[計算機概論] 計算機組織學習筆記

本文章參考計算機概論課本，記錄學習筆記。 

 3.1 計算機發展歷史
3.2 計算機簡介
3.3 效能評估
3.4 機器的語言
3.5 計算機算術
3.6 資料路徑
3.7 控制單元的設計
3.8 例外處理
3.9 管路設計（Pipelining）
3.10 記憶體系統（Memory System）
3.11 虛擬記憶體（Virtual Memory）
3.12 I/O 裝置
3.13 多處理器系統

一、計算機發展歷史

1. 第一代電腦 1941-1957
   真空管
   Ex. ENIAC

內儲程式計算機（馮紐曼）

1. 第二代電腦 1958-1963
   電晶體
   Ex. AT&T、MIT
2. 1964-1970
   積體電路
   Ex. 仙童半導體、德州儀器、IBM
3. 1971-至今
   微處理器
   Ex. Intel、台積電

二、計算機簡介
計算機又俗稱電腦，通常由硬體、軟體組成。
硬體：處理器（CPU）、記憶體（Memory）、輸入輸出（IO）等
軟體：作業系統（OS）、應用程式（App）、驅動程式（Driver）等

1. 硬體
   主機
   主機板：
   PS/2、USB、LPT1、COM、CPU、北橋、記憶體插槽、POWER、IDE、 AGP、PCI、南僑、BIOS、ISA
   中央處理單位（CPU）
   ALU、CU、Registers
   記憶體（RAM）
   風扇（30-80C）
   晶片組
   北橋：負責 CPU、記憶體、AGP
   南僑：I/O、ISA、PCI

輸出入連接埠（I/O Ports）
AGP 顯示卡
匯流排（ISA->PCI->AGP->PCI-E）
I/O裝置匯流排
USB介面
1.0->2.0（12Mb/s->480Mb/s）
IDE介面
IEEEE 1394介面
輸入與輸出裝置

1. 軟體
   作業系統、應用程式、驅動程式
2. 韌體（firmware）
   具有硬體和軟體特性

計算機架構：control unit 控制單元、資料路徑（datapath），含邏輯單元（ALU）、記憶單元（memory）、輸入單元（input）、輸出單元（output）
摩爾定律（Moore’s Law）
每 18 個月資料儲存容量或計算速度增加一倍
四、機器的語言
指令->指令集->指令集架構
編譯器（Compiler）
高階語言->組合語言
組譯器（Assembler）
組合語言->機器語言
連結器（Linker）
將物件程式模組連接起來
載入器（Loader）
將被執行載入記憶後開始執行
C->Compiler->Assembly->Assembler->Object: Machine Language Module + Object: Library Routine（Machine Language）Linker-> Executable : Machine Language Program -> Loader -> Memory
五、計算機的算術
1. 數字系統
人類使用十進位，而電腦僅看的懂二進位。
六、資料路徑（DataPath）
所有執行算數運算元件的集合就是資料路徑。
機器週期（machine cycle）
CPU 運作時，重複一個基本動作所需最短時間，即為機器週期。
擷取（fetch） -> 解碼（decode）->執行（execute）
七、控制單元的設計
控制單元的主要任務是要讓資料路徑中的指令訊號正確行走。
主要設計方式：
1. 硬體接線法
2. 微程式設計
八、例外處理
1. 異常（Exception）

1. 中斷（Interrupt）
2. 異常處理程序（Exception Handling）

九、管路設計（Pipelining）
管路（pipeline）是一種資料路徑的製作技巧，它可以重疊指令的執行（同步）。管路並不是縮短單獨一個指令的執行時間，而是增加指令的生產量（throughput）。
用管路技術可以每一個指令的執行時間不變，但生產量提昇
*管路危障（Pipeline Hazards）
下一個指令不能在緊接著的時脈週期被執行，這樣我造成管理無法全速運作。
結構危障(Structural Hazards)
在管路中每一個時脈都有數個指令同時被執行，如果硬體不能滿足所有執行中的指令需求時，就會發生結構危障
控制危障(Control Hazards)
當我們做決策時，此決策參考結果還在執行中
解決方法->暫停管路（stall）、分支預測（predict）、延遲分支（delayed branch）
資料危障(Data Hazards)
一個指令的運算元必須參考前面指令的執行結果，但前面的執行結果卻還在管路中沒有執行完
解決方法->可以前送（forwarding）、旁傳（bypassing）
十、記憶體系統
記憶體主要分為：
1. 主要記憶體
2. 次要記憶體
3. 快取記憶體
主記憶體
(1)動態隨機存取記憶體（DRAM）
(2)同步動態隨機存取記憶體（SDRAM）
(3)雙倍速記憶體（DDR RAM）
(4)靜態隨機存取記憶體
(5)快取記憶體
唯獨記憶體（ROM）
為非揮發性記憶體IC，製造過程中將資料存在 IC 內，因此資料寫入後無法更改。
ROM 種類
1. 可寫式唯獨記憶體
2. 可抹除可程式唯獨記憶體
3. 電流可抹除可程式唯獨記憶體
區域現象
區域現象指程式在執行時，通常會存取到的位址空間非常小，大部分都是沒有存取到。
記憶體階層（Memory Hierarchy）
1. 暫存器
2. 快取
3. 主記憶體
4. 磁碟
十一、虛擬記憶體
虛擬記憶體不只是「用磁碟空間來擴充功能實體記憶體」的意思——這只是擴充記憶體級別以使其包含硬碟機而已。把記憶體擴充功能到磁碟只是使用虛擬記憶體技術的一個結果，它的作用也可以通過覆蓋或者把處於不活動狀態的程式以及它們的資料全部交換到磁碟上等方式來實作。對虛擬記憶體的定義是基於對位址空間的重定義的，即把位址空間定義為「連續的虛擬記憶體位址」，以藉此「欺騙」程式，使它們以為自己正在使用一大塊的「連續」位址。-維基百科
十二、I/O裝置
1. 硬碟
RAID磁碟陣列
主要利用多部廉價硬碟組成架構單一的大型磁碟機
十三、多處理系統
多處理器系統指的是系統中不只一個處理器，至少兩個處理器以上。