01星球学生

计算机组成原理是什么

从硬件角度去认识计算机的工作方式。

为什么要学习计算机组成原理

帮助了解代码如何在机器中运行。。。还有很多意义

计算机分类

个人计算机（PC）

就是小电脑，对单个用户服务，强调性能和性价比。

服务器

大型计算机，有强大的计算能力，例如云服务器。用于超大型的工程，负载处理复杂项目（例如科研或工程）。

最高端的服务器是超级计算机。用于超大大大大型的工程，例如石油勘探和天气预测。。（普通人用不到）。

服务器由成千上万个处理器组成，通过高效的并行计算架构和专门定制的互联网络进行协同工作，

硬件和软件层面都高度优化的存在。

嵌入式计算机

范围十分广泛，电视机、扫地机器人、无人机。

 是一种特定功能重复使用的计算机。将CPU小芯片和固定程序植入到其他设备中进行计算的都叫嵌入式计算机。由于功能单一，其计算能力不如普通计算机强大。

着重降低功耗和成本。

计算机进一步发展

个人移动设备（PMD）

例如智能手机和平板电脑。

不依赖固定电源供电，通过无线网络进行连接。强调便携性和灵活性。

PMD的另一个特点是其软件生态的丰富性。可以下到各种APP。

云计算

通过网络，将本设备的计算需求交给其他专门负责提供计算和服务的设备。相当于带着一个功能强大的大型数据中心。PMD可以随时访问各种云服务，十分便捷和高效，但数据的安全性和隐私性需要得到保障。

计算机系统结构的八大设计思想

1.面向摩尔定律的设计思想（废除）

一个芯片上的晶体管数量每隔一年半到两年就翻一番。

2.使用抽象简化设计思想

抽象：模糊细节

例如，校车的司机叔叔要把小朋友们送到家，司机叔叔知道每个小朋友具体要送到哪，但校长只知道要安排送小朋友回家的任务，不知道具体细节。校长是上层设计任务，司机是下层的实现任务。

校长下达任务后，司机就知道做什么，他俩配合就会很快。通过抽象模糊细节能提高效率。

3.加速大概率事件思想

意为，只关注影响较大的事件。在计算机系统中，运算的效率往往与几个关键的部件和操作有关，它们限制了系统的整体性能。将精力集中在这些关键点上就是加速大概率事件的思想。

4.通过并行提高性能思想

两个任务同时运行比一个接一个的运行更快。

5.通过流水线提高性能思想

将一个复杂任务拆分成不同阶段，每个阶段有专门的硬件单元负责。一条指令进入流水线后，会在每个阶段得到不同的加工，最后完成任务。多条指令进入流水线时，流水线的每个单元处理完一条指令的部分后接着处理下一条指令的部分。实现了指令的并行执行。

流水线虽然能提高性能，但有这些限制：若流水线的深度（流水线分的阶段数量）过深，会导致处理器的延迟增加。指令间若有数据依赖关系也不能在流水线中处理。

6.通过预测提高性能思想

分为指令预测、分支预测、缓存预测。

指令预测：预测下一个要到来的指令，提前进行解码和准备工作。

分支预测：提前判断分支指令的真或假，准备好判断结构的指令，避免延迟。

缓存预测：预测那些数据需要被访问，提前将这些数据加载到缓存中，提高访问速度。

7.存储器层次结构思想

存储器需要访问快，容量大，价格便宜。工程师们在千锤百炼后得出这样的层次结构设计。

1.最顶层：是寄存器（Register）和高速缓存（Cache），CPU可以直接访问寄存器，而高速缓存用于临时存储最近频繁使用的数据，以减少访问主存的次数。

2.下一层：是主存（RAM，random access memory），其访问速度比寄存器和高速缓存慢，但容量很大，且便宜，是CPU直接寻址和交换数据的主要区域。

3.再下一层：包括虚拟内存（Vitrual Memory）、磁盘缓存（Disk Cache）等，它们速度更慢，但容量更大，且便宜。

4.底层：硬盘驱动器（HDD）和固态硬盘（SSD）等永久性存储介质，访问速度最慢，但容量最大，单位存储成本低。

8.通过冗余提高可靠性思想

从物理层面上，任何一个元器件都有可能损坏或者失灵。在需要高度可靠性时，可以增加额外的硬件组件来提高系统的可靠性，例如航空航天、医疗设备、服务器集群。这些组件是原本组件的复制品，一旦原本组件失效，它们就顶替上去工作。确保系统的连续性和数据的安全性。