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
