计算机组成原理（1）

一、 计算机系统概论

1.1 冯·诺伊曼机的特点

• 五大部件 : 运算器、控制器、存储器、输入和输出设备
• 指令和数据都存放在同一个存储器中，可按地址寻访
  指令和地址在两个处理器中——哈弗结构
• 数据和指令用二进制表示
• 以运算器为中心（现代计算机以存储器为中心）

1.2 存储器

1.2.1 存储器的组成

1.存储体（核心）：数据在存储体内按地址存储
2.MARMemory Address Register（存储地址寄存器）：位数反映存储单元的个数
3.MDRMemory Data Register（存储数据寄存器）：等于存储字长

1.2.2 相关概念

1.存储元：存储二进制，每个存储元存1bit（比特）
2.存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储体：若干个存储单元的集合
3.存储字：存储单元中的一串二进制代码就是存储字
4.存储字长：存储字的长度
5. 1Byte（字节）= 8bit（比特）
6. 1b = 1位进制

1.2.3 分类

1.2.3.1按层次分类

1.主存储器（主存、内存）：CPU可直接随机访问，也可以和cache和辅存交换数据‘
2.辅助存储器（辅存、外存）：只有调入主存才能被CPU访问，比如硬盘
3.高速缓冲存储器（Cache）易失性：位于主存和CPU之间，用于存放当前CPU经常使用的指令和数据，高速访问但是容量小

1.2.3.2 按存储介质分类

这里分了很多标题，不是冗余，是从目录里可以更清晰的看到分类，类似于知识导图

1、半导体存储器

破坏性读出

1) 只读存储器ROM（Read-Only-Memory）

非易失性
工作时，只读不写。用于存储基本不变和不变的数据。访问速度低

• 掩模式只读存储器（MROM）：内容在产生时写入，不可改变
  优点：可靠性强，集成度高
  缺点：灵活度差

• 一次可编程只读存储器（PROM）
  允许用户用专门的设备写入内容，不可改变

• 可擦除可编程只读存储器（EPROM）
  可多次写入，可修改，写入时间长
  虽然是只读的，但是访问的时候仍然是随机的。

• Flash存储器（U盘）

• 固态硬盘（SSD）：读写速度快，低功耗，但是价格高。

2）随机存取存储器RAM（Read-Access-Memory）

易失性
工作时，可读可写。储存当前运行的数据，可以反复修改。

a.静态SRAM（S-Static）

易失性
存储密度和容量大。用半导体的截通去记忆，不掉电信息不丢失。

• 储元用的是双稳态触发器，是非破坏性读出。
• 存取速度快，但是集成度低，功耗大，价格高，一般用于Cache

b. 动态DRAM（D-Dynamic）

易失性
存取速度快，集成度高，常用作主存。用电荷存储在电容里。会周期性刷新。

• 刷新原则：所有DRAM芯片同时刷新，片内逐行刷新
• 集中刷新：在一个刷新周期内，利用固定的一段时间进行刷新，这段时间读写操作暂停，是“死时间”，又称访存 “死区”。
  优点：读写操作时候不受刷新影响。
  缺点：存在死区
• 分散刷新：把每行的刷新分散到各个工作周期中。
  优点：没有死区
  缺点：加长存取周期，降低速度
• 异步刷新：前两种的结合。
  减少刷新次数，从根本上提升了效率。

3）串行访问存储器

包括（SAM）顺序存储存取器（磁带）和（DAM）直接存取存储器（磁盘）

2、 磁表面存储器

非易失性
1）磁盘存储器：半顺序存取、非破坏性读出
2）磁带存储器：直接存储

3、光存储器

1）只读光盘（CDROM）
2）读写光盘

1.2.3.3 按存取方式分类

1、随机存取存储器

任何存储单元内部都随机存取，存取时间和单元物理位置无关

2、顺序存取存储器

按某种顺序存取，存取时间和单元物理位置有关，存取周期长。

1.2.4 层次

下图表示：
Cache在CPU和主存之间
CPU可以直接访问Cache和主存，辅存需要先调进主存才能访问

1.3 运算器（ALU）

CPU的核心部件之一，负责算术运算和逻辑运算

1.3.1 运算器的组成

1.ALU（算术逻辑单元）：算术运算、逻辑运算、关系运算（结果通常反映在状态寄存器中）
2.ACC（累加器）：暂存运算的一个操作数和运算结果
3.MQ（乘商寄存器）
4.X（通用的操作数寄存器）

1.4 控制器

1.4.1 控制器的组成

1.CU（控制单元）：分析指令，给出控制新哈皮
2.IR（指令寄存器）：存放当前执行的指令
3.PC（程序计数器）：存放下一条指令地址

1.5 CPU

1.5.1 CPU 的性能指标

1.CLK（时钟周期）：下降沿到下一个下降沿
2.CPU主频（时钟频率）：f = 1/T
3.CPI：执行一条指令所需要的时钟周期数
4.IPS：每秒执行的指令条数
5.一条指令耗时： CPI * CLK

1.6 计算机语言

1.高级语言 ->（编译器：编译程序）-> 汇编语言 -> （汇编器：汇编程序） ->机器语言【二进制代码】
2.计算机能直接执行的只有硬件描述语言程序
3.编译程序：将高级语言编写的程序一次全部翻译成机器语言
4.解释程序：翻译一句，执行一句

1.7 主存储器与CPU

1.7.1 连接原理

1、主存通过数据总线、地址总线、控制总线与CPU连接
2、地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间
3、控制总线指出了总线周期的类型和本次输入输出操作完成的时刻。

1.7.2 主存的容量扩展

同时需要扩展时，先位后字

• 位扩展
  目的：使存储芯片的数据位数与CPU的数据线数相等
• 字扩展
  目的：增加存储器中字的数量，而位数不变