冯诺依曼计算机结构与硬件技术详解

冯诺依曼计算机是现代计算机架构的基础，其核心概念主要包括五个基本组成部分：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。这些部件之间遵循特定的规则，如指令和数据以平等地位存储在存储器中，通过地址寻址，采用二进制形式表示。指令由操作码和地址码构成，操作码指示操作类型，地址码指示操作数在内存的位置。指令执行通常按顺序进行，但在某些情况下可以根据运算结果或预设条件调整执行顺序。 计算机硬件的关键技术指标包括机器字长（决定寄存器的位数），存储容量（与存储单元数量和字长有关，如MAR*MDR），以及运算速度（以每秒百万次指令执行计，MIPS，同时考虑时钟周期CPI）。存储器的层次结构分为Cache-主存和主存-辅存两层。Cache-主存层次解决了CPU速度与主存速度不匹配的问题，提供快速访问，平衡了速度和成本。而主存-辅存层次则关注存储容量的扩展，使得程序员可以访问大量低成本的存储空间。 静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）是内存的不同类型。SRAM通过双稳态触发器保持信息，无需定期刷新，但功耗较高，集成度低，适合用作高速缓存或小容量主存，因其速度快且价格高。相比之下，DRAM依赖电容存储电荷，信息会随时间逐渐泄漏，需要定期刷新以防止信息丢失。刷新是为了补偿电容的漏电效应，有集中式、分散式、异步式和透明式等多种刷新方式。集中式刷新效率较低，分散式和异步式能减少对CPU的影响，而透明式刷新则让CPU无需感知刷新过程，提高了系统性能。 冯诺依曼计算机的设计原则和硬件特性是理解计算机体系结构的基础，而了解存储器层次结构和不同类型的RAM及其刷新机制则是优化系统性能和选择合适硬件的关键要素。