2.14ALU，存储系统

IR存放当下欲执行的指令；PC存放下一条指令的地址；

MAR存放欲访问的存储单元地址；MDR存放从存储单元取来的数据！

地址译码器是主存的构成部分，不属于CPU；地址寄存器虽然一般属于主存，但是现代计算机中绝大多数CPU内集成了地址寄存器！

关于CPU存取速度的比较：寄存器（CPU内部）> Cache(高速的SRAM) > 内存（SDRAM）

首先PC将指令地址发送给MAR，MAR根据地址在存储体中找到指令数据存放在MDR中，之后MDR将指令存放在IR中，取指令结束，之后指令中的操作码进入CU中，地址码重复上述取指令步骤，将数据发送到ACC中，执行指令结束。注意区分指令和数据的依据:指令周期的不同阶段

计算机性能指标

计算机的位数（机器字长），表示计算机进行一次整数运算(即定点整数运算)所能处理的二进制数据的位数。计算机字长通常选定为字节(8位)的整数倍，通常是2,4,8倍。不同的计算机，字节可能不同

机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么？

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。
存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数， 它们都必须是字节的整数倍。
数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。

指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。

早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。

请注意64位操作系统是指特别为64位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用64位处理器的优势。但64位机器既可以使用64位操作系统，又可以使用32位操作系统。而32位处理器是无法使用64位操作系统的。

数据通路带宽
数据总线一次所能传送信息的位数

主存容量
MAR的位数反映存储单元的个数，如MAR为16位，表示存储单元为216 = 64K;若MDR为32位，则存储容量为216x32

MAR存地址，MDR存数据

吞吐量，指系统在单位时间内处理请求的数量 ；从用户观点看，它是评价计算机系统性能的综合参数！
响应时间，指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所需结构的等待时间。

CPU时钟周期。通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位，每个动作至少需要1个时钟周期。

主频(CPU时钟频率)。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。

CPU周期又称为机器周期，由多个时钟周期组成！
指令周期>CPU周期>时钟周期

CPI（Clock cycle Per Instruction），即执行一条指令所需的时钟周期数。

CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间。
CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = (指令条数xCPI)/主频
CPU的性能取决于三个要素:主频、CPI 、指令条数

IPS(Instructions Per Second) =主频/平均CPI，每秒执行多少指令

MIPS(Million Instructions Per Second)=即每秒执行多少百万条指令。

MFLOPS(Mega Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x106),即每秒执行多少百万次浮点运算。

GFLOPS(Giga Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x109)，即每秒执行多少十亿次浮点运算。

TFLOPS(Tera Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x1012)，即每秒执行多少万亿次浮点运算。

1) 计算机由哪几部分组成？以哪部分为中心？
1)计算机由哪几部分组成？以哪部分为中心？

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分构成，现代计算机通常把运算器和控制器集成在一个芯片上，合称为中央处理器。
而在微处理器面世之前(早期的冯·诺依曼机)，运算器和控制器分离，而且存储器的容量很小，因此设计成以运算器为中心的结构，其他部件都通过运算器完成信息的传递。
随着微电子技术的进步，同时计算机需要处理、加工的信息量也与日俱增，大量IO设备的速度和CPU的速度差距悬殊，因此以运算器为中心的结构不能满足计算机发展的要求。现代计算机已经发展为以存储器为中心，使IO操作尽可能地绕过CPU,直接在IO设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率。
2) 主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？为什么？
2)主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？为什么？

衡量CPU运算速度的指标有很多，不能以单独的某个指标来判断CPU的好坏。CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率。CPU的主频表示CPU内数字脉冲信号振荡的速度，主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（架构、缓存、指令集、CPU的位数、 Cache大小等）。由于主频并不直接代表运算速度，因此在一定情况下很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象

