【计算组成原理笔记01】计算机系统概述|跳出课本平铺直叙,从“需求演进”看懂冯诺依曼架构
很多计组开篇笔记一上来直接罗列五大部件很容易让人觉得枯燥、零散。我们换一个思路所有硬件架构本质都是前人在解决一个个真实痛点迭代出来的产物而不是凭空设计的标准答案。顺着「遇到什么麻烦→想出什么方案→方案有什么短板」这条线索整章逻辑会串起来。✨冷门小故事EDVAC报告的“误会”绝大多数资料只会说冯·诺依曼提出存储程序但很少提到这份著名的《关于EDVAC的报告草案》是一份多人合作手稿冯·诺依曼只是执笔人之一。ENIAC没有存储程序换计算任务要重新接线。工程师一开始的想法只是想把控制指令存进存储器里不用反复插拔线缆。而二进制只是配套选择——十进制电路元件复杂、容错差二进制只有0和1电路实现最简单。也就是说存储程序才是核心革命二进制是配套妥协方案这个视角和课本顺序刚好反过来。五大硬件不是背诵清单是分工闭环重新理解五大部件区分【控制链路】和【数据链路】1. 运算器数据加工单元只负责数值、逻辑运算本身没有自主判断能力2. 控制器调度中枢读取指令、解析指令、按时序发出控制信号组合提示运算器 控制器 CPU。一个干活一个发号施令。3. 主存储器同时存放指令数据冯诺依曼特征是CPU唯一直接高速访问的仓库4. 输入设备信息编码器把现实信号翻译成二进制比特流送入系统5. 输出设备信息解码器把二进制还原为人可感知的图像、声音、文字一个容易忽略的点输入输出设备不直接参与运算只负责信号格式转换。软硬件等价性换个角度理解课本定义同一功能可由硬件或软件实现。换一个思考方式硬件负责固定、高频、追求速度的基础动作软件负责灵活、低频、需要频繁改动的逻辑。举个例子加法用硬件加法器高频速度优先复杂的加密算法早期很多靠软件循环实现需求经常迭代硬件固化后不好改。现在随着需求变化很多加密又做成硬件加速模块。没有绝对的好坏这是成本、速度、灵活性三者的取舍而不是非黑即白。性能指标避开“唯主频论”陷阱主频相当于工厂的节拍器只能代表节拍快慢不等于产能。CPI完成一条指令平均消耗几个节拍。如果指令复杂CPI很高再高的主频也快不起来。MIPS单位时间完工的指令数量吞吐量单位时间整体任务交付量新颖避坑点MIPS有天然缺陷不同指令复杂度不一样同样MIPS机器实际性能差距巨大现代评测很少单用MIPS衡量。️冯诺依曼结构 vs 哈佛结构瓶颈根源冯诺依曼结构指令、数据共享一套总线、同一个存储空间。优点结构简洁痛点就是总线抢带宽CPU算得快取指令和读数据排队也就是冯诺依曼瓶颈。桌面电脑、手机主CPU都是这个架构。哈佛结构指令存储、数据存储完全分离双通路并行访问。优势天然并行缺点硬件成本更高。多用于单片机、DSP信号芯片。拓展小思考现代CPU的L1 Cache很多拆成指令Cache和数据Cache本质就是在冯诺依曼大框架里面局部借用哈佛的思路缓解瓶颈这个拓展点大部分基础笔记不会写。三层概念区分简答拔高1. 系统结构面向程序员的抽象视图指令集、寻址、存储地址空间2. 计算机组成硬件通路怎么搭建、控制信号怎么设计3. 硬件实现晶体管、版图、芯片工艺的物理落地一句话总结结构定规则组成搭通路实现造管子。专属学习思路第一章不要直接背名词画两条流指令流、数据流看信息在机器里面怎么走后面存储、CPU章节全部沿用这套数据流思维。️本章思维导图markmap

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