计算机组成原理的简单学习

作为通信专业学生，最近专业课老师在讲单片机原理，与计算机专业的计算机组成原理触类旁通，因此，简单的了解了一下计算机组成原理这门课(通过哈工大--刘宏伟老师的网课)，并把自己的学习内容分享出来。

从软硬件角度划分计算机：

 从物理构成角度理解计算机(9层)：

第1层：Physics（物理层）

第2层：Devices（器件层）

第3层：Analog Circuits（模拟电路层）

第4层：Digital Circuits（数字电路层）

第5层：Logic（逻辑层）

第6层：Micro-architecture（微结构层）

第7层：Architecture（体系结构)：将逻辑组件组合在一起以实现体系结构中定义的指令。

第8层：Operating Systems（操作系统）

第9层：Application Software（应用软件）

计算机系统的层次结构

 现代计算机硬件框图

 冯诺依曼体系机构六大特点 

冯诺依曼结构：计算机时存储机构计算机，数字与程序都是以二进制的方式存储在计算机中。

1）计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

2）指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址访问。

3）指令和数据用二进制表示

4）指令由操作码和地址码组成

5）存储程序

6）以运算器为中心

计算机硬件的主要技术指标

1）机器字长：CPU一次能处理数据的位数(与CPU的寄存器位数有关)。

2）运算速度

3）存储容量(存放二进制信息的总位数)

A.主存容量（内存）

B.辅存容量 （外存：硬盘、U盘、光盘等）

CPU的结构及功能

1）控制器

2）运算器

实现算术运算和逻辑运算

计算机存储设备的理解

1）存储金字塔

2）缓存

为什么会出现缓存？

CPU和主存的速度存在差异；在CPU同时处理很多数据，而又不能同时进行所有数据的传输的情况，把优先级低的数据暂时放入缓存中，等优先级高的数据处理完毕后再把他们从缓存中拿出来进行处理，而不是访问速度较慢的内存，当然，如需要的数据在Cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据；避免了CPU"空等"的现象。

 缓存的改进：增加缓存的级数

3）主存(内存)

主存就是内存；是直接与CPU交换信息的存储器，指CPU能够通过指令中的地址码直接访问的存储器，

1）ROM

即只读存储器，是一种之恶能读出实现所存数据的固态半导体存储器；ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变。重要特性：在一次性写入后，只能读出，不能再写入。

对于ROM来说，是不是就是硬盘呢？不是说ROM只可以读吗？必须明确一点，RAM和ROM都是内存，而硬盘是外存，所以ROM不等于硬盘。

2）RAM

即随机存储器，是与CPU直接交换数据的内部存储器；断电时将丢失器存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。RAM和ROM相比，两者最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会自动消失，可以长时间断电保存。重要特性：可以随时读写，速度快。

3）ROM、RAM和硬盘比较

ROM是只读存储器，相对的RAM是随机存储器，他们都是内存储器。而硬盘(HDD)是外存储器的一种。他们完全不是一个概念。

内存和外存的最大区别有两个：

一、内存需要供电才能存储数据，一旦断电则会造成数据丢失，而外存存储则不需要供电；

二、内存的读写速度要远高于外存。ROM之所以被称为只读存储器，是因为通过一般的方法是无法写入或修改数据的，只能读出；而RAM则可以实现随机存取。

4）辅存 (外存)

特点：不直接与CPU交换信息

5）速度比较

CPU > 缓存(Cache) > 主存 > 辅存

4）总结

CPU不和外设打交道，直接与内存打交道

外设不和CPU打交道，直接和内存打交道

内存是计算机数据的核心。

但是我们发现控制器可以直接和外设，内存打交道。

冯诺依曼结构，从硬件上就决定了，外设数据必须先经过内存在到CPU，CPU数据必须经过内存再到外设。为以后计算机的发展打下基础。操作系统就是通过这一性质搭载到计算计算机硬件上的。