计算机组成简述

系统硬件组成

计算机主要由 4 个部分组成

1. 总线：贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块 ，也就是字（word)。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数 ，各个系统中都不尽相同。现在的大多数机器字长要么是 4 个字节（32位）， 要么是 8 个字节（64位）。
2. I/O 设备：(Input/Output)输入输出设备，包括键盘、显示器、磁盘、等。
3. 主存：主存是计算机中的临时存储器，用来存放正在运行的程序和数据，断电数据就会丢失。它的容量比较小，速度比较快，但是比较昂贵。主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成的。
4. CPU：处理器，是计算机的核心，它负责执行程序中的指令，控制其他部件的工作。它的主要组成部分有算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器和总线。

其中，CPU 主要做以下几个操作：

• 加载：将数据从主存复制到 CPU 的寄存器中
• 存储：将数据从 CPU 的寄存器复制到主存中
• 算术运算：把两个寄存器的内容复制到 ALU 中，ALU 对数据进行算术运算，然后将结果存储到寄存器中
• 跳转：从指令中取出一个地址，然后把这个地址复制到 PC 中，从而改变程序的执行顺序

高速缓存

由于 CPU 从寄存器中读取数据的速度是从主存中读取数据速度几百倍。所以主存成了拖慢 CPU 速度的主要原因，为了提高 CPU 的速度，引入了高速缓存（Cache）的概念。

高速缓存（Cache）是一种存储器，它位于主存和 CPU 之间，用来存放最近使用的数据和指令。高速缓存的容量比主存小，但是速度比主存快，所以 CPU 可以从高速缓存中读取数据和指令，而不必每次都到主存中读取。高速缓存的容量和速度都比较昂贵，所以一般只有少量的高速缓存。

现在一般比较新的处理器有有三级高速缓存：L1、L2、L3，它们是用一种叫做静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。

CPU 访问 L1 的速度和访问寄存器一样快，后面的 L2、L3 缓存由于离 CPU 更远，所以速度会慢一些。

存储设备层次结构

每个计算机系统中的存储设备都被组织成了一个存储器层次结构。在这个层次结构中，从上至下，设备的访问速度越来越慢、容量越来越大，并且每字节的造价也越来越便宜。寄存器文件在层次结构中位于最顶部 ，也就是第 0 级或记为 L0。这里我们展示的是三层高速缓存 L1 到 L3,占据存储器层次结构的第 1 层到第 3 层。主存在第 4 层，以此类推。

多核 CPU

多核 CPU 是指一个 CPU 包含多个核心，每个核心都有自己的寄存器文件和高速缓存。多核 CPU 的主要优点是可以同时执行多个程序，从而提高 CPU 的利用率。