计算机组成原理

Computer

 2019/10/17 

概述篇

计算机发展的四个阶段

1946-1957，电子管计算机
1957-1964，晶体管计算机
1964-1980，集成电路计算机（计算机具备进入千家万户的条件；出现操作系统）
1980-至今，超大规模集成电路计算机

未来可能有：生物计算机，量子计算机（腾讯量子实验室，阿里达摩院）
微型计算机的发展历史：从集成电路计算机开始，两个特点：受限于性能（单核到多核CPU）；摩尔定律（集成电路性能每18-24个月就提升一倍）

计算机的分类

超级计算机，eg. 中大东校区的天河二号。标记他们运算速度的单位是TFlop/s
大型计算机。IBM占据很大的份额。阿里提出了“去I（IBM）O（Oracle）E（EMC）”行动，因为它们代表了高维护费用的存储系统，并且不够灵活。
迷你计算机。普通服务器。去IOE就是把大型机替换成普通服务器，eg. 阿里云
工作站。高端的通用微型计算机，类似于普通电脑但性能强劲
微型计算机，即个人计算机

从构成的本质上来讲，个人计算机与前面的分类无异

计算机的体系与结构

冯诺伊曼体系

定义：将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构。结论：存储程序指令，设计通用电路（因为早期计算机仅含固定用途程序，改变程序得更改结构、重新设计电路）
冯诺依曼体系建造的计算机一定要有：存储器、控制器、运算器、输入/输出设备。如下图：
瓶颈：CPU和存储器速率之间的问题无法调和（CPU处理速度很快，经常空转等待数据传输）

现代计算机的结构

在冯诺依曼体系的基础上解决CPU与存储设备之间的性能差异问题

计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

程序翻译（编译）：使用编译器，把整个程序由高级语言L1（C++等）翻译成计算机语言L0（计算机能执行的，二进制等）
程序解释：把L1语言（Python，JS，PHP）的程序转变成使用L0语言实现另一个程序（翻译器），再L0解释器把目标程序执行。
Java是先编译再解释

计算机的层次与编程语言

硬件逻辑层：门、触发器等逻辑电路组成。属于电子工程的领域
微程序机器层：编程语言是微指令集。微指令所组成的微程序直接交由硬件执行
传统机器层：编程语言是CPU指令集（机器指令）。编程语言和硬件是直接相关。
注：一条机器指令对应一个微程序，一个微程序对应一组微指令
操作系统层是在软件和硬件之间的适配层
汇编语言层。编程语言是汇编语言（一种符号语言，其实可以理解为一种过渡态语言）。汇编语言可以用汇编器翻译成可直接执行的机器语言
高级语言层。 高级语言（eg. Java等）

计算机的计算单位

容量单位

用8个比特位bit（0或1）表示一个字节（Byte），后面就有kb，MB，GB，TB（都是1024倍关系）等。但是硬盘商是用1000做倍数关系，所以500G硬盘格式化后只有465G。

速度单位

100M宽带，即是网络常用单位(Mbps)。 100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s，而 100Mbit/s=(100/8)MB/s=12.5MB/s。故100M宽带峰值下载速度只有12M/s
CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率（Hz），主流CPU是2GHz以上

计算机的字符与编码集

字符编码集的历史

ASCII码（读为 ask 2 码：用7个bits就可以完全表示ASCII码。包含了基本的字母，符号等
Extended ASCII码：改为8个bits。添加了常见的数学运算符，欧洲字符，表格符等，后来又有了国际化

中文编码集

初始版：GB2312。收录了汉字和中文符号等。
GBK：向下兼容GB2312，向上支持国际ISO标准。支持全部中日韩汉字。但是GBK和GB2312毕竟还是不能全球都用的。
兼容全球的字符集Unicode。其定义了世界通用的符号集，用UTF-*实现了编码。eg. UTF-8（编程推荐使用）以字节为单位对Unicode进行编码。

组成篇

计算机的总线

定义

连接计算机不同设备的数据线。eg. 通用串行总线（USB）， PCI总线， ISA总线等

分类

片内总线（芯片内部的总线）和系统总线（各设备之间的，分为数据总线，地址总线和控制总线）

总线的仲裁

原因：需要决定不同设备使用总线的优先顺序
方法：链式查询；计时器定时查询；独立请求（各有优缺点，详情略）

计算机的输入输出设备（I/O设备）

常见的输入输出设备

键盘，鼠标，扫描仪；显示器，打印机，投影仪

输入输出接口的通用设计

数据线，状态线，命令线，设备选择线

CPU与IO设备的通信

注意：CPU速度与IO设备速度不一致，CPU快得多
方式：程序中断； DMA（直接存储器访问）

计算机存储器

存储器的分类

存储器的层次结构

读写速度（eg. 5400转）和存储容量（eg.1T）都会影响存储器的价格，所有有每比特位置价格的概念
存储器的层次结构：

缓存。速度快价格高，解决主存速度不足的问题。是在CPU与驻村之间增加一层速度快（容量小）的Cache。局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。
主存。中等，eg. 内存条
辅存。速度慢价格低，解决主存容量不足的问题。eg. 硬盘

计算机的主存储器

计算机断电，内存数据丢失。这是因为内存条是用RAM，通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次（有电才能刷新）
对32位系统，地址总线有32位，支持的内存最大为2^32=4 * 2^30 = 4GB ; 64为则大大提高，为2^34 GB
PS：硬盘有固态硬盘（SSD 盘，新式硬盘）、机械硬盘（HDD 传统硬盘）、混合硬盘（HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘）。SSD采用闪存颗粒来存储，HDD采用磁性碟片来存储，混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘

计算机的辅助存储器

计算机断电，磁盘数据不会丢失。因为磁盘是盘片（表面是可磁化的硬磁特性材料）和读写磁头组成（移动磁头径向运动读取磁道信息）。磁盘的读取算法忽略没记

计算机的高速缓存

对于主存，有：

字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合（一个字有32位就是一个字占32个bit的意思）。字的地址包含两个部分：前m位指定字块的地址（块地址）；后b位指定字在字块中的地址（块内地址），如下图。字块是由字构成的（eg. 一个字块共B个字）
字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字。主存是由字块构成的（eg. 主存共M个字块）。主存内的总字数为B*M
有2^m = M ; 2^b = B