計算機體系結構為大多數計算機科學專業的學生介紹了系統設計基礎知識。本計算機體系結構學習指南描述了計算機系統的不同部分及其關系。通常要求學生了解 CPU 的體系結構和主要 CPU 組件、主存儲器的作用以及 RAM 和 ROM 之間的區別。其他研究主題包括高速緩存的用途、機器指令周期以及輔助存儲器在計算機體系結構中的作用。

1. 入門：需要了解的關鍵術語

以下定義將幫助您了解現代計算機體系結構：

• 緩存
• 中央處理器
• 硬件
• 機器指令周期
• 主存儲器
• 網絡
• 外圍設備
• 隨機存取存儲器 (RAM)
• 只讀存儲器 (ROM)
• 輔助記憶
• 軟件

2.中央處理器（CPU）的架構

中央處理器(CPU) 是進行大多數計算的地方。它是計算機的內部組件，通常被稱為計算機的“大腦”。現代 CPU 體積小且呈方形，底部包含多個金屬連接器或引腳。CPU 直接插入主板上的 CPU 插槽，引腳朝下。就計算能力而言，CPU 是計算機系統中最重要的元素。

3. CPU的主要組成部分

算術邏輯單元

算術邏輯單元 (ALU) 執行算術和邏輯運算。它是臨時保存數據和進行計算的地方。

控制單元

控制單元 (CU) 控制和解釋指令的執行它從內存中提取指令并解碼并執行它們，必要時調用 ALU。

4. 圖表：元素之間的關系

下圖顯示了 CPU、輸入和輸出以及存儲的元素之間的關系。

5. 主記憶解釋

有兩種類型的物理內存：主內存和輔助內存。主存儲器是易失性存儲器。二級存儲器（二級存儲）是非易失性的。

主存（也稱為主存或主存）的主要功能是執行程序代碼和存儲臨時數據。主內存是處理器首先訪問的內存。內存位于主板上的芯片上。主內存存儲運行操作系統 (OS) 的應用程序、用戶界面和安裝的軟件實用程序。

計算機只能操作主存儲器中的數據。每個執行的程序和訪問的每個文件都必須從存儲設備復制到主存中。計算機系統中主存儲器的數量決定了一次可以執行多少程序以及程序可以隨時使用多少數據。

你可知道…？?一個小程序（稱為引導加載程序或引導加載程序）存儲在主存儲器中。它在系統啟動時將操作系統加載到計算機的內存中，并且程序也會啟動操作系統。此過程稱為“啟動”計算機。

6.主存儲器：RAM和ROM

主存儲器的示例包括 RAM 和 ROM。

什么是內存？

隨機存取存儲器 (RAM) 是一種易失性存儲器，是計算機和其他設備（如打印機）中最常見的存儲器類型。RAM 需要電流來保留數據（例如，計算機已打開電源）。

什么是只讀存儲器？

只讀存儲器 (ROM) 是一種非易失性存儲器，是預先記錄了數據的計算機存儲器。ROM 將在沒有電流的情況下保留數據（例如，當計算機關閉時）。

7. 輔助記憶的作用

輔助存儲器（也稱為輔助存儲器）是存儲設備：硬盤驅動器、固態驅動器、可移動存儲介質——包括閃存驅動器和 DVD。

CPU 不像主內存那樣直接訪問輔助內存。相反，來自輔助存儲器的數據被加載到 RAM 中，然后發送到處理器。它將請求的數據傳輸到主存儲中的中間區域。雖然輔助內存比主內存慢得多，但它提供了更大的存儲容量。

8. 持久存儲

持久性存儲（斷電后不會丟失數據的存儲）在計算機系統中極為重要。需要在程序運行期間和運行后將數據存儲在非易失性設備中，以保存文件和數據以備后用。硬盤驅動器是持久存儲的常見示例。

9. CACHE MEMORY的用途

高速緩存（也稱為 CPU 緩存）是一種高速存儲機制，它是主存的保留部分或獨立的高速存儲設備。CPU 高速緩存減少了從主存儲器訪問數據所需的時間?，F代 CPU 有不同的獨立緩存，例如指令和數據緩存。

計算機系統中常用的緩存有兩種類型：內存緩存和磁盤緩存。

什么是內存緩存？

內存緩存，有時稱為 RAM 緩存，是由高速靜態 RAM (SRAM) 組成的內存的一部分，而不是用于主內存的較慢且更便宜的動態 RAM (DRAM)。內存緩存是有效的，因為大多數程序一遍又一遍地訪問相同的數據或指令。

什么是磁盤緩存？

磁盤緩存的工作原理與內存緩存相同，但磁盤緩存不是使用高速 SRAM，而是使用傳統的主內存。磁盤緩存可以顯著提高應用程序的性能，因為訪問 RAM 中的數據字節可能比訪問硬盤中的字節快數千倍。

10.機器指令周期

指令周期是指當給計算機一個機器語言指令時，從內存中取出一條指令并執行的時間段。CPU 執行指令周期的以下四個階段：

1.從內存中取出指令。此步驟將指令帶入指令寄存器，這是一個保存指令的電路，以便可以對其進行解碼和執行。

2.解碼指令。用于參考數據的數學和邏輯運算。

3.如果指令有間接地址，則從內存中讀取有效地址。

4.執行指令。這結合了所有步驟。

注意：第 1 步和第 2 步稱為取指周期，對于每條指令都是相同的。第 3 步和第 4 步稱為執行周期，每條指令都會發生變化。