计算机组成与设计笔记

计算机系统概述

计算机系统由硬件（Hardware）和软件（Software）两大部分组成，二者协同工作实现计算功能。

硬件是计算机的物理实体部分，基于电子学、光学和机械原理实现，主要包括：

• 核心部件：CPU（运算器+控制器）、存储器（内存/外存）、输入/输出设备
• 基础架构：总线系统、电源模块、主板、接口电路等
• 扩展设备：GPU、TPU等专用处理器

软件是运行在硬件上的程序和数据集合，可分为多个层次：

• 系统软件：操作系统（进程管理、内存管理、文件系统等）、编译器/解释器（将高级语言转换为机器代码）、设备驱动程序、网络协议栈、系统工具（调试器、链接器等）
• 应用软件：通用应用软件（办公套件、浏览器等）、行业专用软件（CAD、EDA等）、用户定制程序

冯·诺依曼体系架构

冯·诺依曼将计算机架构定义为由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大核心模块组成。现代硬件依然遵循着冯·诺依曼体系结构。

其中运算器（ALU）和控制器封装在CPU中，存储器是主存（RAM）和一些辅助存储（磁盘），输入设备对应鼠标、键盘等设备，输出设备对应显示器等设备。

CPU

cpu 是计算机最核心的组成部分，它由一个芯片及数十亿个晶体管组成，它之于计算机相当于大脑之于人类的关系。

逻辑上可以将 CPU 分为控制单元（CU）及逻辑计算单元（ALU）两部分：

• 控制单元：从内存中提取指令并解码执行。
• 逻辑计算单元：处理算数和逻辑运算。

从功能上又可以将 CPU 分为控制器、运算器、时钟、寄存器四部分。

• 控制器：负责从内存中提出指令/数据到寄存器，并根据指令结果控制计算机。
• 运算器：对寄存器内的数据进行运算
• 时钟：负责向cpu发送开始记时的信号。
• 寄存器：cpu的重要组成部分，负责临时存储地址/数据/指令，类似于内存的作用，一个cpu中有20-100个不同种类的寄存器。

程序运行时，程序计数器存储的是程序第一条指令的地址，控制器根据该地址从内存中取出指令分析并执行(顺序执行/条件分支/循环执行)，并且将程序计数器修改为下一条指令的地址。

存储器

存储器有多种类型，如果根据数据是否易失的，可以分为内存和硬盘两种。 内存的访问速度很快，但是空间有限，并且断电后数据就会消失。 硬盘存储空间充足，并且支持数据持久化存储，但是访问速度较慢。硬盘主要用来解决内存存储空间有限和数据易失的问题。

内存的读写速度已经很快了，但是与CPU相比，仍然相形见绌，CPU需要对内存执行读取命令、数据，回写数据等操作，由于运行速度上的差异，CPU大部分时间都在等待内存响应。 为了减少由于速度差异导致的CPU利用效率问题，现代计算机硬件系统采用多级缓存策略，直接将高速缓存模块（L1）集成在CPU上，CPU可以提前将内存中的数据加载至高速缓存中， 由于高速缓存距离CPU更近以及材质升级等原因，对高速缓存的访问速度有更大的提升。但是高速缓存的内存容量非常有限（内存速度越快，价格越贵，空间也越小），只能缓存少量数据。 因此又在主板上集成了L2缓存。L2缓存相比与L1缓存有更大的内存空间，由于其直接集成在主板上，与CPU也有专用的线路，所有访问速度同样比主存快上很多倍。

总线

计算机几乎所有的交互都需要CPU的参与，CPU与存储器、输入设备和输出设备之间通过总线进行数据传输。总线系统也有多种模式。

单总线模式

结构如下图所示：cpu与其他设备间的传输通过总线进行传递。在同一时间点，总线只能处理cpu与一个设备间的数据传输，当存在多条数据传输请求时，可能会根据设备的优先级进行选择。总线中也包括控制总线和数据总线，控制总线用来处理控制信息，比如设备需要先通过控制总线请求，获得允许后，才能正式传输数据。

双总线模式

双总线模式在CPU与主存间，增加了一条线路，这样的设计提高了CPU与主存间的数据传输效率。

DMA总线模式

在内存与磁盘之间架设了一条DMA（直接内存访问）总线，用来优化加载磁盘数据到内存时，CPU利用率的问题。

传统中断驱动模式（PIO模式）

1. CPU向磁盘控制器发出读取指令，指定需要访问的磁盘位置和数据长度
2. 磁盘控制器开始机械寻址（磁头移动+盘片旋转），此时CPU可继续执行其他任务
3. 当数据准备就绪后，磁盘控制器向CPU发起硬件中断请求
4. CPU暂停当前工作，执行上下文切换保存状态，然后处理中断：
   • 通过I/O指令将数据从磁盘控制器缓冲区逐字（或逐块）读入内存
   • 校验数据完整性
5. 中断处理完成后恢复之前任务，产生两次上下文切换开销

DMA（直接内存访问）模式

1. CPU初始化DMA控制器：
   • 设置目标内存地址
   • 指定传输数据量
   • 配置磁盘起始位置
2. DMA控制器接管总线，直接与磁盘控制器协调数据传输
3. 磁盘完成寻址后，数据通过系统总线直接传输到指定内存区域（无需CPU介入）
4. 传输完成后DMA控制器发送中断通知CPU进行结果校验

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