计算机体系架构之 Part One：计算机组成原理

由于博主最近要开始找国服工作了，所以在复习以往专业知识的同时，整理了一些关于计算机体系架构的知识点，希望能收获大家的大神“观战”。

1. 计算机的工作流程：编写程序（例如你写的 C 代码）、输入程序（在你的 VS 中编写该代码）、存储程序（存储你代码中的命令和数据）、转换为指令序列（在你的 VS 中编译该代码）、执行指令与数据（在你的 VS 中执行该代码）、输出结果（执行结果的显示，例如 1+1=2）。
2. 数字计算机可分为：专用机（工控机、ATM）和通用机（PC）（这里像不像 ASIC 和 FPGA 的对比哈哈）；或者是微型机、小型机、大型机、超算机。
3. 电子计算机的诞生：计算机之父是冯·诺依曼；冯·诺依曼体系奠定了现代电子计算机的理论基础，其主要内容有两点：A、用二进制代码表示指令和数据；B、采用存储程序的工作方式，让计算机自动地执行指令，完成数据操作（核心思想）。（一个思想，就让美国成为了电子计算机的先驱，而类似的例子数不胜数，我们是不是该思考一下为什么呢）
4. 输入设备和输出设备：主要是执行输入输出信息的转换，输入时是原始信息如二进制代码，输出时是处理结果如字符图像。
5. 运算器和控制器：即 CPU；运算器主要由 ALU （算术逻辑单元）组成，以全加器为核心；控制器主要产生微控制命令，实现控制操作。
6. 存储器：主要是存储数据和数字化后的程序；概念涉及到存储单元：例如在存储器中保存一个 8 位的二进制数的 8 个存储电路，组成一个存储单元，如 8'b0000_1111 就是一个存储单元所存的二进制代码；概念涉及到存储地址：存储器由许多的存储单元组成，每个存储单元的编号，就是存储地址，如 8'b0000_1111 所在的编号是 12，那么 12 就是其存储地址。
7. 总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送通路，主要是数据总线 DB、地址总线 AB、控制总线 CB；而我们在设计电路的时候，也是需要对这些总线进行设计和分配的。
8. 接口：实现总线与各类外设进行连接，具有缓冲、转换、连接等功能的部件，如 VGA、HDMI、USB等等；
9. 北桥芯片南桥芯片：二者是基于 Intel 处理器的 PC 主板芯片组的两枚芯片；北桥设计用来处理高速信号如 PCIE、DDR，南桥设计用来处理低速信号如 USB、WIFI。
10. 硬件与软件：硬件就是计算机的“肉体”，是有形的设备，如键盘、显示屏、CPU、硬盘、内存条（哈哈刚好也就是输入输出运算控制存储）；而软件就是计算机的“灵魂”，是无形的信息，如指令和数据（程序），是需要依附在硬件上的。（所以你想想你是搞硬件开发还是软件开发呢）
11. 软、硬件系统层次架构：计算机系统是一个由多层次的软件与硬件组成的系统，其基本框架就是：软件部分自顶向下分别是系统分析级、用户程序级、应用程序级、操作系统级；软硬分界：机器指令级；硬件部分自顶向下分别是：微程序级、硬件逻辑级。
12. 软、硬件的优点与缺点：软件易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件可以实现高速逻辑和运算功能，但是常受到计算指标和复杂功能的制约。（其实，计算机中的软件，理论上都可以“固化”或“硬化”成硬件，以实现高速的速度执行的目的，这就是为什么 AI 芯片能够发展的原因，其实质就是现在软件上实现算法的功能，如基于 TensorFlow 框架和 Python 编程的人脸识别算法实现之后，就可以根据其具体实现的步骤、数据流图，实现在硬件如 GPU、FPGA、ASIC 上，然后各自的硬件都有各自的优缺点，这些后续会讲哟）
13. 关于计算机系统的一些性能指标：
    基本字长：指的是一次数据操作的基本位数，如我们常说的 32 位、64 位操作系统指的就是其基本位数，位数越高，精度越高，可处理的单位时间指令和数据就越多；
    机器字长：由内部寄存器的位宽度决定的；
    CPU 主频 = 外频 X 倍频系数；外频，即基频，指的是系统时钟频率，一般不超过 300 MHz；而 CPU 主频现在可以高达 3 GHz 以上；（而我的酷睿 i5 的 CPU 只有 2.5 GHz ...）
    IPS：Instructions Per Second，即每秒执行指令数；CPU 的 IPS 可以高达上亿；
    CPI：Clock-cycle Per Instruction，即执行一次指令所占的时钟数；
    FLOPS：每秒执行浮点运算的次数；（这个指标貌似在神经网络的硬件实现论文中是很常见也很重要的哟）
    数据传输速率：单位时间内数据的传输数量，单位为 B/S。（常见于 DDR 的数据传输速率，如 DDR3 的数据传输速率可以高达 10 GB/S 以上）
14. 按字节编址：指的是存储空间的最小编址单位是字节、每个地址的存储单元可以存放 8 Bits 的数据、一次寻址一个字节。
15. 计算机如何区分存储器中的指令和数据呢：
    方式一：通过不同时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取值微指令）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。
    方式二：通过地址来源区分，由 PC 提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。