计算机体系结构学习指南

计算机体系结构为大多数计算机科学专业的学生介绍了系统设计基础知识。本计算机体系结构学习指南描述了计算机系统的不同部分及其关系。通常要求学生了解 CPU 的体系结构和主要 CPU 组件、主存储器的作用以及 RAM 和 ROM 之间的区别。其他研究主题包括高速缓存的用途、机器指令周期以及辅助存储器在计算机体系结构中的作用。

1. 入门：需要了解的关键术语

以下定义将帮助您了解现代计算机体系结构：

• 缓存
• 中央处理器
• 硬件
• 机器指令周期
• 主存储器
• 网络
• 外围设备
• 随机存取存储器 (RAM)
• 只读存储器 (ROM)
• 辅助记忆
• 软件

2.中央处理器（CPU）的架构

中央处理器(CPU) 是进行大多数计算的地方。它是计算机的内部组件，通常被称为计算机的“大脑”。现代 CPU 体积小且呈方形，底部包含多个金属连接器或引脚。CPU 直接插入主板上的 CPU 插槽，引脚朝下。就计算能力而言，CPU 是计算机系统中最重要的元素。

3. CPU的主要组成部分

算术逻辑单元

算术逻辑单元 (ALU) 执行算术和逻辑运算。它是临时保存数据和进行计算的地方。

控制单元

控制单元 (CU) 控制和解释指令的执行它从内存中提取指令并解码并执行它们，必要时调用 ALU。

4. 图表：元素之间的关系

下图显示了 CPU、输入和输出以及存储的元素之间的关系。

5. 主记忆解释

有两种类型的物理内存：主内存和辅助内存。主存储器是易失性存储器。二级存储器（二级存储）是非易失性的。

主存（也称为主存或主存）的主要功能是执行程序代码和存储临时数据。主内存是处理器首先访问的内存。内存位于主板上的芯片上。主内存存储运行操作系统 (OS) 的应用程序、用户界面和安装的软件实用程序。

计算机只能操作主存储器中的数据。每个执行的程序和访问的每个文件都必须从存储设备复制到主存中。计算机系统中主存储器的数量决定了一次可以执行多少程序以及程序可以随时使用多少数据。

你可知道…？ 一个小程序（称为引导加载程序或引导加载程序）存储在主存储器中。它在系统启动时将操作系统加载到计算机的内存中，并且程序也会启动操作系统。此过程称为“启动”计算机。

6.主存储器：RAM和ROM

主存储器的示例包括 RAM 和 ROM。

什么是内存？

随机存取存储器 (RAM) 是一种易失性存储器，是计算机和其他设备（如打印机）中最常见的存储器类型。RAM 需要电流来保留数据（例如，计算机已打开电源）。

什么是只读存储器？

只读存储器 (ROM) 是一种非易失性存储器，是预先记录了数据的计算机存储器。ROM 将在没有电流的情况下保留数据（例如，当计算机关闭时）。

7. 辅助记忆的作用

辅助存储器（也称为辅助存储器）是存储设备：硬盘驱动器、固态驱动器、可移动存储介质——包括闪存驱动器和 DVD。

CPU 不像主内存那样直接访问辅助内存。相反，来自辅助存储器的数据被加载到 RAM 中，然后发送到处理器。它将请求的数据传输到主存储中的中间区域。虽然辅助内存比主内存慢得多，但它提供了更大的存储容量。

8. 持久存储

持久性存储（断电后不会丢失数据的存储）在计算机系统中极为重要。需要在程序运行期间和运行后将数据存储在非易失性设备中，以保存文件和数据以备后用。硬盘驱动器是持久存储的常见示例。

9. CACHE MEMORY的用途

高速缓存（也称为 CPU 缓存）是一种高速存储机制，它是主存的保留部分或独立的高速存储设备。CPU 高速缓存减少了从主存储器访问数据所需的时间。现代 CPU 有不同的独立缓存，例如指令和数据缓存。

计算机系统中常用的缓存有两种类型：内存缓存和磁盘缓存。

什么是内存缓存？

内存缓存，有时称为 RAM 缓存，是由高速静态 RAM (SRAM) 组成的内存的一部分，而不是用于主内存的较慢且更便宜的动态 RAM (DRAM)。内存缓存是有效的，因为大多数程序一遍又一遍地访问相同的数据或指令。

什么是磁盘缓存？

磁盘缓存的工作原理与内存缓存相同，但磁盘缓存不是使用高速 SRAM，而是使用传统的主内存。磁盘缓存可以显着提高应用程序的性能，因为访问 RAM 中的数据字节可能比访问硬盘中的字节快数千倍。

10.机器指令周期

指令周期是指当给计算机一个机器语言指令时，从内存中取出一条指令并执行的时间段。CPU 执行指令周期的以下四个阶段：

1.从内存中取出指令。此步骤将指令带入指令寄存器，这是一个保存指令的电路，以便可以对其进行解码和执行。

2.解码指令。用于参考数据的数学和逻辑运算。

3.如果指令有间接地址，则从内存中读取有效地址。

4.执行指令。这结合了所有步骤。

注意：第 1 步和第 2 步称为取指周期，对于每条指令都是相同的。第 3 步和第 4 步称为执行周期，每条指令都会发生变化。