簡單的計算機組成原理及層次結構學習教程

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從軟硬件角度劃分計算機

從物理構成角度理解計算機(9層)

第1層：Physics（物理層）

第2層：Devices（器件層）

第3層：Analog Circuits（模擬電路層）

第4層：Digital Circuits（數字電路層）

第5層：Logic（邏輯層）

第6層：Micro-architecture（微結構層）

第7層：Architecture（體系結構)：將邏輯組件組合在一起以實現體系結構中定義的指令。

第8層：Operating Systems（操作系統）

第9層：Application Software（應用軟件）

計算機系統的層次結構

現代計算機硬件框圖

馮諾依曼體系機構六大特點 

馮諾依曼結構：計算機時存儲機構計算機，數字與程序都是以二進制的方式存儲在計算機中。

1）計算機由五大部件組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

2）指令和數據以同等地位存於存儲器，可按地址訪問。

3）指令和數據用二進制表示

4）指令由操作碼和地址碼組成

5）存儲程序

6）以運算器為中心

計算機硬件的主要技術指標

1）機器字長：CPU一次能處理數據的位數(與CPU的寄存器位數有關)。

2）運算速度

3）存儲容量(存放二進制信息的總位數)

A.主存容量（內存）

B.輔存容量 （外存：硬盤、U盤、光盤等）

CPU的結構及功能

1）控制器

2）運算器

實現算術運算和邏輯運算

計算機存儲設備的理解

1）存儲金字塔

2）緩存

為什麼會出現緩存？

CPU和主存的速度存在差異；在CPU同時處理很多數據，而又不能同時進行所有數據的傳輸的情況，把優先級低的數據暫時放入緩存中，等優先級高的數據處理完畢後再把他們從緩存中拿出來進行處理，而不是訪問速度較慢的內存，當然，如需要的數據在Cache中沒有，CPU會再去讀取內存中的數據；避免瞭CPU”空等”的現象。

 緩存的改進：增加緩存的級數

3）主存(內存)

主存就是內存；是直接與CPU交換信息的存儲器，指CPU能夠通過指令中的地址碼直接訪問的存儲器，

1）ROM

即隻讀存儲器，是一種之惡能讀出實現所存數據的固態半導體存儲器；ROM所存數據穩定，斷電後所存數據也不會改變。重要特性：在一次性寫入後，隻能讀出，不能再寫入。

對於ROM來說，是不是就是硬盤呢？不是說ROM隻可以讀嗎？必須明確一點，RAM和ROM都是內存，而硬盤是外存，所以ROM不等於硬盤。

2）RAM

即隨機存儲器，是與CPU直接交換數據的內部存儲器；斷電時將丟失器存儲內容，故主要用於存儲短時間使用的程序。它可以隨時讀寫，而且速度很快，通常作為操作系統或其他正在運行中的程序的臨時數據存儲媒介。RAM和ROM相比，兩者最大區別是RAM在斷電以後保存在上面的數據會自動消失，而ROM不會自動消失，可以長時間斷電保存。重要特性：可以隨時讀寫，速度快。

3）ROM、RAM和硬盤比較

ROM是隻讀存儲器，相對的RAM是隨機存儲器，他們都是內存儲器。而硬盤(HDD)是外存儲器的一種。他們完全不是一個概念。

內存和外存的最大區別有兩個：

  • 一、內存需要供電才能存儲數據，一旦斷電則會造成數據丟失，而外存存儲則不需要供電；
  • 二、內存的讀寫速度要遠高於外存。ROM之所以被稱為隻讀存儲器，是因為通過一般的方法是無法寫入或修改數據的，隻能讀出；而RAM則可以實現隨機存取。

4）輔存 (外存)

特點：不直接與CPU交換信息

5）速度比較

CPU > 緩存(Cache) > 主存 > 輔存

4）總結

CPU不和外設打交道，直接與內存打交道

外設不和CPU打交道，直接和內存打交道

內存是計算機數據的核心。

但是我們發現控制器可以直接和外設，內存打交道。

馮諾依曼結構，從硬件上就決定瞭，外設數據必須先經過內存在到CPU，CPU數據必須經過內存再到外設。為以後計算機的發展打下基礎。操作系統就是通過這一性質搭載到計算計算機硬件上的。

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