计算机的顶层视图
基本功能
- 数据处理
- 数据存储
- 数据传输
冯诺伊曼结构
哈佛结构
两者的不同之处在于：哈佛结构将存储器分为了指令存储器和数据存储器，两者分别有各自的总线
计算机顶层结构
早期：组件之间：分散方式；现在：总线方式
冯诺依曼最重要思想：存储程序
任何要计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始数据送入主
存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需要操作人员干预下，自动
完成逐条取出指令和执行指令的任务。
- 应该有个主存 ，用来存放程序和数据
- 程序由指令构成
- 应该有一个自动逐条取出指令的部件
- 应该有具体执行指令的部件
- 指令描述如何对数据进行处理
- 应该有将程序和原始数据输入计算机的部件
- 应该有将运算结果输出计算机的部件
关键概念：
- 指令和数据存储在单个读写存储器中
- 主存中内容按位置访问，无需考虑其中包含的类型
- CPU指令按顺序执行
- 与CPU和内存交换从外部收集来的数据
- 总线连接两个多个设备
计算机组件：CPU
包含中央处理单元、处理器
CPU的面积增大会导致互联延迟增大，从而导致时钟周期增大（时钟周期需要大于最长互连延迟）
问题1：CPU的频率不能无限提高
- 理论限制：经过开关和同步用的信号持续时间
- 制造限制：连线延迟会增大、频率高会导致损耗和散热高
方法：改进CPU芯片结构（第十五讲：指令周期和指令流水线/第十六讲：控制器）
问题2：内存墙的存在
- 主存和CPU之间传输数据的速度跟不上CPU的速度
方法：采用高速缓存Cache(第八讲：高速缓冲存储器Cache)
问题3：CPU等待I/O传输数据
- CPU在等待I/O设备时保持空闲
方法：使用中断：其他模块（例如I/O）可以中断正常处理顺序的机制。（第十四讲：指令系统）
中断检测：将中断周期加入指令周期
多重中断：顺序中断处理/嵌套中断处理
问题4：存储器兼顾存储容量、速度和成本
- 约束：容量越大越好，速度更上处理器，成本相对于其他组件合理
- 约束之间的关系：更短的访问时间，更高的每比特成本
方法：层次式存储结构（第七、八、九、十、十一、十二讲）
- 使用存储器层次结构而不是依赖单个存储器组件
问题5：I/O设备传输速率差异大
- I/O性能跟不上CPU速度的提升
解决方法：设立缓冲区/新的接口技术/不同的I/O操作技术（第十七讲：输入/输出）
问题6：计算机部件互连复杂
早期，组件之间用分散方式相连
方法：采用总线（第十三讲：总线）
- 数据传输类型：控制线、地址线、数据线