计算机组成原理怎么学
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发布时间：2022-04-24 20:07
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时间：2023-10-09 10:45
1.个人计算机。用于个人使用的计算机，通常包含图形显示器、键盘和鼠标等；
2.服务器。过去被称为大型机的现代形式，用于为多用户运行大型程序的计算机，通常由多个用户并行使用，并且一般通过网络访问。其中高端服务器称为超级计算机，拥有最高性能和最高成本；
3.嵌入式计算机。嵌入到其他设备中的计算机，一般运行预定义的一个或者一组应用程序。面向单一应用需求的嵌入式应用通常对成本或功耗有严格*。
而在2000年后的“后PC时代”，个人移动设备代替了传统PC，云计算代替了传统服务器：
个人移动设备（PMD）。连接到网络上的小型无线设备，由电池供电，通过下载App的方式安装软件，如智能手机和平板电脑；
云计算。依赖于称为仓储规模计算机（WSC）的巨型数据中心，是在网络上提供服务的大服务器集群，一些运营商根据应用需求出租不同数量的服务器。
知识点2：计算机设计的重要思想
1.面向摩尔定律的设计：摩尔定律指出单芯片上的集成度（集成电路芯片中晶体管数量）每18-24个月翻一番。设计者必须预测其设计完成时的工艺水平。
2.使用抽象简化设计：使用抽象来表示不同的设计层次，在高层次中看不到低层次的细节，只能看到一个简化的模型。
3.加速大概率事件：加速大概率事件远比优化小概率事件更能提高性能。
4.通过并行提高性能。
5.通过流水线提高性能。
6.通过预测提高性能：如果从误预测恢复执行代价不高且预测的准确率相对较高，则可通过猜测的方式提前开始某些操作。
7.存储器层次：通过存储器层次来满足速度快容量大价格低这些互相矛盾的需求。如同一个堆叠的三角形，越靠近顶端速度越快价格越高，底层宽度越大容量越大。
8.通过冗余提高可靠性。
知识点3：计算机语言层次
高级编程语言：由一些单词和代数符号组成，可以由编译器转换为汇编语言。不涉及硬件，具有通用性，但目标代码冗长，不能对某些硬件进行操作。
汇编语言：又称低级语言，是一种符号语言，以助记符形式表示的机器指令。
机器语言：以二进制元形式表示的机器指令，是一种指令集的体系。CPU可直接解读，执行速度快效率高。
知识点4：冯·诺依曼体系结构
基本思想包括：计算机硬件系统由五大部分组成；采用二进制编码表示数据；将程序和数据统一表示；计算机具有顺序指令的处理能力等。
五大部分是指：运算器（ALU）、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中运算器和控制器合称为*处理单元（也叫处理器，CPU）。各个组成部分通过总线连接起来，总线由数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB组成。
知识点5：数的机器表示与补码
计算机中的数采用二进制，数码0和1由二值器件的两个稳态表示，称为bit（记为b），8个相邻的二进制位构成一个字节Byte（记为B）。
数的机器表示称为机器数，数的数学表示称为真值。
有符号数最高位用来表示符号（0为正1为负），其余位表示绝对值，这种表示方法称为原码，原码常用来描述真值。
而有符号数的机器表示是补码，0和正数的补码就是本身，负数的补码是其绝对值求反加1。补码的减法运算可以变为加法运算，于是CPU就可用加法器直接实现减法
任意一个带符号的二进制数都可表示为科学记数法N=(-1)^S*2^E*M，其中S是符号，E是指数（阶码），M是尾数。浮点数由阶码和尾数及符号位组成。
知识点6：进制转换
十进制转换为二进制或十六进制：用十进制数不断除以2或16，记下每次相除时的余数，直到商0为止，将得到的余数倒序排列即可。即“除2/16取余，逆序排列”。
1位十六进制数码正好与4位二进制数码一一对应。
知识点7：经典CPU性能公式
CPU时间=指令数 * 每条指令的平均时钟周期数(CPI) * 时钟周期时间
或 CPU时间=指令数 * 每条指令的平均时钟周期数(CPI) / 时钟频率
执行时间是唯一有效且不可推翻的计算机性能度量方法。
知识点8：易失性/非易失性存储器
存储器可分为易失性存储器与非易失性存储器，前者仅在加电时保存数据，后者掉电仍可保持。易失性存储器的主要代表是RAM（随机存取存储器）；非易失性存储器包括ROM（只读存储器）、Flash memory（闪存）、磁盘等。常将易失性存储器称为主存储器，非易失性存储器称为二级存储器。
RAM可进一步分为SRAM（静态随机访问存储器）和DRAM（动态随机访问存储器）。SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，而DRAM每隔一段时间要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能功耗较小，但SRAM的缺点是集成度较低。通常内存由多片DRAM芯片组成，缓存采用SRAM技术。
个人移动设备中一般采用闪存，服务器中则采用磁盘。闪存的单位价格和速度均低于DRAM高于磁盘，但闪存具有写10万-100万次后老化或损坏的弱点。
知识点9：硬件概念
液晶显示（LCD）：用液体聚合物薄层的带电或不带电来传输或阻止光线传输。
电容感应：许多平板电脑采用该技术实现触摸屏。在绝缘玻璃上覆盖一层透明的导体，人是导体触摸会改变屏幕的电场，进而导致电容变化。
集成电路：也叫芯片，一种将几十个至几百万个晶体管连接起来的设备。
晶体管：一种由电信号控制的简单开关，超大规模集成电路是由数十万到数百万晶体管组成的电路。
知识点10：指令、指令集、寄存器、字
CPU可以完成的一个基本操作称为指令。指令的形式是二进制代码，通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明所要完成的操作类型，操作数则指明操作的数据对象，可以是数据本身也可以是数据所在的存储单元地址。
一台计算机的全部指令称为该计算机的指令集，常见的指令集有X86、ARM、MIPS。指令系统的发展从CISC（复杂指令系统计算机）发展到RISC（精简指令系统计算机），前者多达几百条，不易维护研制周期长，且采用了大量使用频率低的复杂指令造成硬件资源浪费。X86是CISC的代表，ARM与MIPS是RISC的代表，ARM指令集广泛使用在嵌入式系统设计，X86指令集则是目前世界上最流行的台式机体系结构。
寄存器是CPU内部的临时存储单元，能减少CPU访问内存的次数和降低指令控制的复杂度。寄存器由硬件直接构建且数量有限，是计算机硬件涉及的基本元素。
字是计算机内部进行数据处理和数据传递的基本单位，其所包含的二进制位数称为字长，字长是计算机处理精度和运算能力的反映。例如MIPS体系结构中存储器大小为32位，因此字长为32位。
知识点11：大小端编址
存储器通常按字节编址，以32位字长为例，一个字的地址必和它所包括的4字节中某个地址相匹配。大端编址表示使用最左边或“大端”字节的地址作为字地址，小端编址则表示使用最右或“小端”作为字地址。如MIPS采用大端编址。
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