(計算機組織) 計算機組織摘要

我是根據張凡老師的講義整理的筆記 我想說可以考前看比較快!!!

Chapter 1：計算機組織與指令集架構（ISA）

一、Computer Organization 在學什麼？

計算機組織（Computer Organization）探討的是程式如何在硬體上被執行，也就是從高階程式碼一路到 CPU、記憶體、電路層級的整體運作方式，是軟體與硬體的橋樑。

圖中元件簡介（由上到下）

軟體層

• Word / Media player / Edge（應用程式 App）
  使用者直接操作的軟體，例如文書、播放器、瀏覽器。
  通常用高階語言寫成，CPU 不能直接執行。

• Operating System (OS)（作業系統）
  系統軟體核心，負責管理資源並提供服務，例如：

  • 行程/排程（Process & Scheduling）
  • 記憶體管理（Memory Management）
  • 檔案系統（File System）
  • I/O 裝置管理（Device / I-O）

• Compiler（編譯器）
  把高階語言（如 C/C++）轉換成組合語言（Assembly），產生較接近硬體的指令表示。

• Assembly language（組合語言）
  用符號表示的低階語言（人可讀、CPU 仍不能直接跑）。
  例：add、lw、sw、beq

• Assembler（組譯器）
  把組合語言轉成機器語言（二進位機器碼），完成 CPU 可執行的指令編碼。

• Machine language（機器語言）
  CPU 可直接執行的二進位指令（0/1）。
  每條指令的 bit pattern 由 ISA 規定。

軟硬體交界 ISA

• Instruction Set Architecture (ISA)
  軟體與硬體的「契約/介面」，規定：
  • CPU 有哪些指令（instruction set）
  • 暫存器有哪些、怎麼用
  • 指令格式與編碼方式
  • 記憶體存取規則等

同一個 ISA 可以有不同硬體實作（例如 pipeline / non-pipeline），但都能跑同一套程式。

硬體層（ISA 以下）

• Datapath（資料路徑）
  負責「做運算與搬資料」的硬體部分：
  例如 ALU、register file、mux、加法器等。

• Controller（控制單元）
  負責「發控制訊號」，決定每個 clock 週期 datapath 要做什麼（選路徑、寫暫存器、讀寫記憶體）。

• Memory（記憶體）
  存放指令與資料的地方（主記憶體/快取等）。
  CPU 透過 load/store 讀寫資料。

• Input/Output（I/O）
  與外部裝置溝通的介面，例如鍵盤、螢幕、磁碟、網路等。

• Logic Circuit（邏輯電路）
  用邏輯閘（AND/OR/NOT…）組成，實作各種運算與控制。

• Switching Circuit（開關電路）
  用電晶體（transistor）當開關，實現 0/1 的切換與邏輯行為。

• VLSI Technology（VLSI 製程）
  把大量電晶體做在晶片上的製程技術（Very Large Scale Integration），是能把 CPU 做出來的基礎。

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二、Stored-Program Concept（儲存程式概念）

定義

Stored-program concept 指的是：

• 指令（instruction）與資料（data）都以數字形式存放在記憶體中
• 程式必須先載入記憶體，CPU 才能取指並執行

此概念源自 John von Neumann。

• 題目 : 在計算機結構的脈絡下，簡要描述 stored-program concept
  Stored-program concept（儲存程式概念）指的是：

各種形式的指令（instructions）與資料（data）都能以「數字（numbers）」的形式存放在記憶體（memory）中，
因此電腦可以像存取資料一樣存取與執行程式，形成「儲存程式電腦（stored-program computer）」。

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三、Von Neumann Architecture

五大經典組成元件

1. Input
2. Output
3. Memory
4. Datapath
5. Control

其中：

• Datapath + Control 又可以叫做 Processor (CPU)

各元件功能

• CPU：執行指令的核心，負責運算與控制
• Datapath：實際進行算術與邏輯運算（ALU、Registers）
• Control Unit：控制資料流向與操作時序
• Memory：存放指令與資料
• I/O：與外部世界互動

