计算机系统概述

计算机系统 （Computer System）指用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统。计算机系统可划分为硬件（子系统）和软件（子系统）两部分。硬件由机械、电子元器件、磁介质和光介质等物理实体构成，如：处理器（运算单元、控制单元）、存储器、输入设备和输出设备等。软件是按照特定顺序组织的数据和指令，并控制硬件完成指定的功能。软件可以进一步分为：系统软件、应用软件。典型计算机系统的组成如下图：

计算机系统分类，可以如下图所示：

计算机硬件

1 计算机硬件组成

计算机组成结构（Computer Architecture）源于冯·诺依曼计算机体系结构，该结构成为现代计算机系统发展的基础。计算机体系结构分为5部分：处理器、存储器、总线、接口和外部设备。

2 处理器

处理器（Central Processing Unit，CPU）经历了长期的演化：

• 位宽从4位发展到现在位。
• 在能力构成上从仅具有运算和控制功能发展到集成多级缓存、多种通信总线和接口。
• 在内核上从单核发展为多核、异构多核、众核处理器。

处理器的指令集按复杂度分为：

• 复杂指令集（Complex Instruction Set Computers，CISC）：以Intel、AMD的x86为代表。
• 精简指令集（Reduced Instruction Set Computers，RISC）：以ARM、Power为代表。

下图是一个典型处理器体系结构示意图。

指令通过MMU-Cache的存储结构，从内存等存储设备中取得相应的软件代码指令并完成译码和控制操作，控制存取部件从存储设备中取得新的数据，控制寄存器组为运算器准备有关寄存器数据，并准备好结果寄存器，控制整型、浮点、向量等运算部件开展运算。运算部件、寄存器单元、存取部件将执行结果通知完成部件，并完成部件中完成结果的排队，有完成部件向指令部件反馈执行结果，控制指令的顺序执行、跳转等时序。

除通用处理器外，现在专用处理器不断涌现，常见的专用处理器包括：

• 图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）：具有数百或数千个内核，经过优化可并行运行大量计算，近期在深度学习、机器学习领域得到广泛应用。GPU是一种特殊类型处理器，具有数百个或数千个内核，经过优化可并行运行大量计算，在深度学习和机器学习领域广泛应用。
• 信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）：专用于实时数字信号处理，通过采用饱和算法处理溢出问题，通过成绩累加运算提供矩阵运算效率，以傅里叶变化设计专用指令等方法，在各类高速信号采集设备中广泛应用。
• 现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）一种多功能集成电路（IC），最终用户可以编程以执行广泛的功能。FPGA由一系列可配置逻辑块（CLB）、互连和I/O块组成，这些块可以配置为执行各种功能。FPGA架构的配置通常使用一种语言来指定，即HDL（硬件描述语言），它类似于ASIC（特定应用程序集成电路）使用的语言。

3 存储器

存储器利用半导体、磁、光介质制成用于存储数据的电子设备。根据其硬件结构可分为：SRAM（Static Random Access Memory）、DRAM、NVRAM、Flash、EPROM、Disk等。存储根据性能往往采用分层体系（Memory Hierarchy）结构，按照与处理器的物理距离可分为4个层次（也是读写性能按距处理器由近到远的顺序）：

1. 片上缓存：在处理器核心内直接集成缓存，一般为SRAM结构，实现数据快速读取。容量一般在16kB~512kB，一般是CPU的1、2级cache。
2. 片外缓存：处理器核心外的缓存，一般也是SRAM，容量256kB~4MB。按层级被称为L2Cache或L3Cache，或称为Platform Cache。
3. 主存（内存）：通常采用DRAM结构，以独立的部件/芯片存在，通过总线与CPU连接。DRAM依赖不断充电维持其中数据，容量在数百MB至数十GB。
4. 外存：磁带、磁盘、光盘、Flash等介质，读写速度慢，但容量大。容量在GB、TB级别。由于数据不易失（在下电情况下仍然能够存储数据），数据维持的时间：Flash在年以上，光盘数十年，磁盘在年以上，磁带在年以上。

