计算机组成原理之美（二）

文章目录

    计算机组成
        相关概念
            数据存储
                比特bit/字节byte/字word
                机器字长/存储字长
                存储器的分类
                存储系统层次结构
                位的大端存储和小端存储
            数据传输
                总线
                串行/并行
                总线通信控制
                比特率/波特率bund
            输入输出
            中断
            计算机的运算方法
                原码/反码/补码
                有符号数/无符号数
                整数/定点数/浮点数
                加减乘除
            汇编指令系统
                汇编语言
                指令集和CPU架构
            数值表达
            计算机设计架构分类
                冯诺依曼式
                哈佛式
        硬件
            系统总线
            中央处理器（CPU）
                控制器
                运算器
                寄存器
            存储器（MM）
                CPU寄存器
                高速缓存——cache
                主存储器——内存RAM
                辅助存储器——硬盘、光盘等
            输入输出（I/O）
                输入设备——键盘、鼠标、触屏、传感器等
                输出设备——显示器、扬声器、执行器等
                特殊的输入输出设备——网卡、声卡、显卡
                IO存储器——硬盘、光驱等
        软件
            硬件驱动
            系统软件
            应用软件
        计算机各组分分析
            【CPU】
            【内存】
            主板
            【硬盘】（瓶颈）
                硬盘分类及其物理接口
                物理接口
                传输接口
                磁盘性价分类
                闪盘质量分类
                硬盘指标
            USB接口
                物理接口版本
                传输接口版本
            显示器
                【显卡】
                VGA接口
                HDMI接口
            网络
                以太网卡及有线网络
                无线局域网WIFI
                移动通信网络
                蓝牙
            打印机（以后必然会用到）

计算机组成

一个完整的计算机系统示意：

https://gss2.bdstatic.com/9fo3dSag_xI4khGkpoWK1HF6hhy/baike/c0%3Dbaike80%2C5%2C5%2C80%2C26/sign=8dfc511ccb3d70cf58f7a25f99b5ba65/562c11dfa9ec8a1391e554c5f503918fa0ecc01c.jpg
相关概念
数据存储
比特bit/字节byte/字word

1bit=1位

1byte=8bit=1字节

1word=2byte=1字

存储器的地址按字节或字编址。
机器字长/存储字长

机器字长即CPU一次能够处理的二进制位数，32位CPU/64位CPU指的就是机器字长。32位系统/64位系统指的是适配对应位数CPU的操作系统。

存储字长是计算机系统地址寻址的二进制位数，影响最大允许内存，已经由计算机系统固定，无法扩展。比如某些计算机系统最大支持4G内存。而外存储器属于IO设备，其存储地址由设备自身维护，与计算机自身系统隔离，所以存储空间可以无限扩展。
存储器的分类

按存取方式分：随机访问存储器（RAM和ROM）和串行访问存储器（顺序存储器如磁带，直接存储器如磁盘）。随机访问可直接寻址，存取时间与物理地址无关；串行访问需要对存储器进行地址计算和串行存取，存取时间与物理地址有关。

随机存储器RAM：

静态SRAM：采用锁存器原理实现；

动态DRAM：采用电容原理实现，需要刷新。

相比于动态RAM，静态RAM的速度快、容量小、价格高，一般用于缓存（cache），而动态RAM一般用于内存（条）。

只读存储器ROM：

1）掩模ROM（MROM）：出厂后内容不能被更改。

2）PROM：可编程只读存储器，可以进行一次性编程；

3）EPROM：可擦除只读ROM，用紫外线照射；

4）EEPROM：电可擦除只读ROM。

6）FLash
Memory：采用EEPROM的非易失性存储器。分为NOR和NAND两种技术，高可用性为NOR（芯片内执行），大容量静态存储为NAND（固态硬盘，手机内置存储，存储卡）。

