计算机组成原理

计算机体系与结构

冯诺依曼体系

程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构。必须有一个存储器、一个处理器、一个运算器，以及一个输入设备和一个输出设备。

目前的计算机本质上都属于冯诺依曼体系

CPU=运算器+控制器

特点：

• 能够把需要的程序和数据送至计算机
• 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力
• 能够具备算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力
• 能够按照要求将处理结果输出给用户

瓶颈：

CPU速度比存储器快，导致经常性空转等待数据传输。

现代计算机结构中，将存储器也纳入CPU。一般来说是高速Cache。

计算机的计算单位

• 位（bit）：是信息的最小单位，也称为比特。
• 字节（byte）：是信息处理中常用的单位。一个字节等于8位。例如：1000 0001
• 字（word）：是计算机处理信息的基本单位。一个字通常等于2个字节。
• 双字（dword）：是一个字的两倍，通常等于4个字节。
• 四字（qword）：是一个双字的两倍，通常等于8个字节。

容量单位

1bit=1byte 1byte=8bit 1word=2byte 1dword=4byte 1qword=8byte

1KB=1024byte 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1PB=1024TB 1EB=1024PB

云硬盘通常是PB级的，云数据仓库通常是EB级的

1024=2^10

网络速度单位

100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s

100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s

CPU速度

Hz，赫兹，每秒分之一，是每秒钟的周期性变动重复次数的计量

例如：1GHz=1*1000^3Hz = 每秒10亿次周期

字符编码

ASCII，美国标准信息交换码，是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示英语，数字，和符号。最初的ASCII码只包含128个字符，包括26个大写字母，26个小写字母，10个数字，以及一些特殊符号。

GB2312，是中国国家标准的字符编码，用于简体中文字符的编码。诞生早于GBK。约7000个常用中文字符。

GBK，同上。兼容GB2312，支持国际标准。约21000个常用中文字符，支持全部中日韩汉字。

Unicode，统一码或万国码，包含所有文字、符号。UTF-*是Unicode的实现方式。

UTF-8，是一种变长的编码方式，使用1到4个字节来表示一个字符。

解释型语言和编译型语言

编译型语言：

• 代码需要编译成机器码，再执行。
• 开发效率低，调试困难。
• 跨平台性差。

解释型语言：

• 代码不需要编译，直接解释执行。
• 开发效率高，调试方便。
• 跨平台性好。

编译型语言会直接转换成计算机可执行的机器码

解释型语言会先解释成中间代码，再由解释器解释执行。也就是说，解释型的语言需要一个“翻译”。

编译型的语言有：C、C++、Java、Go、Rust等

解释型的语言有：Python、JavaScript、PHP等

计算机结构

总线

提供对外的标准接口，解决不同设备之间的通信问题。

总线又分为内总线和系统总线。系统总线又分为数据总线、地址总线、控制总线。

片内总线：芯片内总线，寄存器互联，寄存器与控制器、运算器互联。

系统总线：CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线。

数据总线：双向传输各个部件的数据信息，位数（总线宽度。一般与CPU位数相同，32位或64位）决定了一次数据传输的量。

地址总线：指定源数据或目的数据的存储地址，位数（总线宽度）决定了地址空间的大小。位数为n，则寻址范围为0~2^n。

控制总线：发出各种控制信号的传输线。控制信号经由控制总线从一个组件发送到另一个组件。监视各个组件的状态（就绪或未就绪），协调各个组件的工作。

总线仲裁

为了更好调度各个组件的工作，引入了总线仲裁机制。

方法有：链式查询、计时器定时查询、独立请求

链式查询：设备都与仲裁控制器相连，但设备之间的连接是串联的，所以在繁忙时，后面的设备只能等待前面的设备释放总线。

计时器定时查询：仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数。接收到仲裁信号后，向所有设备发出计数值。计数值与设备编号一致的设备获得总线。如果超出了设备数量，则重新从0开始计数。

独立请求：每个设备都有一个请求线和一个响应线。当设备需要使用总线时，向请求线发送请求信号。当总线空闲时，仲裁控制器会检查每个设备的请求线。如果有设备的请求线为高电平，则该设备获得总线。