计算机系统结构与组件
重要通知
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计算机基本概况
计算机（computer）由硬件系统和软件系统所组成，硬件单元一般可分为输入单元、输出单元、算术逻辑单元、控制单元及记忆单元，其中算术逻辑单元和控制单元合称中央处理单元（Center Processing Unit,CPU），软件系统可分为系统软件和应用软件两大类，系统软件System software,由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，其主要功能包括：启动计算机，存储、加载和执行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序语言翻译成机器语言等，操作系统是管理、控制和监督计算机软、硬件资源协调运行的程序系统，由一系列具有不同控制和管理功能的程序组成。
伟大思想与发明
缓存、分组交换网络、Web、Lisp、哈希算法、Unix、编译技术、关系模型、面向对象、XML、正则表达式
计算机组成结构
运算器
运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算指令和数据，数据以二进制代码表示，指令由操作码和地址码组成。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。
- 算术逻辑单元（ALU）
- 累加器
- 状态寄存器
- 通用寄存器组
控制器
控制器是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心，由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。
- 工作原理
控制器通过地址访问存储器、逐条取出选中单元指令，分析指令，并根据指令产生的控制信号作用于其它各部件来完成指令要求的工作。
- 指令寄存器
- 指令译码器
- 控制电路
- 指令
- 操作码（操作方法）
- 操作数（操作对象）
存储器
存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。
- ROM(read-only memory)只读存储器
- RAM(random-access memory)随机存取存储器
- 主存储器(简称主存或内存)
用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据，由中央处理器（CPU）直接随机存取。
- 辅助存储器(简称辅存或外存)
指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，例如硬盘、软盘、光盘、U盘等。
- 存储单元
在计算机中最小的信息单位是bit，也就是一个二进制位，8个bit组成一个Byte，也就是字节。一个存储单元可以存储一个字节，也就是8个二进制位。
输入设备
输出设备
CPU(central processing unit)
CPU(central processing unit)，即中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。
CPU工作原理
- 取指令阶段：将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。
- 指令译码阶段：取出指令后，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。
- 执行指令阶段：具体实现指令的功能。
- 访存取数：根据指令需要访问主存、读取操作数，CPU得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。
- 结果写回：结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。
CPU总线
Z-buffer算法
性能衡量指标
- 运算速度
指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）。
- 存取速度
指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。
GPU(graphics processing unit)
GPU(graphics processing unit)，即图形处理器，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。
核心技术
硬件T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。
性能衡量指标
- 像素填写率
例如每秒15亿个象素填写率等指标。
指令与寻址
存储体系
物理存储单位
- Bit(位)：8 Bit = 1 Bytes
- Bytes(字节)：1024 Bytes = 1 KB
- KB：1024 KB = 1 MB
- MB：1024 MB = 1 GB
- GB：1024 GB = 1 TB
- TB：1024 TB = 1 PB
字节与字符
- ASCII 码中，一个英文字母（不分大小写）为一个字节，一个中文汉字为两个字节。
- UTF-8 编码中，一个英文字为一个字节，一个中文为三个字节。
- Unicode 编码中，一个英文为一个字节，一个中文为两个字节。
- 符号：英文标点为一个字节，中文标点为两个字节。例如：英文句号 . 占1个字节的大小，中文句号 。占2个字节的大小。
- UTF-16 编码中，一个英文字母字符或一个汉字字符存储都需要 2 个字节（Unicode 扩展区的一些汉字存储需要 4 个字节）。
- UTF-32 编码中，世界上任何字符的存储都需要 4 个字节。
指令集架构
总线
总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。
地址总线(Address Bus)
数据总线(Data Bus)
控制总线(Control Bus)
代码程序在计算机中得执行流程与运行机制
解释器或编译器 - 机器语言 - 二进制
获取数据的流程与原理
存储数据的流程与原理
硬盘
存储需要长期保留的程序和数据
内存
存放数据与指令
存储给CPU处理与运算的临时数据, 处理完成后, 再储存至硬盘
内存泄漏：程序在运行过程中动态申请的内存空间不再使用后没有及时释放，导致那块内存不能被再次使用
内存溢出：存储的资源超出指定的内存空间
总线
内部总线：连接CPU内部各器件的总线
外部总线：连接CPU外部各器件的总线
CPU: 运算和处理 原理：取指令、翻译指令、发送信号执行指令
CPU工作机制
从内存中读取数据，放到寄存器
将寄存器中数据写入内存
进行数学运算与逻辑运算
执行指令逻辑
CPU核心器件
运算器：进行数据的处理，负责运算从内存读入寄存器的处理。
寄存器：进行数据的存储，用来暂时存放数据、指令。
控制器：控制各种器件工作，负责将内存数据与指令读入寄存器，并根据指令执行结果控制计算机。
寄存器：寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。
32位寄存器：存储4个字节
64位寄存器：存储8个字节
CPU内置了大量寄存器
存储器
存储器是许多存储单元的集合，按单元号顺序排列。每个单元由若干二进制位构成，以表示存储单元中存放的数值，这种结构和数组的结构非常相似，故在VHDL语言中，通常由数组描述存储器。
字节码（Byte-code）
字节码（Byte-code），是一种包含执行程序，由一序列 op 代码/数据对组成的二进制文件，是一种中间码。字节是电脑里的数据量单位。