闪盘：

页、区、块。

磁盘：

柱面地址、磁头号地址、扇区号地址。

各种存储器的容量用字节数表示，如80Gbyte，简写为80GB。
存储系统层次结构

缓存-主存层次：用来缓解CPU和主存速度不匹配的问题，由硬件来完成，对所有的程序员完全透明。

主存-辅存层次：用来解决主存容量不够的问题，由操作系统和硬件共同完成，对应用程序设计者透明，对系统程序设计者不透明。

寄存器、缓存、主存、辅存，容量依次增大，速度依次减小。
位的大端存储和小端存储

大端方式：字的低位存在内存的高地址中，而字的高位存在内存的低地址中；

小端方式：字的低位存在内存的低地址中，而字的高位存在内存的高地址中。

x86CPU采用的是小端方式。
数据传输
总线

特点：共享（共同使用同一信道），分时（同一时刻只能有一组数据传输）。

分类：数据总线、地址总线、控制总线。

总线宽度：数据总线的位数。

总线带宽：总线数据传输速率，总线上每秒能够传输的最大字节量。由总线工作频率和总线宽度决定。

总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。例如数据总线和地址总线的分时复用。

总线周期：申请分配阶段：申请总线；寻址阶段：发出地址及有关命令；传数阶段：进行数据交换；结束：从总线上撤除信号，让出总线。

时钟周期是最基本的时间单位，每个总线周期在多个时钟周期内才能完成，总线工作频率即完成一次基本工作的周期对应的频率，要小于时钟频率。

目前流行的总线标准：1.ISA总线 2.EISA总线 3.VESA总线 4.PCI总线 5.AGP总线
6.RS-232C总线 7.USB总线
串行/并行

并行：多位，同时。优点速度快，简单；缺点占用大量IO，不能长距离传输。

串行：单位，时间顺序一位一位地传输。优点占用IO少，长距离；缺点复杂，速度慢。
总线通信控制

解决通信双方的时间配合问题。

同步通信：总线上各个部件由统一的时钟信号控制；在总线周期中，每个时钟周期各个部件如何动作都有明确的规定。

优点：速度快，各个模块间配合简单。

缺点：以总线上最慢的部件来设计公共时钟，影响总线效率。

异步通信：总线上各部件没有统一的时钟标准，采用应答式通信；（主模块发出请求后，一直等到从模块反馈回来应答信号之后才开始通信）

异步通信的三种类型：不互锁、半互锁、全互锁。
比特率/波特率bund

比特率：单位时间内传送的二进制位数，单位bps（bit per
second）或bit/s。常用。

波特率：单位时间内传送的基本数据单元的数量。比如定义视频每一个像素点为一个基本数据单元，波特率为每秒像素点数（单帧像素点*帧率），单位Baud。
输入输出

I/O设备编址：

统一编址方式：和存储器统一编址，I/O地址作为存储器地址的一部分；无须用专用的I/O指令，但占用存储器空间。

独立编址方式：和存储地址分开编址，需用专用的I/O指令。

使用IO的方法：

程序查询。

程序中断。

DMA。

通道。
中断

计算机在执行程序过程中，当出现异常清空或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转去处理这些异常清空或特殊请求，处理结束后，再返回现行程序的间断处，继续执行原程序，即为中断。

中断服务程序的基本流程：

1）保护现场

2）中断服务

3）恢复现场

4）中断返回

中断可选择优先级，可嵌套。

当前指令执行完毕后，cpu发出中断查询信号，也就是说，中断响应一定是在每条指令执行结束之后进行的，不可能在指令执行过程中响应中断。
计算机的运算方法

计算机只能识别二进制数，计算机实现的一切功能，都基于对二进制数的加减乘除运算得到。
原码/反码/补码

原码：原数值，有符号数的最高位是符号位，0是正数，1是负数。

数学意义上的反码：所有位按位取反。

计算机定义的反码：正数的反码是原码自身，负数的反码是原码按位取反，符号位除外。

补码：正数的补码仍然是原码自身，负数的补码是反码+1。
有符号数/无符号数

有没有符号位。无符号数只表示正数
整数/定点数/浮点数

整数：没有小数位

定点数：小数点固定

浮点数：小数点浮动
加减乘除

在芯片上都有对应的硬件结构，可视为消耗单位指令时间
汇编指令系统
汇编语言

每种架构的CPU都已经在硬件上确定了能够识别的指令（二进制），汇编语言的指令只是把不同指令的二进制机器码对应成了英文，然后加上了操作数据。

汇编语言功能：

基本运算加减乘除，高级的运算全都基于基本运算。

对指令寻址、对数据寻址。寻址方式有绝对地址、相对地址等。

可发出中断命令。

基本的程序流程控制，如条件、循环、跳转等。

C/C++语言是基于汇编语言的抽象，学习C/C++，尤其是对程序进行调试，必须能够搞懂底层的汇编语言是怎么执行的。
指令集和CPU架构

CPU根据其设定的汇编指令集的不同分为不同架构，指令集大致分为CISC复杂指令集和RISC精简指令集，下面又细分为具体的各种架构，如x86/arm/mips架构等。
数值表达

大写B表示byte，小写b表示bit。

计算机表达数值均以字节（1byte=1B=8bit）为基本单位，以1024为转换基数，如1MB=1024kB,1GB=1024MB.

