计组_计算机概要与设计

2024.06.23~2024.06.27:计算机组成原理学习笔记

CH1 计算机概要与设计

  • 1.1 计算机的分类
    • 1.1.1 传统按照应用分类
    • 1.1.2 后PC时代
    • 1.1.3 存储容量
  • 1.2 八大伟大设计思想
    • 1.2.1 两个设计原则
    • 1.2.2 四个提高性能
    • 1.2.3 存储器层次
    • 1.2.4 冗余提高可靠性
  • 1.3 软硬件基础
    • 1.3.1 编程语言分类
    • 1.3.2 硬件基础
      • (1) 冯诺依曼结构五大部件
      • (2) 指令集体系结构
    • 1.3.3 集成电路制造


1.1 计算机的分类

1.1.1 传统按照应用分类

  • 个人计算机PC
  • 服务器:适用于执行大负载,多用户通过网络并行访问;高端服务器被称为超级计算机
  • 嵌入式计算机:嵌入式计算机是数量最多的一类计算机

1.1.2 后PC时代

  • 往小的方向发展:个人移动设备PMD
  • 往大的方向发展:仓储规模计算机WSC、大型数据中心的云计算服务器

1.1.3 存储容量

  • 数量级前缀
  • 千K、兆M、吉G、太T、拍P、艾E、泽Z、尧Y
  • B(Byte)字节、b(bit)位
  • 1字节==8位
  • 字节常用于存储容量,位常用于传输速度

1.2 八大伟大设计思想

1.2.1 两个设计原则

  • 摩尔定律:单芯片上的集成度(单位面积硅片能容纳的晶体管数量)每18个月翻一番,戈登摩尔于1965年提出,芯片设计要依据设计依据完成时的工艺水平
  • 抽象:省略低层次的细节,提供简化的模型

1.2.2 四个提高性能

  • 加速大概率事件:Amdabl定律
  • 并行:同时发生,典型例子是多核处理器
  • 流水线:类比工业中的流水线
  • 预测:如果代价不高或者预测相当的准确率就提前开始执行

1.2.3 存储器层次

CPU的主频是3.5GHz,内存条的主频是2666MHz,通常是CPU等待内存条,解决方法:存储器层次(思想7)

  • 顶端:快小贵;底端:慢大廉价
  • 第一级:cache,采用SRAM技术
  • 第二级:主存/内存,采用DRAM技术
  • 第三级:辅存,过去常用磁盘,现逐渐被闪存代替

cache位于CPU中,在CPU中塞入cache,好处是:

  • 物理距离近,和两大部件通信迅速
  • 只要cache能把CPU即将使用的程序、数据,从主存中复制过来,就能缓解速度矛盾

1.2.4 冗余提高可靠性

物理器件的”备胎“,失效了就换上


1.3 软硬件基础

1.3.1 编程语言分类

  • 高级语言:语句接近自然语言,提高了程序的可移植性

一条高级语言语句可以编译出好几条汇编语言

  • 汇编语言:使用助记符或者寄存器标号

汇编语言和由它汇编出的机器语言是一一对应的。机器语言依赖于机器,所以被称为低级语言。汇编语言同样依赖于机器,是机器语言

  • 机器语言:计算机能读懂的指令

1.3.2 硬件基础

(1) 冯诺依曼结构五大部件

外围的输入设备、输出设备,合称为I/O设备

  • 输入设备:键盘、鼠标、扫描仪
  • 输出设备:显示器、打印机
  • 混合I/O设备:触摸屏、网卡

存放程序和数据的存储器

  • 缓存cache~SRAM:块但是贵,容量小
  • 主存/内存~DRAM:比较块也比较贵,容量中等
  • 辅存/外存/二级存储器~闪存、磁盘:慢但便宜,容量大

只有放入内存的程序才能被CPU执行

组成CPU的两大部件:运算器(数据通路)、控制器

(2) 指令集体系结构

苹果的M1系列芯片为什么性能高且持久?
CPU的指令集体系结构(架构、ISA)根本上不一样,即,可以执行的指令集合大不相同

  • 一个x86,为了和二三十年前的软件保持兼容,指令只增不减,越大越复杂
  • 一个ARM,设计思想主张精简,能效出色

教材介绍一个和ARM设计思路相近的架构:MIPS

  • MIPS和ARM都属于RISSC架构
  • X86是典型的CISC架构

1.3.3 集成电路制造

  • 晶体管:受电信号控制的简单开关
  • 集成电路:由许多个晶体管组成的芯片

制造具体过程不太重要,记住结论:成品率越高,产量越高,芯片面积越小,芯片的制造成本越低


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