【数字设计与计算机体系结构】2021-09-23-数字设计与计算机体系结构课程（一）
一
数字设计的两方法与三原则；
计算机体系结构发展中的八个思想；
【纸质笔记中已经记录，不再重复（以后均简写为PR）】
二
2.1
1.模拟量与数字量；
2.电信号的三种类别；
【PR】
【
连续的模拟信号：时间和幅值都是连续的；
离散的模拟信号：时间上不连续但是幅值是连续的；
数字信号：时间上离散，幅值只有有限个；
Q：但是数字脉冲信号似乎在时间上是连续的，不知道这个怎么说；
】
【此处有个问题：数字信号与数字脉冲信号的区别暂时没有搞清楚，在我的理解中数字信号是多个孤立的离散值的图像，数字脉冲信号是两种孤立值，每一种存在了一段时间，即脉冲信号是在两种稳定状态之间跃迁（或者说切换状态，就像我今天看的刑天铠甲与战神刑天）（bushi）】
【还有就是，连续的模拟信号对应的似乎是模拟电路，与之相对的数字信号对应的是数字电路，计算机体系结构中似乎是在研究数字电路的内容；暂且不是很清楚，环太平洋里面流浪者号好像因为自己是模拟电路控制的机甲而免于大停电的影响……当然这也是题外话】
【模拟信号通过模数转换可以改变为数字信号，数字信号能不能转换为模拟信号存疑】
【系统中是同时存在数字电路和模拟电路的，数字信号在存储和传输数据上有优势；但是不知道模拟信号的优势是什么；】
2.2
3.数字电路：
数字脉冲电路与数字模拟电路；
计算机中使用的是数字信号（不是数字脉冲信号），所以计算机中讨论的是数字逻辑电路；
数字逻辑电路的优点：
- 可靠，抗干扰性强；
- 功耗低；
- 集成度高；
- 计算能力强；
- 易于储存；
【PR】
【说实话，除了第一个优点和最后一个优点，我哪个优点都没有看懂为什么；由于仅有高低电平两种情况所以抗干扰性强，我是能够理解的；信息全都是零和一所以易于储存我也是能够理解的（虽然我怀疑我这种理解不太准确，因为老师给的解释里似乎更偏向于硬件，但是我就在打字的时候想到底层逻辑结构上的无比简单似乎也降低了储存对硬件的要求），但是其他的功耗低集成度高这些在我目前的知识内容下就不太能理解了，希望我学完整门课之后能够理解它】
【题外话：今天我意识到我目前最大的问题就是所知甚少，对我所在的领域了解太少自然会感觉无从下手盲人摸象】
2.3
4.计算机与计算机体系结构
什么是计算机？
答：是一种通过执行所存储的程序中的指令，自动、高速、精确地对数字信号（信息）进行各种复杂处理，并将处理结果输出的高科技智能电子设备。
什么是计算机系统？
软件/硬件；
软件中：应用软件/系统软件；
系统软件中：操作系统/支撑软件；
计算机系统分类：（搬运自杨全胜老师的PPT）
1.物联网/嵌入式计算机
嵌入到其他系统中的微小型计算机
主要目标往往是以最低的价格满足性能需求
广泛存在于日常机器中：微波炉、洗衣机、汽车、冰箱等
物联网 (IoT) 一词是指通常以无线方式连接到 Internet 的嵌入式计算机。
当增加传感器和执行器时，物联网设备收集有用的数据并与物理世界交互，从而产生各种各样的“智能”应用
2.个人移动设备（Personal Mobile Device）
应用于具有多媒体用户界面的无线设备集合的术语
手机、平板电脑等
PMD中的处理器通常被视为嵌入式计算机，但可以运行外部开发软件的平台，并且它们具有台式计算机的许多特征。
高实时性，最小化地内存使用，高的续航能力。
3.桌面计算
桌面计算涵盖从低端上网本到高端配置的工作站，讲究的是性价比
最高性能的微处理器和低成本微处理器通常首先出现在桌面系统中
4.服务器
提供更大规模、更可靠的文件和计算服务，已经成为大型企业计算的骨干，取代了传统的大型机。
讲求高可用性、可扩展性和高吞吐量
5.集群/仓储级计算机/超级计算机
集群是由局域网连接的台式机或服务器的集合，用作一台更大的计算机。每个节点运行自己的操作系统，节点使用网络协议进行通信。
WSC是最大的集群，它使数以万计的服务器可看做一个服务器运行。
超级计算机与WSC相关，但超级计算机更强调浮点性能和长时间运行大型、通信密集型批处理程序。而WSC则强调交互式应用程序、大规模存储、可靠性和高互联网带宽。
计算机体系机构：
1.传统观点
指令集架构（ISA）的设计；
指令集架构类型、寄存器组织、存储模型、寻址方式、指令操作数、硬件支持的操作种类、指令编码方式、中断和异常的处理等；
2.现代观点
根据目标机器的特定需求，在成本、功耗、可用性等约束下最大化(优化）机器性能；
指令集架构, 计算机组织（微体系结构）, 硬件实现；
3.其他的一些定义（了解一下）
1.计算机体系结构是研究如何选择（设计）功能部件和互联方法来满足计算机系统的功能、性能、价格约束的科学
2.描述计算机系统的功能、结构组织和实现的一组规则和方法。
3.计算机体系结构是软件设计者与硬件设备设计者（VLSI）之间的中间层，是软件与硬件的接口（Interface）
4.计算机体系结构：一组指令及机器的一系列状态
