计算机组成原理学习笔记-精简复习版

一、计算机系统概述

计算机系统=硬件+软件

计算机硬件的发展：

• 第一代计算机：(使用电子管)
• 第二代计算机：(使用晶体管)
• 第三代计算机：(使用较小规模的集成电路)
• 第四代计算机：(使用较大规模的集成电路)

冯诺依曼体系结构

主机：主存、运算器、控制器

外部设备：外存、IO设备等

五大部分：

<1> 输入设备，是指将外部信息以计算机能读懂的方式输入进来，如键盘，鼠标等

<2> 输出设备，就是将计算机处理的信息以人所能接受的方式输出出来，比如显示屏，打印机。

<3> 存储器，存储器分为 主存储器(内存储器，CPU能直接访问)和 辅助存储器(外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问)。

主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器既可以既可以按照地址寻址，又可以按照内容寻址，为了与传统存储器区别，又称为内容寻址的存储器！)

主存储器是由地址寄存器(MAR)，数据寄存器(MDR)，存储体，时序控制逻辑，地址寄存器存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器，是存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息。时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。在现代CPU，MAR和MDR是在CPU中的。

<4> 运算器，是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算
运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)

<5> 控制器，控制器是计算机的指挥中心，有其指挥各部件自动协调第进行工作，现代计算机将运算器和控制器集成到一个芯片上，合成为中央处理器，简称CPU。有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)。

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。

CPU包含ALU、通用寄存器组GPRs、标志寄存器、控制器、指令寄存器IR、程序计数器PC、存储器地址寄存器MAR和存储器数据寄存器MDR。图中从控制器送出的虚线就是控制信号，可以控制如何修改PC以得到下一条指令的地址，可以控制ALU执行什么运算，可以控制主存是进行读操作还是写操作(读/写控制信号)。

CPU和主存之间通过一组总线相连，总线中有地址、控制和数据3组信号线。MAR中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元；控制线中有读/写信号线，指出数据是从CPU写入主存还是从主存读出到CPU,根据是读操作还是写操作来控制将MDR中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到MDR中。

三种级别的语言：

高级语言转换到汇编语言的过程叫做编译，由汇编语言转换到机器语言的过程叫做汇编，边翻译边执行的叫做解析。

机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么？

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。
存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数， 它们都必须是字节的整数倍。
数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。

二、数据的表示与计算

三、存储系统

Cache 高速缓冲存储器

虚拟存储器（虚拟内存）

四、指令系统

五、中央处理器

六、总线

现代计算机总线标准多为 PCIE 技术，比如PCIE4.0等

七、IO

网络IO和磁盘IO等外部IO的耗时都是相当大的，在写代码中应尽可能减少这类IO，并且要关注你的代码对各个硬件的影响（CPU使用率、内存使用率）等。