翻译程序是指把高级语言源程序翻译成机器语言程序（目标代码）的软件。
翻译程序有两种：一种是编译程序，它将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序，每次执行程序时，只需执行目标程序，因此只要源程序不变，就无须重新翻译，请注意同一种高级语言在不同体系结构下，编译成目标程序是不一样的，目标程序与体系结构相关，但仍不是计算机硬件能够直接执行的程序。另一种是解释程序，它将源程序的一条语句翻译成对应的机器目标代码，并立即执行，然后翻译下一条源程序语句并执行，直至所有源程序语句全部被翻译并执行完。所以解释程序的执行过程是翻译一句执行一句，并且不会生成目标程序。
汇编程序也是一种语言翻译程序，它把汇编语言源程序翻译为机器语言程序。汇编语言是种面向机器的低级语言，是机器语言的符号表示，与机器语言一一对应。
编译程序与汇编程序的区別：若源语言是诸如C、C++、Java等“高级语言”，而目标语言是诸如汇编语言或机器语言之类的“低级语言”，则这样的一个翻译程序称为编译程序。若源语言是汇编语言，而目标语言是机器语言，则这样的一个翻译程序称为汇编程序。

机器语言和汇编语言与机器指令对应，而高级语言不与指令直接对应，具有较好的可移植性。其中机器语言可以被硬件直接执行。

软件和硬件是两种完全不同的形态，硬件是实体，是物质基础；软件是一种信息，看不见、摸不到。但在逻辑功能上，软件和硬件是等效的。因此，在计算机系统中，许多功能既可以由硬件直接实现，又可以在硬件的配合下由软件实现。
一个最大的区别就是，硬件实现比软件实现的速度快很多，但是成本也高！所以，芯片在流片之后，如果发现bug可以用软件修复就用软件修复！
例如，乘法运算既可用专门的乘法器（主要由加法器和移位器组成）实现，也可用乘法子程序（主要由加法指令和移位指令等组成）来实现。

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。
存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数，它们都必须是字节的整数倍。
数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。

指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。

早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。

请注意64位操作系统是指特别为64位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用64位处理器的优势。但64位机器既可以使用64位操作系统，又可以使用32位操作系统。而32位处理器是无法使用64位操作系统的。

计算机体系结构是指机器语言或汇编语言程序员所看得到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术等，大都属于抽象的属性。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含对许多对程序员来说透明的硬件细节。例如，指令系统属于结构的问题，但指令的实现即如何取指令、分析指令、取操作数如何运算等都属于组成的问题。因此，当两台机器指令系统相同时，只能认为它们具有相同的结构，至于这两台机器如何实现其指令，完全可以不同，即可以认为它们的组成方式是不同的。例如，一台机器是否具备乘法指令是一个结构的问题，但实现乘法指令采用什么方式则是一个组成的问题。（简言之，看有没有这个属性，就是结构问题；看怎么实现，就是组成问题）
许多计算机厂商提供一系列体系结构相同的计算机，而它们的组成却有相当大的差别，即使是同一系列的不同型号机器，其性能和价格差异也很大。例如， IBM System/370结构就包含了多种价位和性能的机型。

体系结构不等于组成

一般情况下，基准测试程序能够反映机器性能的好坏。但是，由于基准程序中的语句存在频度的差异，因此运行结果并不能完全说明问题。

数据的表示与运算

任意两个码字之间最少变化的二进制位数称为码距，码距大于等于2的数据校验码开始具有检错的能力。码距越大，检错、纠错能力越强。奇偶校验码的码距等于2,可以检测出一位错误（或奇数位错误），但不能确定出错的位置，也不能检测出偶数位错误；海明码的码距大于2,因此不仅可以发现错误，还能指出错误的位置。仅靠增加奇偶校验位的位数不能提高正确性，还要考虑码距。

具有检、纠错能力的数据校验码的实现原理：在编码中，除合法码字外，再加入一些非法码字，当某个合法码字出现错误时，就变为非法码字。合理安排非法码字的数量和编码规则就能达到纠错的目的。

码距可以看成是最少编辑距离

算数逻辑单元（ALU）

字长相同时，浮点数取字长的一部分作为阶码，所以表示范围比定点数要大，而取一部分作为阶码也就代表着尾数部位的有效位数减少，而定点数字长的全部位都用来表示数值本身，精度要比同字长的浮点数更大。

