3. 计算机硬件笔记

发表于 2025-01-01 更新于 2025-02-15 分类于计算机知识

属于《计算器组成原理》内容。

1. 冯.诺依曼体系结构

基本思想
- 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大组成
- 指令和数据顺序编程程序存储到存储器中
- 存储程序原理：数据以二进制代码形式存放，内存地址决定存放位置
- 每条指令的操作数组成计算错误码，直接合成运算
- 内存储器是定场的线性组织，CPU 通过内存地址可以直接读写内存
- 控制器对计算机进行集中的数据控制
指令和数据处理
- 整数相加示例：这里一共消耗了四个指令，分别为取l两数、两数相加和存数
- 操作码表示运算，如 ADD，指出操作对象在内存中的地址
- 内存组织：指令和数据按顺序存放，如 load、store 指令对应内存地址
计算机基本工作过程
- 自动从内存取指令、分析指令、执行指令，循环执行至程序结束
- 加法程序原理：取指令、分析执行、取数据、运算、结果存储回内存

总结：计算机由基本组成单元构成，遵循存储程序原理；
指令和数据的处理是计算机工作的基础；
控制器控制指令的取、分析、执行过程，实现程序运行。

2. CPU

处理器(CPU)组成
- 运算器(ALU)
  - 功能: 在控制器指挥下进行算术运算和逻辑运算，实现对数据的加工和处理
- 控制器(CU)
  - 功能
    - 重新控制、操作控制、时间控制
    - 地址控制: 按顺序执行程序，有确定的程序执行顺序
    - 操作控制: 管理电路工作，信号发送到相应部件，实现控制
- 寄存器
  - 类型
    - 数据寄存器(Data Register，DR): 用于暂存内存中读取的数据
    - 指令寄存器(Instruction Register，IR): 保存当前正在执行的指令
    - 程序寄存（计数）器(Program Counter，PC): 指向 CPU 下一条将要执行的指令的内存地址

3. 存储器

内部存储器
- 概念
  - 主要用于存放运行期间正在执行的程序和数据
  - CPU可以直接访问内存
- 基本组成
  - 存储单位: 一个二进制位，即 bit
  - 字节: 八位组成一个字节（B）
  - 存储容量单位: KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB 等
- 存储单元与内存地址
  - 每个存储单元有一个唯一的内存地址
  - 存储单元的内容可通过地址直接访问
存储器分类
- 按组件分类
  - 半导体存储器: 特点是访问速度快，CPU 可直接访问
  - 磁性存储器: 特点是信息可长久保存，断电后不丢失，CPU 无法直接访问
  - 光存储器: 信息可长久保存，CPU 无法直接访问
- 按程序方法分类
  - 随机访问存储器（RAM）: 可直接读写
  - 只读存储器（ROM）: 可读不可写，存放固定不变的程序和数据
- 按存储原理分类
  - 动态存储器（DRAM）: 需要刷新以保持数据不丢失
  - 静态存储器（SRAM）: 不需要刷新，速度快但成本高
存储器层次结构
- 内部存储器: 读取速度快，但容量小，断电后数据丢失
- 外部存储器: 容量大，单位价格便宜，速度慢
- 高速缓存（Cache）: 位于 CPU 和内存之间，读写速度快，容量小，用于存放 CPU 频繁访问的数据

总结：计算机硬件系统中，存储器的合理布局和分类，解决了存储量、速度和成本之间的矛盾；
内存器、高速缓存和外部存储器构成了计算机的存储器层次结构，以优化性能和成本。

4. 外部设备

输入设备
- 键盘
  - 安装原理: 机械式和电容式
  - 特点: 结构简单，成本低，手感好，寿命长
  - 接口形式: PS/2, USB
- 鼠标
  - 种类: 光学鼠标和机械鼠标
  - 检测原理: 光学反射和机械摩擦
  - 接口形式: PS/2, USB
- 扫描仪和麦克风
  - 功能: 输入图像和声音数据
输出设备
- 显示器
  - 类型: 字符显示器和图形显示器
  - 显示技术: 3D, LCD, 离子
  - 关键参数: 分辨率
- 打印机
  - 类型: 针式、激光、喷墨
  - 接口形式: 并口、USB
- 音响
  - 功能: 输出声音
- 投影机
  - 功能: 输出图像
外部存储器
- 硬盘
  - 结构: 盘片、读写头、磁道、柱面
  - 存储容量: 数百 GB 至数 TB
  - 接口: IDE、SATA、SCSI
- 光盘
  - 类型: CD, DVD
  - 存储格式: ROM, RW
  - 容量: CD 约 650 MB, DVD 数 GB
  - 接口: IDE, SATA