SRAM存储器（Static Random Access Memory）是一种静态随机存取存储器，具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。SRAM的主要优点是速度快，因为它不需要周期性地刷新数据，这使得它在断电后数据会丢失，因此被称为易失性存储器。与DRAM（动态随机存取存储器）相比，SRAM的成本更高且集成度较低，通常用于小容量的高速缓存，如CPU的L1和L2缓存。

SRAM的架构多样，每种架构都针对特定的应用场景进行优化。它通常由6个晶体管构成，每个SRAM的容量为1bit。尽管SRAM的成本较高且容量较小，但由于其高速访问的特性，它仍然是许多高性能系统的关键组件。

DRAM存储器是动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory）的简称，它是一种利用电容存储电荷来代表二进制数据的半导体存储器。由于电容会随时间慢慢放电，DRAM需要定期刷新（重新充电）来保持数据的完整性，因此被称为“动态”存储器。DRAM是最常见的RAM类型之一，因其成本较低且集成度高，可以制造出较大容量的内存模块。

与静态随机存取存储器（SRAM）不同，SRAM使用触发器来存储数据，不需要刷新，因此速度更快但成本更高。DRAM则因其较低的成本和较高的集成度，通常用于较大的内存需求场景。

3 总线

总线（Bus）是指计算机部件间遵循某一特定协议实现数据交换的形式，即以一种特定格式按照规定的控制逻辑实现部件的数据传输。

总线按照位置划分为：内总线、系统总线、外部总线。

• 内总线：用于各类芯片内部互连，也可称为片上总线（On-Chip Bus）或片内总线。
• 系统总线：指计算机中CPU、主存、I/O接口的总线，狭义的系统总线就是CPU与主存、通信桥连接的总线；广义的系统总线计算机系统内，经系统总线再次级联的总线，常被称为局部总线（Local Bus）。
• 外部总线：计算机板和设备之间或计算机之间互连的总线，又称通信总线。

总线直接通过Bridge实现连接，主要实现总线协议间的转换。

总线的性能指标：

• 总线带宽
• 总线服务质量QoS（Quality of Service）

QoS（Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制， 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。QoS的保证对于容量有限的网络来说是十分重要的，特别是对于流多媒体应用，例如VoIP和IPTV等，因为这些应用常常需要固定的传输率，对延时也比较敏感。

• 总线时延
• 总线抖动

总线抖动是指在高速数字总线系统中，信号的实际边缘与理想位置之间的短期偏离。这种偏离会导致系统性能下降，甚至引发错误。总线抖动的主要来源包括串扰、信号反射、时钟抖动等。

4 接口

接口是同一计算机不同功能之间的通信规则。

常见的接口：

• 显示类接口：HDMI（High Definition Multimedia Interface）、DVI（Digital Visual Interface）、VGA（Video Graphics Array）。
• 音频输入类接口：
• TRS（TRS connectorTRS connector）三个组成部件的首字母缩写：Tip（尖）、Ring（环）、Sleeve（套）

• 网络类接口：
• RJ45，RJ45是布线系统中信息插座（即通信引出端）连接器的一种，连接器由插头（接头、水晶头）和插座（模块）组成，插头有8个凹槽和8个触点。RJ是Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”。在FCC（美国联邦通信委员会标准和规章）中RJ是描述公用电信网络的接口，计算机网络的RJ45是标准8位模块化接口的俗称。

• PS/2接口，是一种PC兼容型计算机系统上的接口，可以用来链接键盘及鼠标。
• USB接口，外设与计算机之间数据同步。
• SATA接口，用于硬盘数据传输。
• LPT打印接口。
• RS-接口，又称EIA RS-，是常用的串行通信接口标准RS-标准接口（又称EIA RS-）是常用的串行通信接口标准。

一种总线可能存在多种接口。

5 外部设备

• PC常见外设：键盘、鼠标、显示器、扫描仪、摄像头、麦克风、打印机、光驱、各型网卡、各型存储卡/盘等。
• 移动设备场景外设：加速计、GPS、陀螺仪、感光设备、指纹识别设备。
• 工业控制、航空航天、医疗等领域的特定外设：测温仪、测速仪、轨迹球、各类操作面板、红外/NFC等感应设备、各种场强测量设备、功率驱动装置、各类机械臂、各型液压设备、油门杆、驾驶杆等。

