学习笔记（一）：计算机体系架构的术语和基本概念

学习<<Computer Organization and Design>>的一些读书笔记:

1. 计算机是由硬件和软件组成的，硬件和软件分布：硬件-系统软件-应用软件，由里到外的顺序分布的。

 

2. 那么刚刚提到了系统软件，系统软件有许多种，其中操作系统和编译程序是必需的

 

3. 操作系统：用户程序和硬件之间的接口   作用：处理基本的输入输出操作：分配外存和内存：为多个应用程序提供共享计算机资源的服务

 

4. 编译程序：把高级语言编写的程序翻译成硬件能执行的指令

 

5. 谈到硬件，首先要谈到电信号的发送：计算机只用两个字母表示：”通“，”断“（0，1）因此计算机语言是二进制数。计算机服从于我们的命令，即指令。

 

6. 指令：是能被计算机识别并执行的位串，可被视为数字

 

7. 由于第一代程序员使用二进制数和计算机通信，十分复杂，设计人员开发了叫汇编程序的软件：程序员发明用于将助记符形式的指令自动翻译成对应的二进制，但是汇编语言要求程序员像计算机一样思考。因此出现了高级编程语言和编译程序：

例如： A+B---编译程序---addA,B---汇编语言---二进制元指令

 

8. 硬件：基本功能：输入数据，输出数据，处理数据，存储数据   

组成计算机的典型部件：输入，输出，存储器，运算器，控制器（运算器和控制器统称为处理器）。

 

9. 打开机箱后，我们会看到： 硬盘驱动，处理器，风扇，内存，电池，主板，DVD驱动

 

10. 主板上的长方块是集成电路，芯片

 

11. 内存：程序运行时的储存空间，由8片集成电路构成。DRAM芯片组成

 

12. DRAM：动态随机访问内存，可随机访问任何地址的内存

 

13. 处理器：包括数据通路和控制器，相当于处理器的肌肉和大脑。数据通路：负责算术运算，控制器：负责指导数据通路，储存器和I/O设备按照程序的指令正确执行。

 

14. CPU内部使用的储存器是缓存：一般作为DRAM的缓冲

 

15. 计算机中的内存是易失性的：主储存器，但是DVD游戏3.机中采用的是非易失性储存器：二级储存器。

 

16. DRAM 1975年在主储存器中占主导地位而磁盘1965年在二级储存器中占主导

 

17. 其他的储存手段：闪存：主要用于手机的一种非易失性储存器

 

磁盘：多个盘片组成，每分钟5400-15000转 盘面涂有磁性材料 为了读写磁盘上信息，有读写头：装有小线圈的活动臂

由于磁盘采用机械部件，访问速度远远低于DRAM， 磁盘为5-20毫秒，DRAM为50-70纳秒，差不多是100000倍， 因此使得磁盘比DRAM便宜得多，因为磁盘储存器的制造成本低于集成电路的制造成本，每GB磁盘价格比DRAM便宜30-100倍。

磁盘和主存有三个主要差别：磁盘非易失（使用磁介质），访问速度慢，每GB价格较低

试图有人想制造新的储存技术，比DRAM价格低，比磁盘速度快，但是都失败了

目前闪存是一个有力挑战者，属于半导体储存器，像硬盘一样是非易失的，速度比磁盘快100-1000倍。但是闪存具有写100000-1000000次后老化损坏的特点所以必须记录写操作的数目，而且具备避免储存器损坏的策略。

 

其他的外存技术：光盘CD,DVD,蓝光

基于闪存的可移动储存卡，通常采用USB接口

 

磁带

光盘的工作原理：在表面烧制小坑的方法来记录数据，读取CD时，用激光照射CD表面，通过检验反射光来判定该处是坑害是平面，DVD采用同样技术，只不过激光可以聚焦多层，并大大减少每个坑的面积，从而具有更大的容量，蓝光使用波长更短的激光进一步压缩每个坑的面积，从而增加储存的容量。

 

18. 与其他计算机通信

与其他计算机通信的优点：在计算机之间高速交换信息；有些I/O设备可以由网络上的计算机共享，不必每台计算机都配备；远距离访问等等。

 

19. 处理器和储存器制造技术：

晶体管：一种受电流控制的开关

集成电路：成千上万个晶体管组成的芯片，简称VLSI

 

20. 性能：如果性能用时间来度量，完成同样计算任务需要时间最少的计算机是最好的，最季节的时间单位是wall clock time，墙上时钟时间，也叫响应时间。

有时一个处理器需要同时运行几个程序，这是系统可能侧重于优化吞吐率而不是响应时间。因此我们要把运行自己任务的时间和响应时间区分开来。因此我们可以用CPU执行时间（只表示在CPU上花费的时间）。CPU时间还可以分为用户程序的时间和操作系统为用户服务花去的时间，前者为用户CPU时间，后者称为系统CPU时间。

 

21. CPU的性能及其影响的因素

我们可以用一个简单的公式将最基本的尺度和CPU时间联系起来：

一个程序的CPU执行时间=一个程序的CPU时钟周期数 * 时钟周期时间

由于时钟频率和时钟周期时间互为倒数，所以：

一个程序的CPU执行时间=一个程序的CPU时钟周期数 / 时钟频率

说完了CPU的性能之后，我们就要涉及到指令的性能了，因为上述的性能公式每首涉及到程序所需的指令数。由于计算机是通过执行指令来运行程序的，执行时间一定和指令数有很大关系，所以

CPU时钟周期数=程序的指令数 * 每条指令的平均时钟周期数

术语CPI(clock cycles per instruction)就是用来表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值。那么用上述的几个公式，我们就可以解决许多问题（运用公式之间的转换）。

还有一点要提到的就是：CPU性能和CPU的执行时间是成反比所以执行时间越短的CPU性能越好。

 

22. 经典的CPU性能公式

由于有了上述的公式我们可以写出基本的性能公式：

CPU时间=指令数 * CPI * 时钟周期时间，同理：

CPU时间=指令数 * CPI / 时钟频率

现在我们来看看一些性能指标和它们的测量单位：

程序的CPU执行时间：程序执行的秒数

指令数：程序执行的指令数

CPI : 每条指令的平均时钟周期数

时钟周期时间：每时钟周期的秒数