而通信领域以位bit为基本单位，以1024为转换基数，如100M带宽指的是100MHz，传输速度100Mbps指的是100Mbit/s，均需除以8（很多情况下各协议需添加额外的位，除数可近似改为10）。

存储器制造商（如内存、硬盘、存储卡等）以字节为基本单位，以1000为转换基数，如1MB=1000kB,1GB=1000MB，需从最小的kB起进行换算。

1kB（标）=1000B（实）

1MB（标）=976kB（实）

1GB（标）=953MB（实）

1TB（标）=931GB（实）
计算机设计架构分类
冯诺依曼式

代码与数据统一编址统一存储，串行执行（可使用流水线模拟并行），灵活性高。通用计算机多采用。
哈佛式

代码与数据分开编址，简单并行执行，可靠性高。单片机、嵌入式多采用。
硬件
系统总线

主板上的各种总线及附属芯片。没有逻辑上的概念，纯粹是物理上的信息通路。
中央处理器（CPU）

CPU直接执行由汇编指令编译出来的二进制机器码。

处理器根据汇编指令集的不同分为不同架构，指令集大致分为CISC复杂指令集和RISC精简指令集，下面又细分为具体的各种架构，如x86/arm/mips架构等。

——PC端品牌有intel/AMD，属于CISC-x86架构

——移动设备大多是RISC-ARM架构
控制器

控制器控制计算机系统的开关机、运行状态、程序中断等。逻辑上的控制器和运算器均集成到了CPU芯片中
运算器

运算器通过执行最基本的加减乘除运算，实现各种复杂的功能。逻辑上的控制器和运算器均集成到了CPU芯片中
寄存器

CPU执行指令时临时存储数据的部分
存储器（MM）
CPU寄存器

CPU自带的临时存储寄存器，速度最快，容量最小，指令级别

kB数量级
高速缓存——cache

介于CPU和内存之间，用于高速缓存程序和数据片段，减少对内存的直接读写，提高系统速度。可设置多级缓存，一级缓存、二级缓存等。

cache模块物理上集成在CPU芯片内，但在逻辑上属于存储器

MB级别
主存储器——内存RAM

内存条。

GB级别
辅助存储器——硬盘、光盘等

外存储器逻辑上属于存储器，但在物理上属于I/O设备，与计算机核心不能直接相通，速度慢

TB级别
输入输出（I/O）
输入设备——键盘、鼠标、触屏、传感器等
输出设备——显示器、扬声器、执行器等
特殊的输入输出设备——网卡、声卡、显卡

都自带独立的处理器和内存，都兼有输入和输出双重功能，是一套小型的计算机系统，可产生更强大的能力
IO存储器——硬盘、光驱等

作为计算机系统的辅助（外）存储器，通过IO接口进行交互
软件
硬件驱动

与硬件设备紧密相关，本身是软件，但在逻辑上从属于硬件系统
系统软件

操作系统（实时操作系统ucos、分时操作系统linux/windows/macos）

标准程序库（动态与静态链接库，Windows上为lib，Linux上为so）

语言处理程序（编译器，gcc，java，python等）

服务程序（开机自动运行的后台程序）

数据库管理系统（sqlserver/mysql/oracle）

网络软件等
应用软件

办公、娱乐、社交、辅助设计、辅助控制等各种应用软件
计算机各组分分析
【CPU】

1GHz数量级，指CPU的时钟频率，整个计算机最高频率，整个计算机的计算速度依赖于CPU频率，2GHz以上够用。

多核心，指多个CPU内核并行计算，多核可产生多个倍增效果，4核以上够用。

64位，支持的地址指数级暴增，利于以后的扩展，但对计算速度帮助不大，只增加一倍，64位应当是标配。

厂商：几乎被英特尔垄断，且版本也要选择i5/i7。
【内存】

内存容量10GB数量级，8GB以上够用。

内存频率1000MHz数量级，1600MHz以上够用。

厂商：三星、金士顿、闪迪、威刚、海力士。
主板

主要是各种接口、系统总线等，主要是速度限制。
【硬盘】（瓶颈）

厂商：西部数据、希捷、三星、东芝、英特尔。
硬盘分类及其物理接口

磁盘（机械硬盘HDD），台式机3.5寸SATA，普通笔记本2.5寸SATA。（无论台式或笔记本，IDE并口均已淘汰）