附录

FPGA

引用自：什么是FPGA（现场可编程门阵列）？它是如何工作的？

https://blog.csdn.net/iNostory/article/details/

FPGA架构

1. 可配置逻辑块（CLB）：作为FPGA功能的核心，这些块包含逻辑门和少量内存，可以编程执行各种逻辑功能。它们是创建更复杂的数字电路的基石。

LUT（查找表）实现组合逻辑函数；MUX（多路复用器）用于选择逻辑，DFF（D型触发器）存储LUT的输出。

2. 可编程互连：连接逻辑块的可编程布线网络。这些互连可以配置为在不同的逻辑块之间路由信号，允许通过定义数据如何连接FPGA来创建复杂的数字电路。

3. I/O块（输入/输出块）：位于每个输入或输出引脚旁边，这些块将FPGA的内部逻辑连接到外部环境。它们可以被编程为作为输入、输出或三态，使FPGA能够与外部设备和系统通信。

FPGA的类型

• 低端FPGA：为低功耗、低逻辑密度和低复杂性而开发。低端FPGA的例子有Altera的Cyclone系列、Xilinx的Spartan系列、Microsemi的Fusion系列和Lattice Semiconductor的Mach XO/ICE40。
• 中端FPGA：为平衡性能和成本而开发。中端FPGA的例子有来自Altera的Arria、来自Xlinix的Artix-7/Kintex-7系列、来自Microsemi的IGL002以及来自Lattice半导体的ECP3和ECP5系列。
• 高端FPGA：为高逻辑密度和高性能而开发。高端FPGA的例子有Altera的Stratix系列、Xilinx的Virtex系列、Achronix的Speedster 22i系列和Microsemi的ProASIC3系列。

FPGA的优势

• 灵活性：FPGA可以重新编程，以执行不同的任务，或在设备部署后再次更新其功能。这允许修改和改进，而无需重新设计硬件。
• 快速原型：设计师可以在FPGA上快速实施和测试他们的设计，使其成为原型和迭代开发过程的理想选择。
• 较低的初始成本：对于中小批量生产，与开发ASIC相比，FPGA的前期成本通常较低，因为没有涉及昂贵的制造成本。
• 缩短上市时间：由于FPGA在设计后不需要制造过程，它们可以大大缩短新设备的上市时间。

FPGA应用

• 电信：FPGA对于在不更换硬件的情况下进行信号处理和更新网络协议至关重要。
• 汽车系统：FPGA用于驾驶员辅助、信息娱乐和V2X通信，允许售后更新。
• 数据中心：加速数据处理、加密和网络管理，提高服务器效率。
• 航空航天和国防：FPGA在恶劣的环境中提供可靠性，处理雷达、通信和加密。
• 消费电子产品：用于相机、电视和家庭系统的处理，改善数字体验。
• 工业控制：简化控制系统、自动化和机器视觉，促进实时处理。
• 医疗和科学仪器：FPGA在成像设备中至关重要，可以快速处理复杂的算法，确保快速诊断。在数据采集和分析方面以精确和速度支持研究。
• 金融技术：通过低延迟、高吞吐量处理能力实现更快的高频交易。
• 人工智能和机器学习：加速AI/ML培训和推理，支持快速开发和部署。

FPGA与ASIC区别

虽然FPGA是具有可编程硬件结构的集成电路类型，但ASIC或特定应用集成电路是为特定应用或目的设计的半导体芯片类型。ASIC可以执行特定功能，一旦制造就无法重新编程或重新用途。以下是两者之间的比较：

总之，FPGA和ASIC之间的选择取决于具体的应用要求。FPGA因其适应性和快速部署而受到青睐，是不断变化的环境、原型和需要灵活性的中型生产的理想选择。相反，ASIC在效率方面表现出色，提供优化的性能和更低的功耗，使其成为大批量、稳定的应用程序的更好选择，这些应用程序的高初始成本可以被大规模生产优势所抵消。使用FPGA或ASIC的决定最终取决于所需的灵活性、性能需求、功耗和产量等因素。