计算机组成原理——1 计算机概要与技术

第一部分：计算机的分类

计算机根据其应用、性能和规模可以分为不同类型。

• 传统计算机分类

  • 个人计算机 (PC - Personal Computer): 为个人用户设计，注重响应时间。
  • 服务器 (Server): 为网络中的多个用户提供服务，执行大型任务，注重吞吐率。最高端的服务器被称为超级计算机。
  • 嵌入式计算机 (Embedded Computer): 作为大型系统的一部分，执行特定功能，是数量最多的一类计算机。

• 后PC时代计算机分类

  • 个人移动设备 (PMD - Personal Mobile Device): 智能手机、平板电脑等，由电池供电，注重低功耗。
  • 仓储规模计算机 (WSC - Warehouse-Scale Computer): 由数万个服务器组成的大型数据中心，如云计算平台，注重能效和成本。

• 存储容量单位

  • 基本单位：
    • 位 (bit, b): 数据的最小单位。
    • 字节 (Byte, B): 存储容量的基本单位，1字节 = 8位。
  • 常用单位及关系（两级之间为 $2^{10}$ 或 1024 倍）：
    • KB (Kilobyte)
    • MB (Megabyte)
    • GB (Gigabyte)
    • TB (Terabyte)
    • PB (Petabyte)
    • EB (Exabyte)
  • 应用场景：
    • 字节 (Byte) 常用于描述存储容量 (如 512GB 硬盘)。
    • 位 (bit) 常用于描述传输速率 (如 100Mb/s 宽带)。

第二部分：计算机设计八大伟大思想

这八个思想是计算机体系结构领域的基石，贯穿于整个课程。

1. 面向摩尔定律的设计 (Design for Moore’s Law): 芯片上的晶体管数量约每18-24个月翻一番。设计时需预见技术发展。
2. 使用抽象简化设计 (Use Abstraction to Simplify Design): 将底层复杂的细节隐藏起来，提供一个简化的模型供上层使用（例如，高级语言是对机器语言的抽象）。
3. 加速大概率事件 (Make the Common Case Fast): 优先优化最常执行的任务，从而获得最大的性能提升。这可以用阿姆达尔定律 (Amdahl’s Law) 来量化。
4. 通过并行提高性能 (Performance via Parallelism): 同时执行多个任务，例如多核处理器。
5. 通过流水线提高性能 (Performance via Pipelining): 将一个任务（如一条指令的执行）分解为多个小步骤，让多个任务的步骤重叠执行，类似工厂流水线。
6. 通过预测提高性能 (Performance via Prediction): 在不确定下一步操作时进行猜测并提前执行，如果预测准确就能节省时间。
7. 存储器层次 (Hierarchy of Memories): 构建一个多层级的存储系统，顶层速度快但容量小、成本高，底层速度慢但容量大、成本低，以平衡速度、容量和成本。
8. 通过冗余提高可靠性 (Dependability via Redundancy): 使用“备胎”组件，当某个部件失效时，冗余部件可以立即顶上，保证系统继续运行。

第三部分：软硬件基础

软件：编程语言的层次

程序从人类易于理解的语言到底层机器能执行的语言，需要经过逐层翻译。

• 高级语言 (High-level Language): 接近自然语言，具有良好的可读性和可移植性。一条语句通常对应多条汇编指令。
  • 示例: count = count + 1;
• 汇编语言 (Assembly Language): 使用助记符来表示机器指令，与机器语言一一对应，但比机器语言易读。
  • 示例: addi $s1, $s1, 1
• 机器语言 (Machine Language): 由0和1组成的二进制代码，是计算机唯一能直接识别和执行的语言，依赖于具体机器。
  • 示例: 00000011101001001011001111110010

硬件：冯·诺依曼结构与主要部件

• 冯·诺依曼结构的五大部件:

  1. 输入设备 (Input): 向计算机输入数据和指令（如键盘、鼠标）。
  2. 输出设备 (Output): 向用户展示计算结果（如显示器、打印机）。
  3. 存储器 (Memory): 存放程序和数据。
  4. 运算器 (Datapath): 执行算术和逻辑运算。
  5. 控制器 (Control): 指挥和协调计算机各部件工作。

• 中央处理器 (CPU): 由运算器和控制器组成，是计算机的大脑。

• 存储器层次结构详解:

  • 高速缓存 (Cache):
    • 技术: SRAM (静态随机存取存储器)。
    • 特点: 速度最快、容量小 (MB级别)、成本最高、易失性 (断电丢失数据)。通常集成在CPU内部。
  • 主存 (Main Memory / 内存):
    • 技术: DRAM (动态随机存取存储器)。
    • 特点: 速度较快、容量中等 (GB级别)、成本较高、易失性。
  • 辅存 (Secondary Storage / 外存):
    • 技术: 闪存 (Flash Memory)、磁盘 (Magnetic Disk)。
    • 特点: 速度最慢、容量大 (TB级别)、成本最低、非易失性 (断电不丢失数据)。