Von Neumann Bottleneck（重點）

• 指令存取與資料存取共用同一條匯流排
• 無法同時進行，造成效能瓶頸
• 取指令（instruction fetch） 和 存取資料（data operation）
  無法同時進行
• 稱為 Von Neumann bottleneck

Harvard Architecture（對比）

• Von Neumann Architecture （指令/資料共用記憶體）

  

• Harvard Architecture（指令/資料分開記憶體）

  

比較項目	Von Neumann（儲存程式 / 馮紐曼）	Harvard（哈佛）
記憶體配置	指令與資料共用同一個 Memory	指令 Memory 與資料 Memory 分離
Bus（匯流排）	共用一條 bus（instruction fetch & data access 競爭）	兩條 bus（取指與存取資料可同時）
主要瓶頸	Von Neumann bottleneck（常見考點）	較不易出現同類瓶頸（但仍可能受限於其他資源）
並行能力	取指與資料存取難以同時	取指與資料存取可並行
設計複雜度	較簡單、成本較低	較複雜（兩套 memory/bus 管理）
程式/資料彈性	記憶體空間可彈性分配（同一空間）	空間分離，配置較固定（需設計規劃）
安全性/隔離	指令與資料同空間（理論上較容易互相影響）	指令與資料天然隔離（設計上較清楚）
常見應用	通用電腦概念模型、許多系統抽象	微控制器、DSP、嵌入式；或 CPU 內部採類 Harvard
現代 CPU 實務	多為「概念上 Von Neumann」	多為「Modified Harvard」（內部分開 cache）

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四、Instruction Set Architecture（ISA）

什麼是 Instruction？

• Instruction：CPU 可以直接執行的「最原始/最基本」操作
• Instruction Set：CPU 能執行的所有指令集合

Statement vs Instruction

• 在高階語言（High-level language）中，電腦命令通常叫 statement
  例：p = x + y;
• 在低階語言（Low-level language，如組語/機器碼）中，命令叫 instruction
  例（MIPS）：add $s1, $t0, $t1

ISA 定義（必背）

ISA = Instruction Set + Hardware Information

ISA 是：

• 最低階軟體 (Machine Instructions) 與硬體之間的抽象介面
• 不同硬體實作（single-cycle / pipeline）只要 ISA 相同，就能執行相同程式

ISA 包含的資訊

1. Instruction set
2. Hardware Information
3. Memory
4. Registers
5. Instruction format
6. Addressing modes

同一 ISA，不同 CPU 結構設計

• Single Cycle Machine（單週期）

  • 一條指令在 1 個 clock 完成
  • 控制簡單，但 clock 週期通常要設得很長（最慢指令決定）

• Multiple Cycle Machine（多週期）

  • 一條指令拆成多個步驟（多個 clock）
  • 每個 clock 做一小步，週期可變短，硬體資源可重複利用

• Pipeline（管線化）

  • 指令分成多個 stage（如 IF/ID/EX/MEM/WB）
  • 多條指令「重疊」執行，提高吞吐量（throughput）
  • 但會遇到 hazard（資料/控制/結構冒險）需要處理

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ISA 的兩大類型：CISC vs RISC（1980s 之後常被拿來比較）

CISC（Complex Instruction Set Computer）

核心想法：功能強、指令複雜，讓寫程式更方便

• 指令集除了基本指令外，也包含「更複雜、功能更強」的指令
  （一條指令可能做很多事）
• 設計重點偏向：
  • 提供更好的程式開發環境
  • 減輕程式設計師負擔（少寫一些指令）

白話：用「更厲害的單條指令」來縮短程式碼、讓人比較好寫。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）

核心想法：指令簡單、規則一致，提高 CPU 執行效率

• 以「CPU 執行效率」為主要考量
• 指令數量較精簡，通常只保留基本且常用的操作
• 目的：用簡單指令搭配硬體設計（如 pipeline）
  來達到更快的指令執行速度（更高吞吐量）

