計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)為大多數(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)。本計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指南描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同部分及其關(guān)系。通常要求學(xué)生了解 CPU 的體系結(jié)構(gòu)和主要 CPU 組件、主存儲(chǔ)器的作用以及 RAM 和 ROM 之間的區(qū)別。其他研究主題包括高速緩存的用途、機(jī)器指令周期以及輔助存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的作用。

1. 入門：需要了解的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

以下定義將幫助您了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：

• 緩存
• 中央處理器
• 硬件
• 機(jī)器指令周期
• 主存儲(chǔ)器
• 網(wǎng)絡(luò)
• 外圍設(shè)備
• 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)
• 只讀存儲(chǔ)器 (ROM)
• 輔助記憶
• 軟件

2.中央處理器（CPU）的架構(gòu)

中央處理器(CPU) 是進(jìn)行大多數(shù)計(jì)算的地方。它是計(jì)算機(jī)的內(nèi)部組件，通常被稱為計(jì)算機(jī)的“大腦”。現(xiàn)代 CPU 體積小且呈方形，底部包含多個(gè)金屬連接器或引腳。CPU 直接插入主板上的 CPU 插槽，引腳朝下。就計(jì)算能力而言，CPU 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的元素。

3. CPU的主要組成部分

算術(shù)邏輯單元

算術(shù)邏輯單元 (ALU) 執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。它是臨時(shí)保存數(shù)據(jù)和進(jìn)行計(jì)算的地方。

控制單元

控制單元 (CU) 控制和解釋指令的執(zhí)行它從內(nèi)存中提取指令并解碼并執(zhí)行它們，必要時(shí)調(diào)用 ALU。

4. 圖表：元素之間的關(guān)系

下圖顯示了 CPU、輸入和輸出以及存儲(chǔ)的元素之間的關(guān)系。

5. 主記憶解釋

有兩種類型的物理內(nèi)存：主內(nèi)存和輔助內(nèi)存。主存儲(chǔ)器是易失性存儲(chǔ)器。二級(jí)存儲(chǔ)器（二級(jí)存儲(chǔ)）是非易失性的。

主存（也稱為主存或主存）的主要功能是執(zhí)行程序代碼和存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)。主內(nèi)存是處理器首先訪問的內(nèi)存。內(nèi)存位于主板上的芯片上。主內(nèi)存存儲(chǔ)運(yùn)行操作系統(tǒng) (OS) 的應(yīng)用程序、用戶界面和安裝的軟件實(shí)用程序。

計(jì)算機(jī)只能操作主存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。每個(gè)執(zhí)行的程序和訪問的每個(gè)文件都必須從存儲(chǔ)設(shè)備復(fù)制到主存中。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中主存儲(chǔ)器的數(shù)量決定了一次可以執(zhí)行多少程序以及程序可以隨時(shí)使用多少數(shù)據(jù)。

你可知道…？?一個(gè)小程序（稱為引導(dǎo)加載程序或引導(dǎo)加載程序）存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器中。它在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將操作系統(tǒng)加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，并且程序也會(huì)啟動(dòng)操作系統(tǒng)。此過程稱為“啟動(dòng)”計(jì)算機(jī)。

6.主存儲(chǔ)器：RAM和ROM

主存儲(chǔ)器的示例包括 RAM 和 ROM。

什么是內(nèi)存？

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM) 是一種易失性存儲(chǔ)器，是計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備（如打印機(jī)）中最常見的存儲(chǔ)器類型。RAM 需要電流來保留數(shù)據(jù)（例如，計(jì)算機(jī)已打開電源）。

什么是只讀存儲(chǔ)器？

只讀存儲(chǔ)器 (ROM) 是一種非易失性存儲(chǔ)器，是預(yù)先記錄了數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。ROM 將在沒有電流的情況下保留數(shù)據(jù)（例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)閉時(shí)）。

7. 輔助記憶的作用

輔助存儲(chǔ)器（也稱為輔助存儲(chǔ)器）是存儲(chǔ)設(shè)備：硬盤驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器、可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)——包括閃存驅(qū)動(dòng)器和 DVD。

CPU 不像主內(nèi)存那樣直接訪問輔助內(nèi)存。相反，來自輔助存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)被加載到 RAM 中，然后發(fā)送到處理器。它將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞔鎯?chǔ)中的中間區(qū)域。雖然輔助內(nèi)存比主內(nèi)存慢得多，但它提供了更大的存儲(chǔ)容量。

8. 持久存儲(chǔ)

持久性存儲(chǔ)（斷電后不會(huì)丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中極為重要。需要在程序運(yùn)行期間和運(yùn)行后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性設(shè)備中，以保存文件和數(shù)據(jù)以備后用。硬盤驅(qū)動(dòng)器是持久存儲(chǔ)的常見示例。

9. CACHE MEMORY的用途

高速緩存（也稱為 CPU 緩存）是一種高速存儲(chǔ)機(jī)制，它是主存的保留部分或獨(dú)立的高速存儲(chǔ)設(shè)備。CPU 高速緩存減少了從主存儲(chǔ)器訪問數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。現(xiàn)代 CPU 有不同的獨(dú)立緩存，例如指令和數(shù)據(jù)緩存。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的緩存有兩種類型：內(nèi)存緩存和磁盤緩存。

什么是內(nèi)存緩存？

內(nèi)存緩存，有時(shí)稱為 RAM 緩存，是由高速靜態(tài) RAM (SRAM) 組成的內(nèi)存的一部分，而不是用于主內(nèi)存的較慢且更便宜的動(dòng)態(tài) RAM (DRAM)。內(nèi)存緩存是有效的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)程序一遍又一遍地訪問相同的數(shù)據(jù)或指令。

什么是磁盤緩存？

磁盤緩存的工作原理與內(nèi)存緩存相同，但磁盤緩存不是使用高速 SRAM，而是使用傳統(tǒng)的主內(nèi)存。磁盤緩存可以顯著提高應(yīng)用程序的性能，因?yàn)樵L問 RAM 中的數(shù)據(jù)字節(jié)可能比訪問硬盤中的字節(jié)快數(shù)千倍。

10.機(jī)器指令周期

指令周期是指當(dāng)給計(jì)算機(jī)一個(gè)機(jī)器語(yǔ)言指令時(shí)，從內(nèi)存中取出一條指令并執(zhí)行的時(shí)間段。CPU 執(zhí)行指令周期的以下四個(gè)階段：

1.從內(nèi)存中取出指令。此步驟將指令帶入指令寄存器，這是一個(gè)保存指令的電路，以便可以對(duì)其進(jìn)行解碼和執(zhí)行。

2.解碼指令。用于參考數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算。

3.如果指令有間接地址，則從內(nèi)存中讀取有效地址。

4.執(zhí)行指令。這結(jié)合了所有步驟。

注意：第 1 步和第 2 步稱為取指周期，對(duì)于每條指令都是相同的。第 3 步和第 4 步稱為執(zhí)行周期，每條指令都會(huì)發(fā)生變化。