执行指令
其中，前两个阶段可以合并称为取指令阶段，最后一个阶段为执行指令的阶段。

接下来可以简单模拟一下CPU执行如下C语言代码的流程：

void func()
{
    int a = 1, b = 2;
    a = a + b;
}

其会被编译为如下汇编代码：

func:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 1; 将1赋值给a，下述分析流程将从此开始
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 2; 将2赋值给b
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]; 将b存储到通用寄存器eax
        add     DWORD PTR [rbp-4], eax; 执行加法运算，并将结果缓存到第一个操作数
        nop
        pop     rbp
        ret

从 mov DWORD PTR [rbp-4], 1 开始分析，此时二进制指令如下：

主存相对地址 (从标签 `func` 开始计算)	指令	注释
0	`push rbp`
1	`mov rbp, rsp`	将栈指针 `rsp` 存入当前函数栈基址寄存器 `rbp`
2	`mov DWORD PTR [rbp-4], 1`	栈向下增长，将1存入堆栈基址下的第一个双字节地址
3	`mov DWORD PTR [rbp-8], 2`	将2存入第二个双字节地址(`DWORD` 的 `d` 意为 `double`)
4	`mov eax, DWORD PTR [rbp-8]`	将第二个双字节地址存入 `eax` 通用寄存器
5	`add DWORD PTR [rbp-4], eax`	执行 `ADD` 指令，将第一个双字节地址加 `eax` 并存于原位
6	`nop`	无操作，空闲一个机器周期
7	`pop rbp`	将 `rbp` 压入栈中
8	`ret`	将函数return

则从指令 mov DWORD PTR [rbp-4], 1 开始，该计算机的工作流程为：
0. PC 指向内存地址 2 ，并运行完内存地址为 1 中的指令。

此时 PC 指向地址 2 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
3. 主存储器将 MAR 指向的指令 mov DWORD PTR [rbp-4], 1 存入 MDR
4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
6. 控制单元 CU 会将 [rbp-4] 和 1 分别存入 MAR 和 MDR 中，以修改 [rbp-4] 中的数据。
此时 PC 指向地址 3 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。
此时 PC 指向地址 4 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
3. 主存储器将 MAR 指向的指令 mov eax, DWORD PTR [rbp-8] 存入 MDR
4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
6. 控制单元 CU 会将 [rbp-8] 中的数据存入通用寄存器 eax 中。
此时 PC 指向地址 5 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
3. 主存储器将 MAR 指向的指令 add DWORD PTR [rbp-4], eax 存入 MDR
4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
6. 控制单元 CU 会将 [rbp-4] 存入 MAR 中
7. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
8. 主存储器将 MAR 指向的数据 1 存入 MDR
9. 控制单元 CU 将 MDR 中的数据存入 ACC 中
10. 执行加法运算，并将结果存入 ACC 中
11. 控制单元 CU 将 [rbp-4] 和 ACC 中的数据分别存入MAR和MDR中，以修改 [rbp-4] 中的数据。
余下略。

1.1.3 计算机组成的层次结构

在上述例子中，每行汇编指令就是一个传统机器指令，而每个汇编指令背后所需要执行的操作就是微程序机器指令。例如汇编指令 mov DWORD PTR [rbp-4], 1 对应的微程序指令为：

此时 PC 指向地址 2 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
3. 主存储器将 MAR 指向的指令 mov DWORD PTR [rbp-4], 1 存入 MDR
4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
6. 控制单元 CU 会将 [rbp-4] 和 1 分别存入 MAR 和 MDR 中，以修改 [rbp-4] 中的数据。

因此在这种层面上来看，汇编指令也不是最底层的计算机组成层次结构。简单来说，计算机组成的层次结构为：

在本门课程中主要研究M0、M1两层的实现。

1.2 计算机的性能指标

1.2.1 计算机的主要性能指标

字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据位数，通常为字节的整数倍。
数据通路带宽：数据总线一次能并行传输信息的位数。
主存容量：主存储器的最大容量。
运算速度，运算速度的指标主要有：
- 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量。
- 响应时间：从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得结果的时间。
- CPU时钟周期：CPU的最小时间单位，是主频的倒数，一个指令至少要一个时钟周期。
- 主频：时钟频率。
- CPI：Cycle Per Instruction，执行一条指令所需时钟周期数。
- CPU执行时间：运行一个程序所花费的时间。
- MIPS：Million Instruction Per Second，每秒每百万指令数。
- OPS：Operations Per Second，常用数量级为MOPS、TOPS等。

第一章 计算机系统概述