第三课：寄存器与内存、中央处理器（CPU）、指令和程序及高级 CPU 设计

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第六章：寄存器与内存

课程导入

• 当玩游戏、写文档时如果断电，进度会丢失，这是为什么？
  – 这是电脑使用的是 RAM（随机存取存储器），俗称内存，内存只能在通电情况下存储数据。
  – 本节课程将讲述内存的工作原理。

1、概念梳理

锁存器：利用 AND、OR、NOT 逻辑门，实现存储 1 位数字的器件。
寄存器：1 组并排的锁存器。
矩阵：以矩阵的方式来存放锁存器的组合件，n* n 门锁矩阵可存放 n^2 个锁存器，但同一时间只能写入/读取 1 个数字。（早期为 16*16 矩阵）。
位址：锁存器在矩阵中的行数与列数。eg.12 行 8 列。
多路复用器：一组电线，输入 2 进制的行址&列址，可启用矩阵中某个锁存器。
内存（RAM）：随机存取存储器，由一系列矩阵以及电路组成的器件，可根据地址来写入、读取数据。类似于人类的短期记忆，记录当前在做什么事情。

2、锁存器

作用：存储 1 位数字。
图示：

3、门锁

锁存器需要同时输入 2 个数字，不太方便。
为了使用更方便，只用 1 根电线控制数据输入，发展了门锁这个器件。另外，用另一根电线来控制整个结构的开关。（和复位作用不同）

4、寄存器

作用：并排使用门锁，存储多位数字
图示：

5、门锁矩阵

作用：n* n 的矩阵有 n^ 2 个位址，则可以存储 n^2 个数。但 1 个矩阵只可记录 1 位数字，n 个矩阵组合在一起，才可记录 n 位数。如 1 个 8 位数，会按位数分成 8 个数，分别存储在 8 个矩阵的同一个位址中。
8 个矩阵，则可以记录 256 个 8 位数字。

通俗理解：16* 16 的门锁矩阵，可理解为 1 个公寓，1 个公寓 256 个房间。
8 个门锁矩阵并排放，则有了 8 个公寓。
规定每一个公寓同一个编号的房间，都有一样的标记（地址），共同组成 8 位数字。
那么 8 个公寓就能存 （8*256 / 8）个数字。

原因：16*16 的门锁矩阵虽然有 256 个位置，但每次只能存/取其中 1 个位置的数字。因此，要表示 8 位数字，就需要同时调用 8 个门锁矩阵。

图示：

使用方法：在多路复用器中输入位址，x 行 x 列（2 进制），即可点亮 x 行 x 列的锁存器。

举例：

5、内存

粗略定义：将一堆独立的存储模块和电路看做 1 个单元，组成内存方块，n 个内存方块组成内存模块。在一个电路板上所有的内存方块统称为内存(RAM)。
图示：

第七章：中央处理器（CPU）

1、概念梳理

• CPU（Central Processing Unit）：中央处理单元，负责执行程序。通常由寄存器/控制单元/ALU/时钟组成。与 RAM 配合，执行计算机程序。CPU 和 RAM 之间用“地址线”、“数据线”和“允许读/写线”进行通信。
  – 指令：指示计算机要做什么，多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
• 时钟：负责管理 CPU 运行的节奏，以精确地间隔，触发电信号，控制单元用这个信号，推动 CPU 的内部操作。
  – 时钟速度：CPU 执行“取指令→解码→执行”中每一步的速度叫做“时钟速度”，单位赫兹Hz，表示频率。
  – 超频：修改时钟速度，加快 CPU 的速度，超频过多会让 CPU 过热或产生乱码。
  – 降频：降低时钟速度，达到省电的效果，对笔记本/手机很重要。
• 微体系框架：以高层次视角看计算机，如当我们用一条线链接 2 个组件时，这条线只是所有必须线路的抽象。

2、CPU 工作原理

1）必要组件

• 指令表：给 CPU 支持的所有指令分配 ID
• 控制单元：像指挥部，有序的控制指令的读取、运行与写入。
  – 指令地址寄存器：类似于银行取号。该器件只按顺序通报地址，让 RAM 按顺序将指令交给指令寄存器。
  – 指令寄存器：存储具体的指令代码。