5.计算机体系结构:研究如何设计、组织，以及使用可用的生产技术实现信息处理（硬件）系统，该系统可有效地执行软件应用，并满足价格、功耗和性能约束
【这里提到了几个概念：计算机系统，计算机，计算机体系结构；在我的理解中计算机体系结构是一种设计理念，计算机和计算机系统则是具体的东西；】
2.4
5.冯诺依曼结构与计算机体系结构
- 计算机制造三原则【PR】;
- 计算机结构【PR】；
- 冯诺依曼结构
基本原理：
存储程序和指令驱动执行
计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成，其中控制器和运算器组成了中央处理单元CPU；
存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元位数固定（8位有一个字节）。指令和数据不加区分的以二进制形式存储在同一个存储体中；
控制器从存储器中取出指令并根据指令要求发出控制信号控制计算机操作。控制器中的程序计数器指明要执行的指令所在的存储单元地址。程序计数器一般按地址顺序递增，但根据跳转指令要求也可改变顺序。
原来的冯诺依曼结构以运算为中心，输入输出与存储器之间的数据传送都经过运算器。
发展演进：
存储程序和指令驱动执行的原理不变的前提下
以运算器为中心改为以存储器为中心，数据流向更为合理，从而使运算器、存储器和输入输出设备能够并行工作。
由单一的同步时钟信号集中控制改为异步分散控制，来适应运算器、存储器和输入输出设备的速度差异。
从基于串行算法改进为适应并行算法。出现了流水、超标量、向量、多核处理器、对称多处理机、集群系统等。
出现了为适应特殊需要的专用计算机，如图形处理器GPU、数字信号处理器DSP、特殊领域架构处理器DSA等。
冯·诺依曼结构优缺点
优点
自动、快速执行
缺点
指令驱动的顺序执行、CPU和存储器分开，且越离越远
【这一段看得我是晕头转向，在看不懂中找点自己看得懂的……我大概能明白冯诺依曼设计的计算机的运行过程，但是细节就不那么清楚了，它的发展过程的变化我就不能理解其中逻辑了，改变的好处我就不知道了……优缺点就更加不知所云了；】
2.5
计算机体系结构发展的动力
半导体工艺技术与计算机体系结构技术互为动力
半导体工艺水平的提高为计算机系统的设计提供了更多更快的晶体管来实现更多功能和更高的性能，如TLB、流水线、多发射
体系结构发展是半导体发展的直接动力，世界上最先进的工艺都用来生产CPU
应用需求是计算机体系结构发展的持续动力
最早的计算机都是用于科学工程计算，用的人少
上世纪八十年代，台式机的出现大大促进了计算机工业的发展
本世纪网络计算、云计算、边缘计算、嵌入式应用的普及，再次促进了计算机工业的发展
2.6
摩尔定律、登纳德定律与计算机体系结构
摩尔定律
晶体管数目每18-24个月翻一番；同样晶体管数量的芯片价格下降一倍；
登纳德缩放比例定律
随着晶体管密度的增加，晶体管面积缩小，其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小，每个晶体管的功耗会下降。似乎硅的功耗/mm2几乎是恒定的
【老师在讲这里的时候说过摩尔定律的一些问题……也不就是他快失效了；但是目前我暂时还不知道他怎么生效的……所以暂时不管他】
接下来是细节知识点开始前的一些闲话内容：
体系结构发展中的各种“墙”
1980’s:存储墙
CPU变快，内存之变大不变快
80%的晶体管用于片内高速缓存
2000’s：功耗墙
以Intel放弃4GHz的Pentium 4为标志，终止高主频设计
多核设计成为主流
未来可能的“墙”
带宽墙：数据带宽制约了计算的速度
成本墙：太贵了，做不起或者用不起
应用墙：16核以上的CPU卖给谁？量大面广的应用需要多少核？
计算机系统结构的发展特点
计算机的发展，是基于集成电路发展的，集成电路是计算机发展的硬件基础乃至软件基础。
集成度和性能都在不断地提高，但工艺和体系结构影响性能提供的增长率
未来可能会流行的CPU结构
多核+向量处理：商业主流结构
多核处理器+SIMD
众核：同构的基于分片的多核
GPU, Tile64
处理器核个数：64/128/512/1024
带有协处理器的异构多核
CELL
通用处理器+专用协处理器
可能的未来方向
多核+向量处理器+专用处理器
多核+向量处理器+可定制专用处理器。
闪人，PR放在下一篇文章。
【下面是第二次复习的时候做的补充】
脉冲信号
电压波形只有两个离散值的时候，被称为脉冲波形，此时波形与脉冲波形是等价的；（数字波形用逻辑电平表示，脉冲波形是用电压值表示）
【这又把我整不会了……数字电路模拟电路脉冲电路现在有点搅合在一起的感觉；在课堂上没法静下心分辨，先把问题提出来再说吧；】
脉冲的波形其实不是严格的标准波形，但是本课程中通常处理成了理想的波形；
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