应用研发之基础知识 - 计算机硬件基础

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1:计算机的结构

   现代计算机依然是遵循冯·诺依曼的逻辑结构。

1.1 冯·诺依曼体系结构:

计算机由五个部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

       CPU:运算器+控制器+内存缓存

   存储器:内存

       输入输出设备(IO设备):磁盘,usb,鼠键,显卡,网卡等 可统一称为外部IO设备。通过IO接口交互,统一编址。

 

 特点

  1.    软硬件分离(程序与硬件分离),程序存储起来,cpu从存储中读取程序与数据进行计算

  2.         指令与数据一起参与计算

  3.         指令包括操作码+操作数

  4.         指令顺序执行(单处理器内)

  5.         指令在存储器中存放,由指令计数器指明要计算指令的存放地址。

 

1.2 总线-各部件间的连接

          CPU是大脑,总线是神经,负责各个硬件间的信息传递。

总线的指标

  1. 总线位宽(字长):一次传递的位数,32位,64位 等

  2. 总线频率:单位时间内运行次数

  3. 总线的带宽:单位时间内传递的数据量

        总线的带宽公式=总线的工作频率*总线的位宽/8

 

总线分类

            按传递信息内容分:数据总线,地址总线,控制总线。

            地址总线:CPU向外部传递存储设备及外部IO传递地址的。

             地址总线的位宽:决定cpu可直接寻址内存空间大小。

                        如地址总线为n位,则可寻址空间为2^n。

                                             一个地址存放一个字节B

                                            32位地址总线支持 2^32 B=4GB.,

 

1.3 影响性能的频率

CPU频率:CPU主频,决定CPU的运行速度

系统总线频率:也称外频, CPU与外部(主板芯片组)交换数据、指令的工作时钟频率。

倍频:倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。

三者关系是:主频=外频x倍频



读写性能-带宽

指 单位时间内传递的数据量

内存读写速度,受限总线频率与内存的等效频率,频率越高一次读写越快,位数越大一次读取的数据越多。

总线带宽:CPU与总线交换的带宽,=CPU主频*64/8

内存带宽:内存频率*系数*64/8,新内存可以多通道,DDR一个震荡可以做两次数据传递。系数=4。内存位宽不只64,有128,256.

如果CPU与总线的读写带宽与内存的读写带宽不一致,实际带宽就受限于慢的一方。 

内存与比CPU慢,因此cpu中内存高速缓存,并结合预取技术,很多数据提前进入高速缓存。读取某个数据,跟他相邻的可能后续要读取,就预先取到高速缓存。

               

1.4 CPU

CPU的是 大脑,协调所有硬件。运算的实际执行者,CPU从存储器读取指令进行计算,指令按顺序执行。

 

 CPU结构

  运算器+控制器

  运算器---数据流

  控制器---指令流

 CPU逻辑封装

  内部:电路的开关控制。

   对外API: 指令集,通常说的机器指令。上层(操作系统)通过指令集与CPU交互。

指令集:cpu可采用不同指令集的提供不同的规范,如X86,ARM指令集。

内部不同实现:电路的封装控制,即cpu的微架构,同一个规范(指令集)可有多种实现。   如Intel、高

通采用不同微架构实现X86指令集。

     指令内容:运算指令+地址 

CPU指标

位数:16,32,64

频率:1秒内发生的同步脉冲数,决定速度。3-4GHZ

架构:内部设计,高效节能。

制程:越小越好 7nm

核心数:晶体管体积减小的天花板到来。多个核心一起运行多个任务提升总体性能--多个核心才能真正的并

行计算。也为多线程带来问题。

内部高速缓存:可减少读取内存

频率决定让一个计算最快多快,核心数决定可以并行多少个计算。

 

CPU架构的复杂度进化

       支持的指令集(电路复杂)

       高速缓存:提高性能,同时引入复杂性。

       多核心:为提高性能引入的复杂性。

 

最特殊的驱动:CPU驱动。

          主板集成,BIOS中 

1.5 内存

工作频率,存储容量

 内存速度:内存频率*内存位数/8

 地址:存储的位置,数据与要执行指令都在存储器中存放,每个字节一个地址。



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还未添加个人签名 2018.07.20 加入

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