2）过程

• 取指令：指令地址寄存器发地址给 RAM→RAM发该地址内的数据给指令寄存器→指令寄存器接受数据
• 解码：指令寄存器根据数据发送指令给控制单元 →控制单元解码（逻辑门确认操作码）
• 执行阶段：控制单元执行指令(→涉及计算时→调用所需寄存器→传输入&操作码给ALU执行）→调用RAM特定地址的数据→RAM将结果传入寄存器→指令地址寄存器+1

3）图示

第一个 CPU

第八章：指令和程序

1、概念梳理

• 指令：指示计算机要做什么的代码（机器码），多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
  – 注:指令和数据都是存在同一个内存里的。
• 指令集：记录指令名称、用法、操作码以及所需 RAM 地址位数的表格。

2、指令的执行

• 原则：
  – RAM 每一个地址中，都存放 0 或 1 个数据。
  – 特定的数字组合，就表示为一个指令，否则表示一个值。
• LOAD 指令：
  – 计算机会按地址的顺序，读取 RAM 中所记录的指令/数据。
  – 计算机接受到指令后，如 LOAD_A，则通过数据线将数据传至寄存器 A。

• ADD 指令：
  – ADD B A 指令告诉 ALU，把寄存器 B 和寄存器中的数字加起来，存到寄存器 A 中。
• JUMP 指令：
  – 遇到 JUMP 指令，程序会跳转至对应的 RAM 地址读取数据。
  – JUMP 指令可以有条件跳转（如 JUMP-negative），也可以无条件跳转。

3、计算机指令长度

由于早期计算机每个字只有 8 位，指令只占 4 位，意味着只能有 16 个指令，这远远不够。
现代计算机有两种方式解决指令不够用的问题：
最直接的是用更多位来表示指令，如 32 位或 64 位。
采用“可变指令长度”，令不同的指令的长度不同，尽量节约位数。
– 假设 1 个字为 16 位，如果某指令不需要操作内存，则可以省去寻址的位数。
– 该情况下，部分指令后面需要跟数据，如 JUMP，称为立即值。

第九章：高级 CPU 设计

概念梳理

• 缓存：在 CPU 中的小块 RAM，用于存储批量指令。
  – 缓存命中：想要的数据已经在缓存里
  – 缓存未命中：想要的数据不在缓存里脏位：缓存里每块空间，有个特殊标记，叫
  – 脏位，用于检测缓存内的数据是否与 RAM 一致。
• 多核处理器：一个 CPU 芯片中，有多个独立处理单元。

1、现代 CPU 如何提升性能

早期通过加快晶体管速度，来提升 CPU 速度。但很快该方法到达了极限。
后来给 CPU 设计了专门除法电路+其他电路来做复杂操作：如游戏，视频解码。

2、缓存

为了不让 CPU 空等数据，在 CPU 内部设置了一小块内存，称为缓存，让 RAM 可以一次传输一批数据到 CPU 中。（不加缓存，CPU 没位置放大量数据）
缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。
脏位：储存在缓存中与 RAM 不一致的数据。
空等原因：从 RAM 到 CPU 的数据传输有延迟（要通过总线，RAM 还要时间找地址、取数据、配置、输出数据）。

3、缓存同步

缓存同步一般发生在 CPU 缓存已满，但 CPU 仍需往缓存内输入数据。此时，被标记为脏位的数据会优先传输回 RAM，腾出位置以防被覆盖，导致计算结果有误。

4、指令流水线

作用：让取址→解码→执行三个步骤同时进行。并行执行指令，提升CPU性能。
原本需要 3 个时钟周期执行 1 个指令，现在只需要 1 个时钟周期。

设计难点：数据具有依赖性 跳转程序

数据依赖性解决方法：乱序运行、预测分支（高端 CPU）

5、一次性处理多条指令

6、同时运行多个指令流（多核 CPU）

多核处理器：一个 CPU 芯片中，有多个独立处理单元。但因为它们整合紧密，可以共享一些资源。

7、超级计算机（多个 CPU）

在一台计算机中，用无数个 CPU，做怪兽级的复杂运算，如模拟宇宙形成。