5. 总线和接口

总线系统
- 总线的功能与分类
  - 传输信息类型
    - 数据总线：双向传送数据信息，位数决定每次传送信息量。
    - 地址总线：用来传送地址信息，直接寻址内存空间大小为 2 的 N 次方
    - 控制总线：传输控制信息，主控与被控设备之间
  - 位置分类
    - 片内总线：CPU 内部各部件之间的传输通路
    - 系统总线（内总线）：CPU 与内存及结构电路之间的传输通路
    - 通信总线（外总线）：用于连接计算机系统与外部设备，，如打印机、鼠标、键盘、网络设备等。具有传输速度低，延迟高，设计简单的特点
    - 局部总线：用于连接计算机系统中某个特定子系统或局部区域的设备。例如，PCI 总线是一种局部总线，用于连接计算机主板上的高速设备（如显卡、声卡、网卡等）。
接口电路
- 接口的种类与功能
  - 并行接口：并行传送，适合短距离通信
  - 串行接口：串行传送数据和控制信息，成本低，适合长距离通信
  - 硬盘接口
    - IDE：并行数据传输，成本低，速度较快
    - SATA：串行数据传输，可靠性高，支持热插拔
    - SCSI：数据传输效率高，低 CPU 占用率，支持多种设备
  - 网络接口：连接计算机与网络，有不同速度规格
  - 显示器接口：连接显示器与计算机
  - 声卡接口：处理音频信号，连接音响设备
  - USB 接口：通用串行总线，连接多种外设

总结：接口是实现 CPU 与 IO 设备通信的关键，不同的接口适应不同的数据传输需求，从而确保计算机系统的高效运作。

6. 计算机性能指标

非时间指标
- 机器字长
  - 定义: 机器一次能处理的二进制数位数。
  - 由加法器、寄存器的位数决定；一般与内部寄存器的位数相等（字长）
  - 影响: 字长越长表示数据的范围越大，精确度越高
  - 常见值: 32 位, 64 位字长
- 总线宽度
  - 定义: 数据总线一次能够并行传输的最大信息位数
  - 注意: 内部总线宽度与外部总线宽度可能不一致
- 主存容量
  - 主存能够包含的整个单元的最大总数
- 存储带宽
  - 单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位 B/s(字节每秒)。（影响带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率）
时间指标
- 主频 f / 时钟周期 T，外频、倍频
  - 主频 f: CPU 内核工作的使用频率，单位 MHz或 GHz
  - 时钟周期(T): 也称节拍周期，是计算机最基本最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU 仅完成一个最基本的动作
  - 主频与时钟周期的关系: 主频 = 1 / 时钟周期
  - 主频 = 外频（cpu 与主板之间同步的时钟频率） * 倍频（倍数）
  - 主频与实际运算能力关系: 条件成立时, 主频越高, 运算能力越强
- CPI (平均每条指令所需的时钟周期数)
  - 定义: 平均每条指令所需的时钟周期数
  - 计算方法: 程序中所有指令的时钟周期数之和 / 程序中指令总数
- MIPS (每秒执行指令条数)
  - 定义: 每秒钟执行指令条数, 单位为百万条指令
  - 计算方法: 指令条数 / 执行时间 * 10^6
  - 指令条数 / （所有指令CPU时钟周期综合/f） * 10^6
  - 主频 f / CPI * 10^6 也称为全性能公式
- CPU 时间
  - 定义: 执行一段程序所需的总时间
  - 组成: CPU 时间, 输入输出时间, 存储访问时间, 各类排队时延等
  - 计算方法: 所有指令的时钟周期数之和乘以时钟周期 T 或者除以主频 f
性能改善策略
- 提高单个性能指标对计算机性能改善有限
- 需要提升多个性能指标以改善计算机的整体性能
结论：硬件与软件协同设计的重要性

