最近在学计算机组成原理，把课上和书上反复出现的概念串成一篇笔记，方便自己以后回看，也分享给同样在学这门课的朋友。
一、计算机在干什么：结构与控制
1. 冯·诺依曼体系结构
现代计算机大多仍围绕两个想法展开：
- 存储程序：程序与数据都以二进制形式放在存储器里，按地址读写。
- 程序控制：在程序驱动下自动、顺序执行指令，各部件协同工作。
五大部件各自分工：运算器做算术与逻辑运算，控制器负责取指译码和发控制信号，存储器保存程序与数据，输入/输出设备负责与外界交换信息。
2. 一条指令要走哪些阶段
| 阶段 | 主要任务 |
|---|---|
| 取指（IF） | 按 PC 从主存取指令，PC 通常自增 |
| 间址（IND） | 间接寻址时再取一次有效地址 |
| 执行（EX） | 完成运算、数据传送等 |
| 中断（INT） | 响应中断，保存断点并转服务程序 |
并不是每条指令都会经历全部阶段：只有间接寻址才需要间址周期；只有执行结束时有中断请求才会进入中断周期。
3. 控制器：硬布线还是微程序
- 硬布线控制器：用组合逻辑直接产生控制信号，延迟小、速度快，但改控制逻辑要动硬件；RISC 指令规整，常采用这种方式追求性能。
- 微程序控制器：把控制信号编成微指令放在控制存储器里，修改方便，速度相对慢一些；CISC 指令复杂，用微程序更易扩展。
4. SRAM 和 DRAM 各用在哪
| 维度 | SRAM | DRAM |
|---|---|---|
| 存储单元 | 触发器（约 6 管） | 电容 + 单管 |
| 速度 | 快 | 较慢（需周期性刷新） |
| 集成度与成本 | 集成度低、成本高 | 集成度高、成本低 |
| 常见位置 | Cache | 主存（内存） |
5. Cache 怎么映射到主存
- 直接映射：每个主存块固定对应 Cache 中一行，电路简单，但容易发生块冲突。
- 全相联：主存块可放进 Cache 任意行，冲突少，标记比较逻辑更复杂。
- 组相联：先按组索引定位到某一组，再在组内多路放置，是工程里很常见的折中。
二、数据在机器里长什么样
补码与溢出
定点整数常用补码：正数补码即原码；负数在符号位为 1 的前提下，数值部分按位取反再加 1。判断溢出时，变形补码（双符号位） 很实用：结果高位两个符号位相同表示无溢出，不同则表示溢出。
IEEE 754 单精度浮点数
32 位布局：1 位符号 S + 8 位阶码（偏置 127）+ 23 位尾数（规格化数隐含前导 1）。
十进制真值可写成：
其中 是阶码的无符号数值， 是尾数的小数部分。
三、Cache 与主存：几个常用关系
分析 Cache 题目时，我一般会按这几步想：
- 组数：
- 地址划分：标记 Tag + 组索引 Index + 块内偏移 Offset，位数加起来等于主存地址线数。
- 平均存取时间：， 为命中率。
- LRU 替换：命中则更新“最近使用”顺序；缺失则淘汰最久未用的那一行。
四、I/O 和 CPU 性能怎么估算
程序中断式 I/O：每秒中断次数 ≈ 数据传输速率 ÷ 每次传输字节数；CPU 为处理该设备中断占用的比例，可粗略用（中断次数 × 每次处理周期数）÷ CPU 主频来估。
程序执行时间：执行时间 = 指令条数 IC × 平均 CPI ÷ 主频；加权平均 CPI = 各类指令条数与 CPI 乘积之和，再除以总指令条数 IC。
五、数据通路与存储器扩展
单总线结构下的取指微操作（示例）
MAR ← PC → PC ← PC+1 并启动读主存 → MDR ← M[MAR] → IR ← MDR
四步把一条指令从主存送进指令寄存器，是理解后续执行周期的基础。
用多片小容量芯片拼大容量主存
当单片规格（如 16K×8）达不到目标（如 64K×16）时，往往需要 字扩展 + 位扩展 同时进行：位方向上并联芯片凑齐数据位宽，字方向上靠片选信号选中不同芯片组。地址线通常低位作片内地址，高位作片选或组选。
六、流水线里的数据相关
RAW（写后读） 最常见：前一条指令写某个寄存器，后一条马上读它。例如先 SUB R3, R2, R1 再 ADD R4, R3, R1，就是 I1→I2：R3 相关。
常见应对方式包括：前推（Forwarding） 把运算结果旁路到后面指令的输入端、插入气泡（Stall） 等待写回完成、以及编译器 指令调度 在中间插入无关指令拉开距离。
写在最后
对我来说，这门课比较适合按一条线理解：整体结构 → 指令与控制 → 数的表示与运算 → 存储层次与 Cache → I/O 与性能 → 总线与扩展 → 流水线。中间涉及的补码与溢出、浮点格式、Cache 地址划分、CPI 与执行时间、芯片扩展与 RAW 相关，都是反复会碰到的话题。
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