计算机基础-硬件
2025-06-10 15:40:35 0 举报AI智能生成
硬件理论知识
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大纲/内容
硬件
计算机体系结构分类
硬件架构层面的分类
冯诺依曼结构（5大部件）
控制器（处理器的核心部件）
组成
• 指令寄存器IR (暂存CPU正在执行的指令)
• 程序计数器PC (存放即将执行的指令执行地址)
• 地址寄存器AR (保存当前CPU所访问的内存地址) • 指令译码器ID (分析指令操作码)
功能
控制整个CPU的工作，最为重要，包括程序控制、时序控制等。
计算机指令（由控制器解析执行）
概念：计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计
算机的工作过程;控制器靠指令指挥机器工作，人们用指令表达自己的意图，并交给控制器执行
组成
一条指令由操作码和操作数两部分组成
操作码决定要完成的操作
操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址
执行过程
取指令
首先将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU依据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器IR;
分析指令
而后由指令译码器进行分析，分析指令操作码
执行指令
最后执行指令，取出指令执行所需的源操作数。
常见指令（2种）
CISC（复杂指令系统）
兼容性强，指令繁多、长度可变，由微程序实现，CISC 以Intel、AMD 的x86CPU 为代表
RISC（精简指令系统）
指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现(通用寄存器、硬布线逻辑控制) RISC 以 ARM 和 Power 为代表。国产处理器目前有龙芯、飞腾、申威等品牌，常采用 RISC-V、MIPS 、ARM 等精简指令集架构
指令流水线
原理
将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段，如下图
流水线周期
指令分成不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期。
流水线执行时间
1条指令总执行时间+(总指令条数-1)*流水线周期
流水线吞吐率
总指令条数/流水线执行时间
流水线加速比
不使用流水线总执行时间/使用流水线总执行时间
运算器(处理器的核心部件)
组成
· 算术逻辑单元ALU (实现对数据的算术和逻辑运算)
• 累加寄存器AC(运算结果或源操作数的存放区)
• 数据缓冲寄存器DR (暂时存放内存的指令或数据)
• 状态条件寄存器PSW(保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志等)
功能
执行所有的算术运算，如加减乘除等，执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、比 较等。
存储器
利用半导体、磁、光等介质制成用于存储数据的电子设备
硬件结构分类
SRAM、 DRAM、NVRAM、Flash、EPROM 、Disk 等
采用分层的体系结构，按照与处理 器的物理距离可分为4个层次
• 片上缓存:在处理器核心中直接集成的缓存，一般为SRAM 结构，实现数据的快速读取。它容量较小一般为 16kB~512kB，按照不同的设计可能划分为一级或二级。
• 片外缓存:在处理器核心外的缓存，需要经过交换互联开关访问，上缓存略大，可以为256kB~4MB 。按照层 级被称为L2Cache或L3Cache，或者称为平台Cache。
• 主存(内存):通常采用DRAM 结构，以独立的部件/芯片存在，通过总线与处理器连接。DRAM 依赖不断充电 维持其中的数据，容量在数百MB至数十GB 之间。
• 外存:可以是磁带、磁盘、光盘和各类Flash 等介质器件，这类设备访问速度慢，但容量大，且在掉电后能够 保持其数据。
存储系统
计算机采用分级存储体系的主要目的是为了解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题。存储系统的层次结构如右图
两级存储:Cache-主存、主存-辅存(虚拟存储体系)
局部性原理
总的来说，在CPU运行时，所访问的数据会趋向于一个较小的局部空间地址内
时间局部性原理
如果一个数据项正在被访问，那么在近期它很可能会被再次访问，即在相邻的时间里会访问同一个数据项
空间局部性原理
在最近的将来会用到的数据的地址和现在正在访问的数据地址很可能是相近的，即 相邻的空间地址会被连续访问
高速缓存（Cache）
用来存储当前最活跃的程序和数据，直接与CPU交互，位于CPU和主存之间，容量小， 速度为内存的5-10倍，由半导体材料构成。其内容是主存内存的副本拷贝，对于程序员来说是透明的
组成
控制部分
判断CPU要访问的数据是否在Cache中， 在则命中，不在则依据一定的算法从主存中替换
存储器
存储数据
地址映射
直接映像、全相连映像和组组相连映像
磁盘结构
调度算法
• 先来先服务FCFS
根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
• 最短寻道时间优先SSTF:
请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度，使得每次的寻道时间最短。会产生“饥饿”现象，即远处进程可能永远无法访问。
• 扫描算法SCAN:
又称“电梯算法”，磁头在磁盘上双向移动，其会选择离磁头当前所在磁道最近的请求访问 的磁道，并且与磁头移动方向一致，磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似
• 单向扫描调度算法CSCAN:
与SCAN不同的是，其只做单向移动，即只能从里向外或者从外向里。
校验码（用于存储数据的错误检测）
概念
校验码主要是为了解决计算机各部件进行数据传输和交换，确保传送过程的正确无误， 一是为了提高硬件电路的可靠性，二是提高代码的校验能力。通常会用校验码来检查传送的数据是否 正确。
常用的几种校验码
奇偶校验码
循环冗余校验码(CRC)
只能检错，不能纠错
首先要将原始报文除以多项式，将所得的余数作为校验 位并加在原始报文之后，然后发送数据发给接收方，接收方拿到数据之后，用来数据来除以多项式， 看是否能整除，能整除就代表数据正确。
海明码
输入设备
关联技术：输入技术（如键盘、鼠标、传感器等接口技术）
输出设备
关联技术：输出技术（如显示器、打印机、投影等接口技术）
总线（连接各硬件组件的通信通道）
指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道，从广义上讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线
分类
• 内部总线:内部芯片级别的总线，芯片与处理器之间通信的总线。
• 系统总线:是板级总线，用于计算机内各部分之间的连接，代表的有ISA总线、EISA总线、PCI总线。
• 外部总线:设备一级的总线，微机和外部设备的总线。代表的有 RS232(串行总线)、 SCSI(并行总线)、USB(通用串行总线，即插即用，支持热插拔)
计算机总线存在许多种类，常见的有并行总线和串行总线
计算机体系结构分类：冯诺依曼/哈佛结构
宏观体系结构分类
多核、单核、并行…
微观体系结构分类
Fynn分类法
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