架构-计算机基础1-硬件

概述

冯诺依曼结构，整体结构可如图

• 运算器
• 控制器
• 存储器
• 输入设备
• 输出设备
  

处理器

运算器和控制器是处理器的核心部件
指令集：复杂指令集CISC、精简指令集RISC
常见处理芯片：图形处理器GPU，信号处理器DSP，可编程逻辑门阵列FPGA等

存储

存储器：用于存储数据的电子设备。
按硬件接口分分：

• SRAM
• DRAM
• NVRAM
• Flash
• EPROM
• Disk

按与处理器的物理距离分：

• 片上缓存：在处理器核心中，一般为SRAM，快速读取，容量小，16kB-512kB，可分一级或二级
• 片外缓存：在处理器核心外，需要交换互联开关，一般SRAM，256kB-4MB，称为L2Cache或L3Cache，平台Cache
• 主存（内存）：DRAM，独立部件/芯片，通过总线与处理器连接。需要持续供电，数百MB-数十GB
• 外存：磁带、磁盘、Flash等，速度慢、容量大、掉电仍保存数据

SRAM、DRAM掉电数据丢失。SRAM读取10-20ns，直接通过晶体管状态，面积大，成本高；DRAM读取50ns，通过充放电

时间局限性：指程序中某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行，典型原因是由于程序中存在大量的循环操作
空间局限性：指一旦程序访问了某个存储单元，不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定范围内，其典型情况是程序顺序执行

总线

总线：计算机内部间遵循某一特定协议实现数据交互的形式。总线之间通过【桥】实现连接，它是一种特殊的外设，主要实现总线协议间的转换

• 内总线：用于芯片内部互联，又称片上总线、片内总线
• 系统总线：包括 数据总线、地址总线和控制总线
  • 狭义上：CPU、主存、IO接口的总线
  • 广义上：经由系统总线再次级联的总线，常称为局部总线
• 外部总线：计算机板和外部设备，计算机系统之间互联的总线，又称通信总线

性能指标

• 总线带宽
• 总线服务质量QoS
• 总线时延
• 总线抖动

类型

• 并行总线：PCI、PCIe和ATA（IDE）
• 串行总线：USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485、RapidIO和以太网

接口

接口是同一计算机不同功能层之间的通信规则

• 显示类接口：HDMI、DVI、VGA
• 音频输入输出类接口：TRS、RCA、XLR
• 网络类接口：RJ45、FC
• PS/2接口
• USB接口
• SATA接口
• LPT打印接口
• RS-232接口

对于总线而言，一种总线可能存在多种接口

直接主存存取（Direct Memory Access，DMA）是指数据在主存与I/O设备间的直接成块传送，即在主存与I/O设备间传送数据块的过程中，不需要CPU作任何干涉，只需在过程开始启动（即向设备 发出“传送一块数据”的命令）与过程结束（CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪）时由CPU进行处理，实际操作由DMA硬件直接完成，CPU在传送过程中可做其它事情。