计算机硬件基础

目录

1.计算机的进制

2.计算机的组成

3.总线

4.三级存储结构

5.地址空间

 6.CPU的工作原理

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1.计算机的进制

计算机采用的是二进制，也就是逻辑1和0    

在计算机中数据的存储、运算、传输都是以高低电平的方式     所以数字电路中用高、低电平来表示逻辑1和0

比如内存想要传递16进制数0x55，则需要将其转换为2进制，也就是01010101，然后在传递给cpu，然后cpu在进行后续操作

2.计算机的组成

计算机的组成包括五个部分：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器，其中运算器和控制器都存在与cpu中。

 各部分作用：

1. 输入设备：把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中 ，如键盘、鼠标、摄像头等  
2. 输出设备：把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机外，如显示器、音响、打印机等  
3. 存储器：存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础，如内存、硬盘等
4. 运算器：CPU中负责进行算数运算和逻辑运算的部件，其核心是算术逻辑单元ALU  
5. 控制器 ：CPU的指挥中心,其控制着整个CPU执行程序的逻辑过程

注：运算器和控制器共同组成了CPU

3.总线

总线 ：总线是计算机中各个部件之间传送信息的公共通信干线, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为数据总线、地址总线、控制总线

DMA总线 ：DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问，使用DMA总线可以不通过CPU直接在存储器之间进行数据传递

 由上图可以看出，外部设备和主存储器的交互大多通过CPU控制的，他们与CPU进行信息传递是需要通过总线来实现，使用DMA总线则可以使主存储器与外部设备的交互不用经过CPU而是在他们俩之间直接进行信息的传递。

4.三级存储结构

1. Cache（高速缓冲储存器）：速度最快、价格最贵、容量最小、断电数据丢失、cpu可直接访问，存储当前正在执行的程序中的活跃部分,以便快速地向CPU提供指令和数据  
2. 主存储器：速度、价格、容量介于Cache与辅存之间、断电数据丢失、cpu可直接访问，存储当前正在执行的程序和数据
3.  辅助存储器：速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、cpu不可直接访问，存储暂时不运行的程序和数据，需要时再传送到主存

 计算机使用三级存储的目的：为了兼顾速度、容量、价格

5.地址空间

     地址空间：一个处理器能够访问（读写）的存储空间是有限的,我们称这个空间为它的地址空间（寻址空间）,一般来说N位地址总线的处理器的地址空间是2的N次方

       CPU的寻址过程：我们存储在内存中的信息都是以地址的形式存放，当CPU想要使用这条数据时，就会通知内存我想要获取哪个数据，这个通知的过程是由CPU通过地址总线发送想要获取的数据的地址，然后内存通过这个地址找到数据然后经过数据总线发送给CPU来使用。CPU能发送的信息的大小与地址总线的宽度有关，比如下面图片的地址总线为2bit，他的处理器的地址空间就是2的2次方也就是4，所以他只能发送二进制的00、01、10、11，也就是只能读取到0x03及其之前的信息，这时我们想要读取0x04中存放的信息是做不到的，如果想读取更多的数据就需要扩宽地址总线。

 6.CPU的工作原理

1.取址：CPU将PC寄存器中的地址发送给内存，内存将其地址中对应的指令返回到CPU中的指令寄存器（IR），此过程结束后PC会自动增加指向下一条指令。

2.译码：译码器对指令寄存器IR中的指令进行识别，将指令（机器码）解析成具体的运算    

3.执行：控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算，然后将运算结果写入寄存器

如上图所示，假如想要进行乘法运算，PC中的地址就应该是0x08，将其通过总线发送给内存后，内存读取出该地址的信息并返还给CPU然后由IR接收，接收完通过指令译码器来解析成为具体的运算让运算器执行，执行完毕后的结果写入寄存器中。