第5章 原理，体系和编译原理
计算机组成原理是计算机科学中一门研究计算机硬件结构和工作原理的学科。它关注的是计算机的各个组成部分，如处理器、内存、输入/输出设备、总线等，以及这些组成部分之间的交互和协作。计算机组成原理是计算机科学的基础，它为理解计算机系统的设计、实现和优化提供了理论基础。
计算机组成原理的主要内容包括：
1 计算机的基本结构：包括冯·诺伊曼结构和哈佛结构，描述了计算机硬件的层次结构和组织方式。
2 处理器（cpu）：处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。处理器的性能指标包括时钟速度、指令集、并行度等。
3 内存层次结构：内存层次结构包括寄存器、缓存、主内存和辅助存储等不同层次，它们以不同的速度和成本提供了不同的存储能力。
4 输入/输出设备：输入/输出设备用于与计算机系统进行交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
5 总线：总线是计算机内部各个部件之间传输数据和控制信号的通道，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
6 指令集架构（isa）：指令集架构是计算机处理器支持的指令集合，它规定了处理器如何执行各种操作。常见的指令集架构有x86、arm、mips等。
7 并行处理：并行处理是指同时执行多个计算任务，以提高计算机的性能。并行处理可以通过多核处理器、向量处理器、gpu等实现。
8 性能评估：性能评估是对计算机系统性能的定量分析，包括吞吐量、响应时间、能耗等方面的指标。
计算机体系结构（puter architecture）是计算机科学中一门研究计算机硬件结构和性能设计的学科。计算机体系结构关注计算机各个组成部分的组织、设计和实现，包括处理器、内存、输入/输出设备、总线等，以及这些组成部分之间的交互和协作。计算机体系结构的目标是提高计算机的性能、效率和可靠性，以满足不断增长的计算需求。
计算机体系结构的主要研究内容包括：
1 处理器（cpu）：研究处理器的组织、设计和实现，包括指令集架构、微架构、并行处理技术等。
2 内存层次结构：研究内存层次结构的设计和优化，包括缓存、主内存、辅助存储等，以提高存储系统的性能。
3 输入/输出（i/o）系统：研究i/o设备的设计和实现，包括接口技术、数据传输协议、中断处理等，以提高i/o系统的效率。
4 总线和互连：研究计算机内部各个部件之间通信的通道和协议，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
5 性能评估：通过对计算机系统性能的定量分析，优化计算机体系结构设计，提高计算机的性能和效率。
6 电源和能耗：研究计算机系统在不同工作状态下的能耗特性，提高计算机系统的能效比。
7 可靠性和安全性：研究计算机体系结构在可靠性和安全性方面的设计和实现，提高计算机系统的稳定性和抗攻击能力。
计算机体系结构是计算机科学与技术领域的核心课程，它为学生提供了对计算机硬件和系统设计的全面理解，为进一步学习和研究计算机科学领域的其他方向奠定了基础。
编译原理（pilers: principles, techniques, and tools）是计算机科学中一门研究编译器设计和实现的学科。编译器是一种将高级编程语言源代码转换为低级机器语言或字节码（如汇编语言或虚拟机代码）的程序。编译原理主要关注编译器的各个组成部分和设计原则，以及编译器如何处理各种编程语言的语法、语义和优化等方面。
编译原理的主要内容包括：
1 词法分析：词法分析是将源代码中的字符序列转换为标记（tokens）的过程，例如将关键字、标识符、数字、运算符等识别出来。
2 语法分析：语法分析是将标记序列按照编程语言的语法规则构建为抽象语法树（abstract syntax tree, ast）的过程。抽象语法树是一种树形结构，它表示了源代码的语法结构。
3 语义分析：语义分析是在语法分析的基础上对源代码进行语义检查和类型推导，以确保源代码的语义正确性。
4 中间代码生成：将源代码的抽象语法树转换为中间代码（intermediate representation, ir），如三地址码或静态单赋值形式（static single assignment, ssa）。中间代码是一种简洁且与目标平台无关的代码表示，便于进行优化和生成目标代码。
5 代码优化：对中间代码进行各种优化，以提高目标代码的性能、内存使用和代码大小等指标。常见的优化技术包括常量折叠、死代码消除、循环展开、函数内联等。
6 目标代码生成：将优化后的中间代码转换为目标平台（如x86、arm等）的机器语言或字节码。
7 编译器构造工具：使用编译器构造工具（如llvm、gcc、java编译器等）可以简化编译器的开发和维护过程。