计算机组成原理笔记----基础篇

计算机系统=硬件+软件

软件
├── 系统软件
│   ├── 操作系统
│   └── 工具软件
└── 应用软件
    ├── 办公软件
    ├── 媒体软件
    └── 浏览器软件

硬件
├── 计算机硬件
│   ├── 中央处理器（CPU）
│   ├── 存储设备
│   │   ├── 内存（RAM）
│   │   └── 硬盘（HDD/SSD）
│   ├── 输入设备
│   │   ├── 键盘
│   │   └── 鼠标
│   └── 输出设备
│       ├── 显示器
│       └── 打印机

机器字长：机器字长是指计算机处理器一次能处理的数据位数，通常表示为CPU在一个时钟周期内能够处理的二进制位数，如32位或64位。

机器字长越长，计算精度越高。

机器字长一般等于内部寄存器的大小。

冯诺依曼计算机的五大部件是：输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器，它们共同协作完成数据处理和控制操作。

主频是指计算机处理器每秒钟完成的时钟周期数（CPU内数字脉冲信号振荡的速度），时钟周期则是每个时钟信号的时间间隔，二者成反比关系。

CPU速度的关键指标包括CPI（每条指令周期数）和CPU执行时间，CPI表示执行一条指令所需的平均时钟周期数，CPU执行时间则是指执行程序所需的总时间，二者与主频、指令集架构和程序优化密切相关。

CPU执行时间=程序指令数×CPI÷时钟频率

MIPS（每秒百万条指令）是衡量CPU性能的指标之一，表示CPU每秒钟能够执行的指令数量，通常与CPU的主频、CPI和程序的指令效率相关。

MIPS=时钟周期（MHZ）÷CPI

MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second） 是衡量计算机或处理器浮点运算性能的指标，表示每秒钟可以执行的浮点操作数百万次。

MFLOPS=浮点操作数÷（程序执行时间×10的6次方）

主存容量是指计算机主存（RAM）中可存储数据的最大量，通常以字节（GB、TB）为单位表示，决定了系统能够同时处理的数据量。

主存带宽是指主存与CPU之间数据传输的速率，通常以每秒传输的数据量（如GB/s）来衡量，影响CPU访问数据的速度和效率。

（一）总线概述

总线是计算机内部用于传输数据、地址和控制信号的共享通信路径。它将CPU、内存、输入输出设备等连接起来，允许它们进行信息交换。总线的主要功能是实现不同部件之间的通信，常见的总线包括数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线：用于传输数据，通常是双向的。
地址总线：用于指定数据的存储位置，通常是单向的。
控制总线：用于传递控制信号，如读/写命令、时钟信号等。

总线特性

机械特性：根数 插头 引脚

功能特性：传输地址 数据 控制信号

电器特性：传输方向 有效电平范围

时间特性：信号的时序关系

总线分类

片内总线：CPU芯片内部连接寄存器与运算器之间的总线

系统总线：连接计算机系统内部的CPU主存 IO接口的总线

通信总线：连接计算机与计算机之间或者与其他设备的总线

（二）总线仲裁

总线仲裁是指当多个设备同时请求使用总线时，如何决定哪个设备可以优先使用总线的过程。由于总线是共享资源，如果没有有效的仲裁机制，可能会导致冲突或性能下降。常见的总线仲裁方式有：

集中式仲裁：由一个控制器负责管理总线的访问权限，通常是通过一个仲裁信号来选择哪个设备可以占用总线。
分布式仲裁：各个设备自主决定是否可以占用总线，通常通过优先级或轮询机制来实现。

（三）总线定时

总线定时是指在数据传输过程中，总线各个信号（如地址、数据和控制信号）之间的时序安排。总线定时涉及如何同步信号的传输，以确保数据正确、高效地传递。总线定时通常有以下几种方式：

同步总线：所有设备通过一个统一的时钟信号同步操作，传输的每个阶段都有明确的时钟边沿控制。
异步总线：没有统一的时钟信号，设备通过握手信号（如请求-应答）来协商数据的传输时机。
半同步总线：介于同步和异步之间，通常使用一部分时钟信号与握手机制结合。