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计算机硬件

计算机硬件组成结构源于冯·诺依曼计算机结构。冯·诺依曼计算机结构将硬件划分为5部分：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。其中控制器与运算器以及其他的部件组成了处理器,输入设备和输出设备被集成为一体，按照传输过程被划分为总线、接口和外部设备。

block-beta columns 3 block:group1:1 columns 1 block:group2:1 控制器 运算器 end 存储器 end blockArrow1<["接口"]>(x) block:group3:1 columns 1 输入设备 输出设备 end

处理器

处理器(Central Processing Unit, CPU)是计算机系统运算与控制的核心部件。

  • 能力构成：从运算、控制、发展到多级缓存、多种通信总线和接口

  • 精简指令集 RISC(Reduced Instruction Set Computers): ARM, Power

  • 复杂指令集 CISC(Complex Instruction Set Computers): Intel, AMD x86

№ 特性 CISC RISC
0 指令数目 多 少
1 指令长度 可变长指令 大部分等长指令
2 控制器复杂性 复杂 简单
3 寻址方式 较丰富，提高编程灵活性 较少，以提高效率
4 编程遍历性 指令多，灵活 编程量大，采用较多通用寄存器
5 4 实现方式 微程序控制技术

存储器

按存储器的工作方式可分为：

  • SRAM 静态随机存储器，用于 Cache
  • DRAM 动态随机存储器，用于 主存
№ 特性 SRAM DRAM
0 存储单元 触发器 电容器
1 主要用途 CaChe 主存
2 操作 读/写 读/写/周期性刷新
3 读取速度 快 稍慢
4 存储容量 小 大
5 成本 稍高 低
6 芯片集成率 高 低
  • 只读存储器 ROM (例如存储 mac 地址)
№ ROM 分类 擦除方式 擦除速度 可编程次数
0 固定只读存储器 ROM 无 无 无
1 可编程只读存储器 PROM - 较慢 一次
2 可擦除可编程只读存储器 EPROM 紫外线照射 较慢 较少
3 电擦除可擦除可编程存储器 EEPROM 电擦除 较快 100w次左右
4 闪速存储器(闪存, U盘) 电擦除 最快 较少

计算机系统中的存储器通常采用分层体系结构，按照与处理器的物理距离可分为4个层次：

№ 层次 物理位置 结构 容量大小
0 片上缓存 处理器核心内 SRAM 较小16kB～512kB
1 片外缓存 处理器核心外 SRAM 略大256kB~4MB
2 主存(内存) 独立的部件/芯片，通过总线与处理器连接 DRAM 100MB～GB
3 外存 主板之外 半导体、磁、光 较大 GB～TB

总线

总线(Bus)在计算机中设备与设备之间传输信息的公共数据通道

  • 内部总线：CPU 内部连接运算器、控制器、各寄存器部件之间的总线
  • 系统总线(外部总线)：CPU 和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线
  • I/O 总线：中低速 I/O 设备相互连接的总线

系统总线按传输信息内容的不同可分为3类，数据总线、地址总线和控制总线

  • 数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关
  • 地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或 I/O 端口的地址，它是单向传输总线，地址总线的位数与主存地址空间大小有关
  • 控制总线：是传输的控制信息，包括 CPU 送出的控制命令和主存或外设返回 CPU 的反馈信号，

按数据传输格式将总线分为串行总线与并行总线

№ 总线分类 数据线 特点 应用
0 串行总线 一条双向数据线或两条单向数据线 速率不高， 但适合长距离连接 通信总线(计算机之间或计算机与其他系统之间)
1 并行总线 多条双向数据线 有传输延迟，适合近距离连接 系统总线(计算机各部件)

接口

CPU 与外围设备之间的信息交换方式，有两个部分：CPU 与 I/O接口之间的信息交换 和 I/O 接口与外部设备之间的信息交换

CPU 与 I/O接口之间信息交换的工作方式

  1. 程序查询方式
    CPU 执行程序来轮询查询外设的状态，判断外设是否准备就绪
    特点：CPU 与外设串行工作，硬件结构简单，CPU 大量时间都在查询和等待资源浪费较多，需要 CPU 保存现场由 CPU 将数据放入内存， 一次读写单位为 字
    适用场合：低速外设或 CPU 任务不繁忙的情况
  2. 程序中断方式
    中断：CPU 暂时中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理完成后自动返回原程序的功能和技术
    中断方式： I/O 接口与外设交换数据过程中 CPU 无须等待，当交换数据完成时，I/O接口产生中断，通知 CPU 处理数据
    特点：CPU 与外设可并行工作，硬件结构复杂，服务开销时间大，需要 CPU 保存现场并由 CPU 将数据放入内存，一次的读写单位为字
    适用场景：微型机中随机出现的任务，对 I/O 处理的实时性很高的系统
  3. DMA 方式
  4. 通道方式