计算机系统（一）——冯诺依曼体系

现代计算机的基本结构是由冯诺依曼提出的，冯诺依曼的体系结构体系如下图所示：

计算机由运算器、控制器、存储器（也就是内存）、输入设备、输出设备五大部件组成。

其中运算器和控制器组成cpu。
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 在冯诺依曼体系中，数据先从输入设备输入到内存中，运算时数据从内存中读出，在运输到运算器中，运算的结果在存入到内存中，在运送给输出设备进行输出。程序也是以数据的形式从内存中

运送给控制器，经过译码码在形成各种各样的控制信号，使得控制信号可以按一定的节奏，一步一步的控制输入设备输入数据，控制运算器进行运算，控制内存器的读写、控制输出设备输出设备。

从上图可以看出：

在传输数据中，cpu只与内存打交道，不与输入设备和输出设备直接打交道，输入设备要想传送数据给cpu，只能先传输到内存中，在由内存传送到cpu。

指令系统

计算机工作的本质是执行程序的过程，程序就是指令的序列，计算机在执行程序的过程会将程序中的语句（也就是代码）翻译成计算机能够读懂的机器指令，然后在根据指令的顺序逐条执行，从而完成一项特定的工作。

指令是指定计算机执行特定操作的命令，cpu根据指令来指挥和控制计算机各部分协调的动作，已完成操作，一条指令的基本格式：

 操作码指定操作特性和功能，如加法运算、减法运算、移位运算、存数、取数等

操作数指定指令所涉及操作数的地址，所以在指令格式中操作数也可以可用地址码表示。

计算机中所有的指令的集合称为计算机的指令系统，不同型号的指令系统的计算机的指令系统是不一样的，计算机能够理解指令是在cpu制造后就已经确定了，所以每个cpu都有自己的指令集，对于现代计算机的指令系统包含着数据的处理，数据的运出，程序的控制，输入/输出，状态管理和扩展指令系统等几类的指令。

     计算机执行指令的基本工作可以概括为：取指令，分析指令、执行指令三个阶段。

先从内存中取出指令运输给cpu，然后cpu分析指令要完成的任务，执行相应的操作，然后在取出下一条指令，如此周而复始，直到遇到停机指令或外来事件的干扰才停止。

 

cpu

cpu是计算机进行运算和控制的核心部件，主要由控制器和运算器组成。

控制器:

根据存放在内存中的指令序列来工作（指令也是程序），控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择下一步的工作流程。

控制器负责从内存中提取指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺，负责向其他部件发出控制信号，指挥并控制cpu、内存和输入输出设备之间数据流动的方向，保证各部件协调的工作。

运算器：

运算器是对数据进行算术和逻辑运算，运算器能够接受数据，且数据来自内存，且运算的结果又返回内存，运算器对内存的读写操作是在控制器的控制下进行的，运算器是由运算逻辑部件和若干个寄存器组成。运算逻辑部件是加法器，因为加、减、乘、除等运算都归为加法和位移操作；寄存器是临时存放数据、地址、控制信息、和cpu工作状态的状态的存储器。

数据总线宽度：

数据总线宽度也称字长，字长是指cpu可以同时处理和传输的数据位数，它反应了cpu能处理的数据宽度、精度、速度。例如64位计算机就是指数据总线宽度是64位

地址总线的宽度：

地址总线的宽度决定了cpu可以直接访问的内存物理地址空间。

Cache:

Cache是为了解决cpu与内存直接速度不匹配而采用的一种重要技术，cpu处理的指令和数据都来自内存，直接读取内存的数据会迟滞cpu的速度，所以cpu一般都包含Cache,包括L1 Cache（一级），L2 Cache（二级Cache），有的还有L3 Cache(三级Cache),Cache是可以快速进行存取数据的存储器，它可以使数据在内存和cpu更快的进行交换，Cache的存取速度大体与cpu的处理速度一样。

 

  当cpu要读取一个数据时，cpu先从Cache查找，如果找到了，就直接读取并传送给cpu，如果找不到，就从内存中读取，再传送给cpu，再把相关的数据块直接调入到Cache，这样cpu每次读取数据就直接从Cache中读取，就不用去内存读取，这使得cpu读取Cache的命中率非常高。

内存

程序中指令和需要处理的数据都存放在存储器中，在执行程序中，cpu必须经常和内存打交道。

内存的工作原理：首先需要从输入设备（硬盘，光盘等）将指定的文件（程序指令和数据），然后cpu频繁的与内存打交道，执行指令程序，进行数据操作，并将运行的最终结果运输输出设备中。

例如：你用c语言写了一个程序hello world，你要想在电脑屏幕上显示它，你必须先把该程序从硬盘加载到内存中，编译器在内存中把你的代码翻译成指令，然后控制器再指令一步一步的工作，将内存中的hello world的数据刷新到显示器上。

内存中每一个存储单元都有一个标识称为地址，数据以字的形式在内存中传入和传出。

地址与存储器单元是一 一对应的，一个数据存放在一个和多个字节中，cpu通过单元地址访问存储单元中的数据；往存储单元放新数据将被覆盖，但从存储单元中读出数据后原数据不被修改。

在微型计算机中，内存可分为RAM随机读写存储器，ROM只读存储器。

RAM：RAM是可读可写的存储器，又称读写存储器，其特点是随机读写，通电过程中存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。内存是临时存放数据、应用程序指令和操作系统的一组芯片，它存放了等待处理的原始数据、处理数据的指令和处理的结果。

除了数据应用软件指令外，内存中还存放了操作系统指令，这些指令控制着计算机系统的基本功能，每次启动计算机时，这些指令就会被装进到内存中，直到关机才消失。

ROM：

ROM主要用于存放计算机的启动程序，它的特点是，存储信息只能读出，不能随机改写或者存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。ROM的存储是永久性的且不易丢失，ROM的指令直接固化在电路里，永久地成为电路的一部分，即使计算机断电也不会消失。

在计算机开机时，cpu加电并且开始准备执行程序。由于电源关闭的时候RAM说空的，此时的ROM就要发挥作用。计算机主板上由一块特殊的ROM芯片，即基本的输入输出系统（BIOS）芯片，它保存重要的重要程序有加电自检程序（POST）、系统启动程序、参数设置程序、基本的外围驱动程序等 ，BIOS是连接软件程序与硬件设备的一座“桥梁”，没有它机器就无法启动。开机后最先执行，这些程序指示计算机如何访问硬盘、加载操作系统并显示启动信息。

 

外设

输入设备

输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。网卡，硬盘，键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔等都属于输入设备。

输出设备

输出设备是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机、硬盘，网卡等。

假设你想用qq给 张三发消息，你和张三的电脑都是冯诺依曼体系结构，此时你需要在键盘输入信息，然后加载到内存中，通过cpu将这条消息进行打包，打包完成后在返回给内存，内存再运输给你的电脑的显示器和网卡，网卡再通过网络将你的消息发送到张三的电脑的网卡上，张三电脑的网卡收到消息就将消息加载到

内存中，内存再把消息运输到cpu进行解包，在返回给内存中，内存再把消息刷新到张三的电脑的显示器，此时张三的电脑就收到你发的消息。

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