計算機體系結構

前言

計算機體系結構指軟、硬體的系統結構 ，有兩方面的含義：它包括機器內的資料表示、定址方式以及對這些資料的運算和控制這些運算的執行等(即指令系統)看成是一臺計算機的邏輯組成中最基本的軟體。計算機運算器、儲存器、控制器、輸入裝置和輸出裝置等主要功能部件的相互連線和相互作用，藉以實現機器指令級的各種功能和特性。從最基本的功能和作用原理來說，計算機是在控制器的全面控制下，接收經數字化編碼的輸入資訊（程式和資料），把它存放在儲存器中，根據程式的要求對資料進行快速運算，產生結果資料輸出。因此，可以把運算器、儲存器、控制器、輸入裝置和輸出裝置看成是一臺計算機的邏輯組成中最基本的硬體。

一. 物理（電子的運動）

如果問大家CPU的原料是什麼，大家可能都會輕而易舉的給出答案—是矽，準確的來說是單晶矽，矽（Silicon,Si）是第Ⅳ族元素，因此其化合價外層有4個電子，並與4個相鄰元素緊密連線，形成晶格（lattice）。在上古時代，世界上第一個和第一個商用的雙極結型電晶體都是用鍺做的。摩托羅拉是當時第一家使用電晶體來製造收音機的廠商。但是好景不長，摩托羅拉收到了大量使用者投訴，說他們發現摩托羅拉的車載收音機在午後的陽光下曝曬一個下午後，就不再工作了。因為鍺在受熱之後會變成本徵態，這使得nMOS電晶體和pMOS電晶體都失去了他們特有的性質，結果雙極結型電晶體不能再工作了。而矽可以經受更高溫度的考驗，具有更好的熱穩定性，並且有著和鑽石一樣棒的晶體結構，這賦予了矽極好的穩定性和強度。電子的運動不只是在CPU裡面進行，一開機TA就在所有通電的硬體裡運動著，電源的電經由主機板上電阻、電容等元器件的控制變成微弱的電流在適合TA運動的二級管裡運動。

• 二進位制
• 邏輯閘（）

二.器件（電晶體、二極體）

1. 電晶體（transistor）是一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、訊號調製等多種功能。電晶體泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括各種半導體材料製成的二極體、三極體、場效電晶體、可控矽等（電晶體有時多指晶體三極體）。電晶體作為一種可變電流開關，能夠基於輸入電壓控制輸出電流。與普通機械開關（如Relay、switch）不同，電晶體利用電訊號來控制自身的開合，而且開關速度可以非常快，實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

2. 二極體（Diode）是一種具有兩個電極的裝置，只允許電流由單一方向流過，許多的使用是應用其整流的功能。而變容二極體（Varicap Diode）則用來當作電子式的可調電容器。大部分二極體所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極體最普遍的功能就是隻允許電流由單一方向通過（稱為順向偏壓），反向時阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極體可以想成電子版的逆止閥。

3. 快取記憶體

4. 虛擬儲存器

5. 嵌入式I/O

6. PC I/O

三.類比電路（放大器、濾波器）

四.數位電路（邏輯閘與、或、非）

五.邏輯（加法器、儲存器）

六.微體系結構（資料路徑控制器）

1.單週期處理
2.多週期處理
3.流水線處理
4.硬體描述語言表示
5.高階微體系結構
6.x86微體系結構

七.體系結構（指令暫存器）

體系結構是程式設計師所見到的計算機，它由指令集（組合語言）和運算元地址（operand location）（暫存器和儲存器）來定義。如x86、MIPS、SPARC、PowerPC等。

理解計算機體系結構的第一步是學習它的語言。計算機語言中的單詞叫做指令（instruction），詞彙表叫做指令集（instruction set），在同一臺計算機上執行的所有程式使用相同的指令集。即使是非常複雜的軟體應用（如webstorm、myeclipse等）最終都會被編譯為一系列諸如加法、減法或跳轉的簡單指令,計算機指令包含需要完成的操作和要使用的運算元，如MIPS彙編程式碼：add a, b, c用高階語言表示就是a=b+c;
1.組合語言

因為計算機用電路的通斷處理資訊，所以計算機硬體只能理解二進位制資訊，指令也會被編碼為二進位制，這樣微處理器才可以讀取並執行指令需要完成的操作，但是變成了二進位制我們人去閱讀就會很枯燥並且麻煩，所以就用符號格式來表示指令，稱為組合語言（assembly language），所以組合語言是計算機機器語言的人類可閱讀表示，每條組合語言指令都指明瞭需要完成的操作和操作所處理的運算元，運算元可以存放在暫存器或者儲存器中，也可以作為常數儲存在指令自身當中，訪問暫存器和指令自身的運算元會很快。

組合語言是一種用於電子計算機、微處理器、微控制器或其他可程式設計器件的低階語言，亦稱為符號語言。在組合語言中，用助記符（Mnemonics）代替機器指令的操作碼，用地址符號（Symbol）或標號（Label）代替指令或運算元的地址。在不同的裝置中，組合語言對應著不同的機器語言指令集，通過彙編過程轉換成機器指令。普遍地說，特定的組合語言和特定的機器語言指令集是一一對應的,不同平臺之間不可直接移植。

許多彙編程式為程式開發、彙編控制、輔助除錯提供了額外的支援機制。有的組合語言程式設計工具經常會提供巨集，它們也被稱為巨集彙編器。

組合語言不像其他大多數的程式設計語言一樣被廣泛用於程式設計。在今天的實際應用中，它通常被應用在底層，硬體操作和高要求的程式優化的場合。驅動程式、嵌入式作業系統和實時執行程式都需要組合語言。

2. 機器語言
3. 程式設計
4. 定址方式
5. 編譯、彙編和裝入
6. x86結構

八.作業系統（裝置驅動程式）

九.應用軟體（程式 “hello world”）