存储系统

相联存储器的基本原理是把存储单元所存内容的某一部分作为检索项（即关键字项）去检索该存储器，并将存储器中与该检索项符合的存储单元内容进行读出或写入。所以它是 按内容或地址进行寻址的，价格较为昂贵。一般用来制作TLB、相联 Cache等。

按在计算机中的作用对存储器分类：

1> 主存储器,简称主存。CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓存器及辅助存储器交换数据。

2> 辅助存储器,简称辅存，不能与CPU直接相连，用来存放当前暂时不用的程序和数据

3> 高速缓冲存储器,位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据

按信息的可保存性分类：

断电后，存储信息即消失的存储器，称为易失性存储器，如RAM。断电后信息仍然保持的存储器，称为非易失性存储器，如ROM，磁表面存储器和光存储器。若某个存储单元所存储的信息被读出时，原存储信息被破坏，则称为破坏性读出；若读出时，被读单元原存储信息不被破坏，则称为非破坏性读出。具有破坏性读出性能的存储器，每次读出操作后，必须紧接一个再生的操作，以便恢复被破坏的信息

按存储介质分类：

磁表面存储器（磁盘，磁带），磁心存储器半导体存储器（MOS型存储器，双极存储器）和光存储器（光盘）。
按存取方式分类：

1> 随机存储器（RAM）。存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存取单元的物理位置无关，主要用作主存或高速缓冲存储器。

2> 只读存储器（ROM）。存储器的内容只能随机读出而不能写入。。即使断电，内容也不会丢失。

3> 串行访问存储器。对存储单元进行读/写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻址，包括顺序存取存储器（如磁带）与直接存取存储器（如磁盘）。

、

存储器的性能指标，有3个主要的性能指标，存储容量，单位成本和存储速度

1> 存储容量：存储字数*字长
2> 单位成本：每位价格=总成本/总容量
3> 存储速度：数据传输率=数据的宽度/存储周期

存取时间：存取时间时指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。

存取周期：它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。

主存带宽：主存带宽又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒，字节/秒
存取时间不等于存储周期，通常存储周期大于存取时间。因为任何一种存储器，在读写操作之后，总要有一段恢复内部状态的复原时间。

主存储器是由地址寄存器(MAR)，数据寄存器(MDR)，存储体，时序控制逻辑组成。

地址寄存器存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。

数据寄存器，是存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息。

时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。

主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器既可以既可以按照地址寻址，又可以按照内容寻址，为了与传统存储器区别，又称为内容寻址的存储器！)

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
总线上信息的传送的两种方式：串行和并行。

总线的分类
片内总线：芯片内部的总线
系统总线：计算机各部件之间的信息传输线
数据总线：双向与机器字长、存储字长有关
地址总线：单向与存储地址、I/O地址有关，由CPU发出
控制总线：有出有入，存储器读、存储器写、总线允许、中断确认
通信总线
用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信
传输方式：串行通信总线、并行通信总线。

存储器的分类
按存储器介质份分类
半导体存储器（TTL（集成度低、功耗高、速度快）、MOS（功耗低，集成度高））。U盘等；易失
磁表面存储器（磁头、载磁体）。如磁盘、磁带等；非易失
磁芯存储器（硬磁材料、环状元件）；非易失
光盘存储器（激光、磁光材料）；非易失
按存取方式分类
存取时间与物理地址无关（随机访问）
随机存储器 在程序的执行过程中可读可写
只读存储器在程序的执行过程中只读
存取时间与物理地址有关（串行访问）
顺序存取存储器磁带
直接存取存储器磁盘
在计算机中的作用分类
主存储器
RAM（可读可写）；静态RAM、动态RAM
ROM（只读）；MROM、PROM、EPROM、EEPROM
辅助存储器磁盘、磁带、光盘
Flash Memory
高速缓冲存储器（Cache）