数字电路
本篇截止目前仅考虑可用性，暂不考虑电路优化，因此不一定时最优
基础入门
二进制
- 通讯系统有 编码 和 解码 另个过程
- 早期为实现低成本通讯，引入【时序】概念，如 摩斯密码，亮几秒灭几秒
- 嵌入式中，硬件间为了少连线，也会采用时序的方式发送信号
- 表示一切
- 文字：常见编码 ASCLL码-8Bit GBK-16Bit加入繁体 utf8/unicode-1B->4B
- 图片：像素化、像素数字化；分小格-表示小格的颜色；RGB、RGBA表示
- 声音：采样率、量化；常用采样率44100HZ、48000HZ；量化-振幅高度-位深-一般16bit或24bit
- 视频：由图片与声音结合，类似帧动画；常见编码标准 H.264、H.265、AV1
- 位 bit
- 二进制中每位 bit 都是 0 或 1
- 一般用b表示，如 8b 表示 8位 8bit
- 计算机中最小数据单位
- 字节 Byte
- 8bit 组成一个字节，2的8次方共 256 种状态
- 一般用B表示，如 5B 表示 5个字节
- 其他计量单位
- 1K = 1024B 2的10次方B
- 1M = 1024K 2的20次方B
- 注意
- 生活中 100M宽带 指 100M bit
- 而内存中说 100M内存 指 100MB = 100*8M bit
数字电路
信息数字化后，可用二进制便捷的表示信息。数字电路就是研究如何用电表示二进制。高电平表示1，低电平表示0。
逻辑门电路
基础门电路
- 与门：两个输入都为高时，输出高，否则输出低
- 或门：两个输入，相同输出高，不同输出低
- 非门：输入高，输出低；输入低，输出高；可用继电器实现
扩展门电路
可由基础的三个门电路组合构成
- 异或门：两个输入，相同输出为低，不同输出为高；奇数出1，偶数出0
- 与非门：全1出0，其他出1
- 或非门：有1出0，全0出1
- 异或非门：相同出1，相异出0
运算器
加法
半加器 - 不考虑进位情况下，实现1位加法运算
- 利用门电路实现
1位加法器 - 考虑进位情况下，实现1位加法运算
- 利用门电路实现
多位加法运算器
- 使用多个全加器，实现多位的加法运算
- 三角形 - 隧道：实现同名隧道间互相连接，便于画示意图
- A 代表着4位的输入，分别是A0、A1、A2、A3
减法
- 半减器
- 1位减法器
- 多位减法器
锁存器与触发器
两个与非门
- 两个高电平 输入时为初始状态，两个输入一致时表示未启用
- 变换某个输入电路的输入时，更改存储的数据0/1
- 两个输入分别为 置为、复位
两个或非门
- 两个低电平 输入时为初始状态，两个输入一致时表示未启用
- 变换某个输入电路的输入时，更改存储的数据0/1
- 两个输入分别为 置为、复位
带en开关的SR锁存器
带en开关的D锁存器
优化省略，R复位输入控制
D触发器
仅在en的上升沿瞬间，发生数据的变化，从而避免D的不稳定，导致数据异常变化
- CPU中数据处理速度，由en上升沿变化速率决定，因此本质受时钟频率控制
4位寄存器实现
累计计算器
- 按下开关C时，执行一次运算
计算机组成原理
冯诺依曼模型
基于通用图灵机建造的计算器都是在存储器（内存/寄存器）上存储数据，鉴于程序和数据逻辑上都是相同的，因此程序也能存储在计算机的存储器中。
- 冯诺依曼的四个子系统
- 存储器：用来存储数据和程序的区域
- 算数逻辑单元（ALU）：进行计算的地方（算数运算、逻辑运算、位运算等）
- 控制单元：对存储器、算数逻辑单元、输入输出等子系统进行控制操作
- 输入/输出单元
- 输入子系统：负责从计算机外部接收输入数据
- 输出子系统：将计算机处理结果输出到计算机外部
- 主要概念
- 存储程序
- 程序必须存储在存储器（内存）中，意味着程序和数据应具有相同的格式，实际都以位模式（0、1）存储在内存中
- 指令的顺序执行
- 程序由一组数量有限的指令组成
- 控制单元从内存中提取一条指令，解释并执行指令；一条一条按顺序执行
- 存储程序
组成部件
三大部件：中央处理单元-CPU 主存储器-内存 输入输出子系统
中央处理单元CPU
- 分类
- 算数逻辑单元
- 控制单元
- 寄存器组：存储临时数据的高速独立存储单元
- 数据存储寄存器：保存运算的中间结果
- 指令寄存器IR：CPU从内存中逐条取出的指令，在这里解释并执行
- 程序计数器PC：保存当前正在执行的指令地址，执行完成时，计数器自动加1，指向下一条指令的内存地址
- 概念
- 内存集成到CPU中，能带来更高的性能、更低的功耗和更小的物理尺寸。
- 苹果、英特尔、AMD和台积电等厂商均有使用
主存储器 内存
- 存储单元的集合，每个存储单元都有唯一的地址标识
- 数据以“字”形式，在内存中传入传出，一般为8位，1字节
- 内存类型：RAM、ROM
- 随机存取存储器 RAM
- 断电后数据/程序丢失
- 只读存储器 ROM
- 断电数据不丢失，其中部分为制造商写入禁止随意修改的区域为系统盘
- 随机存取存储器 RAM
- 概念
- 高速缓冲存储器
- 存储数据比内存快，比寄存器慢，容量较小，被置于CPU和主存储器/内存之间
- CPU和存储器的连接
- 通常由三组线路进行连接，统称为总线：数据总线、地址总线、控制总线
- 数据总线：多根线组成，每根线每次传递1个位的数据；例32位计算机则拥有32根数据总线
- 地址总线：地址总线的线数取决于存储空间的大小。存储容量为2的n次方个字，那么地址总线一次需要传递n位的地址数据，因此需要n根线
- 控制总线：负责传送指令。计算机有2的m次方条控制指令，那么控制总线就需要m根
- 高速缓冲存储器
输入输出系统
- 分类
- 非存储设备：键盘、鼠标、显示器、打印机
- 存储设备/辅助存储设备：通常为 磁介质、光介质两种
- I/O 设备的连接
- 输入输出设备不能直接与CPU和内存的总线进行连接，本质上IO设备都是磁性或光学设备，比CPU电子设备慢的多。因此需要介质 I/O控制器 处理这种差异
- I/O控制器
- 连接输入输出设备到总线，每个I/O设备都有一个特定的控制器
- 分类
- 串行控制器：只有一根数据线连接在设备上
- 并行控制器：多根线连接在设备上，能同时传递多个位
- 常用控制器：SCSI、火线、USB、HDMI
程序的执行
- 机器周期
- CPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，由开始到结束
- 一个周期包含：
- 取对应地址指令 ->
- 译码【产生系统可执行的二进制代码】 ->
- 执行
体系结构
CISC 复杂指令集计算机
- 设计策略：使用大量指令，包含复杂指令
- 优点-程序易设计；缺点-指令集、电路复杂
- 优化方案：CPU不直接执行机器语言指令，只执行复杂指令转化后的一系列微操作【微程序设计】
- 应用：英特尔开发的奔腾系列CPU、i3-i7-i9
RISC 精简指令计算机
- 设计策略：使用少量的指令完成最少的简单操作
- 缺点：程序设计更难，复杂指令需要用简单指令模拟
- 应用：ARM、苹果M1、M2、高通、骁龙
流水线【多线程】
