备忘-计算机组成原理

这两周业余时间复习了一遍计算机组成原理，做个记录。

冯诺依曼体系结构

1. 以运算单元为中心
2. 采用存储程序原理
3. 数据以二进制编码
4. 存储器是按地址访问、线性编址的空间
5. 控制流由指令流产生
6. 指令由操作码和地址码组成

从冯诺依曼体系结构中，可以看到冯诺依曼的设计目标是通用计算机：

1. 明确了以运算为核心，即将数据按照一定程序顺序操作
2. 程序和要操作的数据一样，都放在存储器里，这样对于运算模块，所有的操作都被抽象成统一的格式：操作码+地址码
3. 使用二进制编码，将电路单元复杂度降到最低，前期可以提高稳定性，后期可以方便性能优化

大家心里都明白，既然要设计通用计算机，在获得通用的便利的同时，必然要付出一定的代价：

1. 运算单元为核心，虽然简化了体系复杂度，但运算单元要做很多事情，无法兼顾
2. 二进制顺序执行，极大简化的硬件设备的设计复杂度，却降低了运算单元的利用率
3. 指令被抽象成操作码和地址码，每个指令的执行都必须要经历取指、译码、取数、执行操作，运算的成本变高

至此，计算机组成原理，就是在冯诺依曼体系结构的指导下，在实现计算机的过程中，硬件的发展加持人类无限的欲望，人们总是希望用现有的设备完成更多的事情。随着运算单元即CPU的性能与其他组件(数据传输、数据存储)的性能差距越来越大，开发出各种各样的技术以提高 CPU 使用率。大致分两个方向：指令运算优化和数据高效获取。