計算機組織與結構 筆記

以下為可能有些錯誤以及中國用語，請斟酌參考！！

• 計算機系統概述

用出現時間來分：
第零代（機械）、第一代（真空管）、第二代（電晶體）、第三代（積體電路）、第四代（超大型積體電路）、第五代（？？）

用應用領域來分：
超級電腦、家用主機、工作站、服務器、嵌入式裝置

性能指標：
吞吐量、響應時間、時脈、CPI (Clock Per Instruction)、執行時間、MIPS (Million Instructions Per Second)

CPU組成元件（馮諾伊曼結構）：
運算單元、控制單元、儲存單元、輸入單元、輸出單元
在“儲存單元”會有效能瓶頸

計算系統的分層結構：
用戶層（程式本體）、高級語言層（C++/Java）、組合語言層（組合語言）、作業系統層（作業系統）、機器層（機器語言）、控制系統層（CPU控制訊號）、邏輯層（邏輯閘）

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• 數據的表示及運算

常用進位制：十進制、二進制、十六進制、八進制

以二進制來說，考慮到正負：
原碼： X = 0.10001 / -X = 1.10001 (change MSB)
補碼：X = 0.10001 / -X = 1.01111 (-X = not X + 1)
反碼：X = 0.10001 / -X = 1.01110 (-X = not X)
可能會有正負零不同的表示方式！
以二進制來說，考慮到浮點數：
定點數(fixed point)、浮點數(floating point)

十進位的表示：BCD碼 (Binary-Coded Decimal)
非數字的表示：
EBCDIC碼 (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)、ASCII碼 (American Standard Code for Information Interchange)、Unicode

定點數運算、浮點數運算

數據校驗碼：奇偶校驗碼、海明校驗碼(Hamming Code)（可知道哪一個位元錯誤）、循環冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check, CRC)

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• 組合語言

發展：指令種類越來越多、越來越複雜，但實際上20%的指令比較常使用(80、20法則)

要求：完備性(夠用)、有效性(快速)、規整性(格式一致)、兼容性

種類：數據傳遞、算數運算、邏輯運算、程序控制(無條件跳躍、條件跳躍、離開函數、程序中斷)、輸入輸出(外部儲存空間、周邊設備)、特權(切換工作模式)、控制(直接控制CPU)

組成元素：指令長度(固定、不固定)、地址(零地址、一地址、二地址、三地址、多地址)、操作碼(固定、不固定)
當操作碼長度不固定造成指令長度不固定，CPU該如何知道該讀取多長的指令呢？

數據的儲存方式：大端(編號大的地址為資料的結尾，IBM、RISC)、小端(編號小的地址為資料的結尾，INTEL)
資料儲存通常以4 bytes為單位，如資料不足4 bytes其餘空間不再利用

指令尋址方式：順序尋址(PC+4)、跳躍尋址(JUMP)

操作數尋址：立即尋址(Immediate Addressing)、直接尋址(Direct Addressing)、間接尋址(Indirect Addressing)、暫存器尋址(Register Addressing)、暫存器間接尋址(Register Indirect Addressing)、相對尋址(Displacement Addressing)、變址尋址(Index Addressing)、基址尋址(Base Addressing)、段尋址(Segment Addressing)、複合尋址(Composite Addressing)

堆疊(Stack)尋址：PUSH(地址--)、POP(地址++)

RISC(Reduced Instruction Set Computer)優點：面積使用率高(沒太多少用的指令)、單指令執行速度快、設計簡單、編譯容易

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• 儲存系統

基本要素：位址、數據

一般電腦中有cache、主存(RAM、ROM)、輔存(磁碟、光碟)

使用半導體的有：DRAM、SRAM(cache)、掩膜式RAM、一次式PROM、UVEPROM、EEPROM
SRAM使用6個MOS、DRAM使用1個MOS+1個電容，往後亦有SDRAM、DDR、DDR2、DDR3...

擴展容量：位擴展連結(將一筆資料拆開儲存致多個不同的儲存器)、字擴展連結(將一筆資料依照位置存在對應的單一儲存器)、字位擴展連結(兩者結合)

cache的地址映射：全相連映射(任意個memory皆可對應到任意個cache)、直接相連映射(特定個memory皆可對應到特定「個」cache)、組相連映射(特定個memory皆可對應到特定「組」cache)

替換算法：隨機、FIFO、LFU、FRU
寫回策略：Write-Through、Write-Back、Write one time
cache通常一個區塊8~64 Bytes比較適合

虛擬儲存器：將輔存加入架構中，需要分頁表做虛擬位址和實體位置的轉換

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• 輸入輸出系統