【总结】计算机组成原理

（本文只是自己的学习总结，不一定正确，仅供参考）

计算机组成

一个完整的计算机系统示意：

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

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）