7. 嵌入式系统

定义与特点
- 定义: 嵌入式系统是嵌入到其他电子设备中的专用计算机系统，旨在完成特定功能。
- 特点
  - 以应用为中心
  - 软硬件可剪裁
  - 对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求
  - 将应用软件与硬件集成一体
应用领域
- 工业控制
- 信息家电
- 通讯设备
- 医疗仪器
- 智能机器人
- 军事设备
硬件组成
- 嵌入式微处理器
- 程序存储器和数据存储器
  - 程序代码固化在程序存储器中
- 定时器、终端控制、通用接口电路、电源电路、通信系统应用电路
- 特点: 根据应用需要进行裁剪和定制
软件结构
- 监控程序: 简单系统中的基本软件，控制硬件
- 三个层次
  - 硬件抽象层: 初始化底层硬件、数据输入输出
  - 嵌入式操作系统层: 内存管理、文件管理、多任务调度等
  - 应用程序层: 用户操作和管理系统的基础
- 硬件与软件的定制性: 根据需求定制软硬件
特性与优势
- 专用性强
- 实时性好
- 可剪裁性好
- 可靠性高
- 功耗低
应用示例
- 全自动洗衣机: 用户只需放入衣物，其余由系统自动完成
- 数码相机: 自动对焦、定时拍摄、无线网络等功能
结构与迭代
- 微处理器的应用分布广泛，不仅仅限于PC和笔记本
- 智能机器人中，不同部分由不同微处理器和传感器控制

8. 哈佛体系结构

嵌入式系统基本组成
- 硬件
  - 嵌入式微处理器
  - 程序存储器
  - 数据存储器
  - 其他定制电路
- 特点
  - 根据应用需求进行裁剪
  - 大多采用哈佛体系结构
计算机体系结构对比
- 冯诺依曼体系结构
  - 统一总线结构
  - 程序和数据共享同一存储空间
  - 指令执行步骤：取指令、解析指令、执行指令
  - 性能瓶颈：数据流传输
- 哈佛体系结构
  - 程序存储器和数据存储器分开
  - 独立的总线系统
  - 指令执行效率高
  - 指令和数据可重叠执行
应用场景
- 冯诺依曼体系结构
  - 台式机
  - 笔记本
  - 工作站
  - 高性能计算机
  - 典型代表: 英特尔 X86 微处理器
- 哈佛体系结构
  - 嵌入式系统
  - 数字信号处理系统
  - 典型代表: Micro chip 系列芯片

总结：
嵌入式系统硬件组成和特点
哈佛体系结构与冯诺依曼体系结构的区别
体系结构在不同领域的应用

9. DSP 简介

定义与特点
- 定义: 数字信号处理器(DSP)是一种专用微处理器，设计用于快速执行数字信号处理算法。
- 特点
  - 实时处理能力：适用于需要快速响应的应用场景。
  - 文件可编程性：具有高度灵活性，可以通过编程实现不同的信号处理功能。
  - 高速运算：能够以每秒几千兆次的速度执行复杂的数学运算。
  - 特殊结构：采用哈佛结构，程序和数据分开存储，支持同时访问指令和数据。
应用领域
- 音频处理
  - 声音均衡调节
  - 噪声过滤
  - 消除回声
- 语音处理
  - 语音识别
  - 智能语音交互
- 图像处理
  - 图像增强
  - 计算机视觉
  - 虚拟现实(VR)与增强现实(AR)
- 其他应用
  - 传感器数据处理
  - 通信调制解调
  - 生物医学信号处理
技术细节
- 运算能力
  - 单指令周期内可完成乘法和加法运算
  - 硬件执行器支持高效运算
- 结构特点
  - 采用硬件流水线结构，提高执行效率
  - 程序和数据分开存储，提升访问速度
- 应用示例
  - 智能手机中的音频、语音和图像处理
  - 高通骁龙处理器集成的 DSP 单元，用于成像、计算机视觉等
结构与组件
- DSP 核心组成
  - 计算 DSP：面向先进成像和计算机视觉
  - 调制解调 DSP：用于通信信号处理
  - 低功率 DSP：面向传感器数据处理，强调低功耗
- 双核结构
  - DSP + 通用CPU，实现高速信号处理与通用功能控制的结合

10.台式计算机组装步骤

计算机组装步骤
- 硬件列表
  - 电源
  - 主板
  - 适配卡
  - 内部驱动设备（硬盘、软盘、光驱）
  - 内部电缆（电源线、数据线）
  - 外部电缆（连接显示器、键盘、鼠标、网络设备）
- 主要硬件安装
  - CPU 安装在主板上，需配合风扇散热
  - 存储器（内存 RAM 和外存）
  - 总线连接 CPU 和内存
  - 外部存储器（硬盘、软盘、光驱）
主要部件详细讲解
- CPU
  - 计算机系统核心
  - 需要风扇散热
- 存储器
  - 内存（RAM）
  - 外存
- 总线
  - CPU 与内存通信桥梁
  - 总线宽度影响传输性能
- 外部存储器
  - 存储文件系统
- 接口电路
  - 外部设备与主机通信的桥梁
  - 包括硬盘接口电路、网络接口卡、显示接口卡等