计算器科学概论-数据操控

2.1计算机体系结构

计算机当中控制数据操控的电路称为CPU（Central Processing Unit 中央处理器，通常称为处理器），PC机和笔记本电脑中的CPU到尽头都是很小的正方形薄片，他们的引脚插在计算机主电路板的插座上。

2.1.1 CPU基础知识

CPU由3部分构成:

• 算数逻辑单元:包含在数据上执行运行的电路
• 控制单元 :包含了协调机器活动的电路
• 寄存器单元 :包含称为寄存器的数据存储单元，用作CPU中部的信息临时存储

通用寄存器用于临时存储CPU正在操控的数据，这些寄存器存储算术/逻辑单元电路的输入值以及该部件所产生的结果。为了操作存储在主存储器中的数据，控制单元要把存储器里的数据传送到通用寄存器，通知算术/逻辑单元由那些寄存器保存了这一数据，激活算术/逻辑单元的电路，并告知算术/逻辑单元那个寄存器将接收结果。

计算机CPU和主存储器通过总线进行连接。

主存储器中的值相加步骤

• 步骤1 从存储器中取出一个要加的值放入一个寄存器中。
• 步骤2 从储存器中取出另一个要加的值放入另一个寄存器中。
• 步骤3 激活加法电路，以步骤1和2所用的寄存器作为输入，用另一个寄存器存放相加的结果。
• 步骤4 将结果存入存储器。
• 步骤5 停止

---

2.2 机器语言

2.1 指令系统

在设计计算机时，出现了二种CPU体系结构的出现:

• RISC：只需要执行最小的机器指令集，这样设计的计算机效率高、速度快、而且便宜
• CISC:CPU应该能够执行大量复杂的指令，尽管许多在技术上是多余的，越复杂越容易应对今天日益增加的软件复杂性。

机器指令分为三类

1. 数据传输类

主要是包含请求在各个位置之间传输数据的指令。该指令是利用复制或者说克隆来描述这组指令的活动。

2. 算数/逻辑类

告诉控制单元请求在算术/逻辑单元内实现一个活动，除了其名称所示，该组指令还能进行布尔运算与、或、和异或。

3. 控制类

控制类指令包含指导程序执行而非数据操作的指令，这一类包含许多有趣的指令，例如JUMP或BRANCH系列指令。例如后者的例如“如果所得数值为0，跳到步骤5”

存储器中数值的除法

1. 把存储器中的一个值加载到一个寄存器中。
2. 把存储器中的另一个值加载到另一个寄存器。
3. 如果第二个值为0，那么转移到步骤6.
4. 第一个寄存器中的值除以第二个寄存器的值，结果留在第三个寄存器中。
5. 把第三个寄存器的值存储到存储器.
6. 停止。

2.2 一种演示用的机器语言

下图中有16个通用寄存器(缓存)，256个主存储器单元(内存中的字节),每个存储单元容量为8位

机器指令编码形式包括两部分:

• 操作码字段

操作码字段中的位模式指明该指令要求的是什么基本运算

• 操作数字段

操作数字段中的位模式提供操作码指定运算的更详细信息，以store操作为例，其操作数字段中的信息指示那个寄存器(缓存)包含被存储的数据，那个存储单元用于接收该数据。

---

我们演示用的计算机的整个机器语言只包含12条基本指令。每条指令都用16位编码，由4个十六进制数字表示，每条指令的操作码由前面4位组成，等价于第一个十六进制数字。

如上图中，如果一条指令的第一个十六进制数字为3，那么该指令的下一个十六进制数字指出那个寄存器中的内容需要存储，最后两个数字代表由哪个存储单元接收。

2.4 逻辑运算

与(and)运算

     10011010
 and 11001001
     10001000

或(or)运算

     10011010
 or  11001001
     11011011

2.5与其他设备通信

2.5.1 控制器的作用

计算机与其他设备通讯通常通过控制器的中间设备开处理。

控制器通过电缆与计算机箱里的外围设备相连接，或者与计算机背面端口的连接器相连接，其他外围设备插到这些端口上（鼠标，键盘）。

这些控制器有时候本身就是小型计算机，每个都有自己的存储电路，和简单的CPU，可以实现指挥控制器活动的程序。

当CPU在总线上发送一条消息，要把一个位模式存储到一个分配给某个控制器的存储器地址时，这个位模式实际上是存储到该控制器中，而不是主存储器中。

另外一种存储器映射输入/输出的方法是机器语言提供特定的操作码，用以规定通过控制器的数据传输。具有这些操作码的指令称为I/O指令

2.5.2 直接内存存取

因为控制器是连接一台计算机的总线上的，所以有可能在CPU不适用总线的几纳秒时间里实现与主存储器的通信。

控制器的这种存取主存储器的能力称为MDA，可以极大的提高计算机性能。

2.5.3 握手

握手通常涉及到一个状态字，该状态字是一个位图，其中的各个二进制位反映了该设备的各种状态。状态字提供了一种机制，用于协调与外围设备的通信。

2.5.4 流行的通讯媒介

• 并行通信

若干信号同时传输，每个信号都在各自的线路上，这种技术传输数据快，但是需要相对复杂的通信通路。

• 串行通信

一条信号线上一个信号接一个信号的传输，相对于并行通信，串行通信只需要一条相对简单的数据路径。

2.5.5 通讯速率

计算机之间通信是以bit/s计量的，常用的单位有如下:

• Kbit/s
• Mbit/s
• Gbit/s

注:小写的英文字母b通常表示位(bit)
     大写的英文字母B通常表示(byte)

2.6 其他体系结构

2.6.1 流水线

电子脉冲在电线上的传播要比光速慢。

• 光     :  每纳秒(ns，十亿分之一秒)能传播一英尺的距离。
• CPU控制单元:  2ns才能从1英尺之外的存储单元督导数据。

2.6.2 多处理器计算机

并行处理技术需要多个处理单元，于是产生了多处理器计算机，许多计算机都是基于这种思想

• 将若干处理单元都连接到同一个主存储器(内存)，其中每一个都像单处理器中的CPU

这种配置下各处理器独立工作，并通过把相关信息放在公共存储单元(字节)里来协调各自的工作。

• 将许多小型机器聚集成大的计算机。每台机器都有自己的存储器和CPU。

---

[^寄存器也就是缓存]

[^储存器在CPU之外一般指硬盘、U盘可以切断电源保存的设备]

[^主存储器就是内存]