闪盘（固态硬盘SSD），普通笔记本2.5寸SATA，超级笔记本M.2。
物理接口

SATA既是物理接口，又是传输接口。（物理兼容，2.5寸盒式硬盘，机械或固态，独立插入，可方便更换）

M.2 B key（又称Socket2——ngff），支持SATA、PCIe
x2接口。（芯片式硬盘，只有固态，与内存条类似。M.2两种物理接口不兼容）

M.2 M key（又称Socket3——nvme），支持PCIe
x4接口。（芯片式硬盘，只有固态，与内存条类似。M.2两种物理接口不兼容）
传输接口

SATA1.0，150MB/s；SATA2.0，300MB/s；SATA3.0，600MB/s。

PCIe，x1 400MB/s、x2 800MB/s、x4 1.6GB/s、x8 3.2GB/s。
磁盘性价分类

磁盘寿命比较平均，要选择好厂家，寿命比闪盘长很多，且数据固化，不会消失。磁盘的问题：怕机械振动、一旦出现坏道一损俱损（整存整亡）。

理论寿命3万小时以上（每天开20小时只需4年，每天开10小时只需8年），我的电脑硬盘已经用了6k小时。

5400转，读80MB/s，写30MB/s，价格40元/100G。

7200转，读120MB/s，写50MB/s，价格70元/100G。
闪盘质量分类

闪盘存储颗粒为NAND。闪盘的问题：数据出错（软性问题）、坏块（硬性问题）、长时间放置会掉电丢失数据（软性问题）。

（确实性能比机械硬盘高许多倍，比如TLC读写速度高10倍，单位容量价格高3倍）

SLC——质量最佳，但已经很少见。

MLC——质量中等，擦写寿命3000+次，读3GB/s，写1.5GB/s，价格400元/100G。

TLC——质量最差，擦写寿命1000+次，读1.5GB/s，写500MB/s，价格200元/100G。
硬盘指标

硬盘容量：系统盘128G以上，存储盘500G- 1T以上够用。

硬盘读写速度：

磁盘取决于转速，上面已经写出。

闪盘取决于类型，上面已经写出。

硬盘可靠性与寿命：

无论磁盘还是闪盘，都取决于读写次数，磁盘需要额外考虑运行时间，闪盘需要额外考虑放置时间。一般磁盘比闪盘更可靠、寿命更长。
USB接口

USB是非常重要的通用接口，移动硬盘需要。
物理接口版本

（均区分大端和小端，大端均为Type-A，即常见的方口）

USB
(Type-A+)Mini（现存最老版本，采用USB2.0，60MB/s），双向数据，单向能量。

USB
(Type-A+)Micro（当前主流，采用USB2.0或USB3.0，60MB/s或500MB/s），双向数据，单向能量。

USB
(Type-A+)Type-C（采用USB3.1，1GB/s），可双向传输能量和数据，功率更强，插头为圆角不分正反，为能量、数据的全双工通路。

传输接口版本

USB2.0，60MB/s；USB3.0，500MB/s；USB3.1，1GB/s
显示器

常用的标准16:9分辨率。

屏幕尺寸是对角线长度。比如：15.6寸。
【显卡】

专门用于图像处理、视频输出、科学计算等工作的部件，对玩游戏、多媒体创作、科学研究等工作具有极大影响。非常重要的一个组成部分，GPU和显存是重要的性能指标。而且价格也比较昂贵。

厂商：英伟达、AMD。
VGA接口

老式台式机的显示器数据线，目前的普通笔记本也预留此接口
在这里插入图片描述

传输模拟图像信号，有被干扰导致图像出现雪花不清晰的可能性
HDMI接口

传输数字图像信号
网络
以太网卡及有线网络

百兆网卡，千兆网卡已够用。需配合支持百兆（五类）或千兆（超五类）的双绞线，否则只能降级。
无线局域网WIFI

WIFI工作频率2.4G/5G，一般为数百兆带宽，网速1~10MB/s，单独使用勉强够用。

WIFI创建一个无线局域网，至于此局域网是否能够接入广域网，还要看无线路由器。
移动通信网络
蓝牙
打印机（以后必然会用到）

原文：https://blog.csdn.net/csdn_yym/article/details/85231876