白話：不要做很複雜的指令，改成很多「簡單、快、好切 pipeline」的小指令。

常考補充

為什麼 1980s 開始強調 RISC？

• 指令越複雜，硬體控制越難做、時脈可能被拖慢
• RISC 指令固定且簡單 → 更適合 pipeline → 整體效能常更好

一句話記憶

• CISC：指令多而強 → 程式碼短、硬體較複雜
• RISC：指令少而簡 → 程式碼可能較長、硬體更好加速（pipeline）

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MIPS 與 Word（資料大小）重點整理

有很多種ISA

• Intel’s IA-32,MIPS,ARM,還有MIPS ISA

ARM 是 3C家電用的
x86貴 MIPS 便宜
2/3用MIPS 1/3用RISC-V(ex.台大)

1) MIPS 是什麼？

• MIPS 全名：Microprocessor without Interlocked Pipe Stages
• 起源：Stanford University 的研究計畫
• 計畫主持/代表人物：John L. Hennessy
  • 也是經典教科書 Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface 的作者之一 (白算盤)

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2) MIPS 家族與本課使用版本

MIPS 是一個處理器/指令集家族，常見成員包含：

• R2000 / R3000：32-bit
• R4000 / R4400：64-bit
• R8000 / R10000：較偏科學計算 / 圖形應用

本課主要介紹：MIPS R2000 instruction set。

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3) MIPS 屬於哪一類 ISA？

• MIPS 屬於 RISC（Reduced Instruction Set Computer）
• 特性：指令較精簡、規則一致，適合做 pipeline、提升執行效率

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Word 與 32-bit CPU

4) 什麼是 Word？

• Word：CPU 一次能處理的資料（operand）大小
• Word 可能是：16 bits / 32 bits / 64 bits …（依 CPU 設計而定）
• 若 CPU 的 word size = 32 bits
  → 稱為 32-bit CPU

直覺：CPU「一次能算多大」就叫它的 word size。

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5) MIPS R2000 是 32-bit CPU

• 以 MIPS R2000 指令集為基礎建的 CPU，屬於 32-bit CPU
  • 因為它的 word size 為 32 bits

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6) Bit / Byte / Word 基本單位

• Bit：最小單位，0 或 1
• Byte：8 bits
• Word：N bytes（由 CPU 決定）
  • 例如 32-bit CPU：1 word = 32 bits = 4 bytes

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7) 從硬體規格看 CPU 是幾 bit

CPU 能一次處理的資料大小，也可以從硬體規格推得：

• 32-bit CPU 通常具有：
  • 32-bit ALU（Arithmetic Logic Unit）
  • 32-bit General Purpose Registers（一般用途暫存器）

簡單判斷：ALU 幾 bit、暫存器幾 bit，通常就對應 CPU 幾 bit。

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七、Translation Hierarchy（程式轉換流程）

完整流程

High-level Language (C)
        ↓ Compiler
Assembly Language
        ↓ Assembler
Machine Language
        ↓ Linker
Executable File
        ↓ Loader
Memory → CPU 執行

各工具功能

• Compiler：高階語言 → 組合語言
• Assembler：組合語言 → 機器語言
• Linker：整合多個 object 檔，解決符號參考
• Loader：
  • 建立記憶體空間
  • 複製程式碼與資料
  • 初始化暫存器
  • 設定 PC

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八、Compiler vs Interpreter

Compiler（如 C）

• 先翻譯成機器碼再執行
• 效能高
• 可攜性較低

Interpreter（如 Java、Python）

• 執行時逐行解譯
• 效能較低
• 高度可攜

Java：

• 先編譯成 bytecode
• 由 JVM 解譯
• JIT 將 hot code 即時編譯提升效能

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九、Instruction Types（指令分類）

Data Movement

• load / store
• register ↔ register
• memory ↔ memory
• input / output
• push / pop

Arithmetic / Logic

• add, sub, mul, div
• and, or, not
• shift, rotate

Flow Control

• branch（條件 / 無條件）
• jump
• procedure call / return
• system call（trap）

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十、重點總整理（考前速記）

• Stored-program：指令與資料都在 memory
• ISA 是軟硬體的抽象介面
• Von Neumann bottleneck：共用 bus
• RISC：指令少、快、適合 pipeline
• MIPS：32-bit、RISC
• Compiler ≠ Assembler ≠ Linker ≠ Loader

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