计算机基本组成概述

一、计算机系统的基本组成及层次结构

完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

• 硬件系统
  是计算机系统中看得见、摸得着的物理设备，是一种高度复杂的、由多种电子线路及精密机械装置等构成的，能自动且高速地完成数据计算与处理的装置或工具。
• 软件系统
  是计算机系统中的程序和相关数据，包括计算机资源管理、方便用户使用的系统软件和完成用户预期处理的应用软件。

也可以通过6个层次来认识计算机硬件和软件系统的组成关系。如下图所示，最下面两层属于硬件内容，最上面三层属于软件内容，中间的指令系统层连接硬件和软件两部分。

计算机系统层次结构

处在上面一层的是在下面一层的基础上实现的，处在下面一层的是上面一层实现的基础。

• 第零层：数字逻辑层
  着重体现实现计算机硬件的最重要的物质材料——电子线路，能够直接处理离散的数字信号。
• 第一层：微体系结构层
  也称其为计算机裸机，这一层着重体现的是：为了执行指令，需要在计算机中设置哪些功能部件，每个部件如何组成和怎样运行，这些部件如何实现相互连接并协同工作等方面的知识和技术。
• 第二层：指令系统层
  介于软件和硬件之间，它涉及确定提供哪些指令，包括指令能够处理的数据类型和对各种类型数据可以执行的运算，每条指令的格式和实现的功能，指出如何进行存储单元的读写操作，如何执行外围设备的输入和输出操作，对哪些数据进行运算，执行哪种运算，如何保存计算结果等。
• 第三层：操作系统层
  是计算机系统中最重要的系统软件，主要负责计算机系统中的资源管理与分配，以及向使用者提供简单、方便、高效的服务。
• 第四层：汇编语言层
  大体上可看成是对计算机机器语言符号化处理的结果，再加上一些为方便程序设计而实现的扩展功能。汇编语言经过汇编程序的翻译，将其转换为计算机机器语言后，可以在计算机硬件系统上予以执行。
• 第五层：高级语言层
  又称为算法语言，它的实现思路是着重面向解决实际问题所用的算法，更多的是考虑如何方便程序设计人员写出能解决问题的处理方案和解题过程。

通常把没有配备软件的纯硬件系统称为“裸机”，其对应上图的第一层；支持机器语言的叫L1虚拟机；增加了操作系统的叫L2虚拟机；支持汇编语言的叫L3虚拟机；支持高级语言的叫L4虚拟机。

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二、计算机硬件概述

计算机系统的核心功能是执行程序。

为此，首先必须有能力把要运行的程序和用到的原始数据输入到计算机内部并存储起来，接下来应该有办法逐条执行这个程序中的指令以完成数据运算并得到结果，最后还要输出运算结果供人检查和使用。

因此，一套计算机的硬件系统至少需要由下述5个相互连接在一起的部件或设备组成，如下图所示：

计算机硬件系统的组成示意图

• 数据输入设备
  把程序和原始数据输入计算机。
• 数据存储部件
  实现程序和数据的保存，图中指的是内存。
• 数据运算部件
  承担数据的运算和处理功能。
• 数据输出设备
  把运算及处理结果从计算机输出，供用户查看或长期保存。
• 计算机控制部件
  负责首先从存储部件取出指令并完成指令译码，然后根据每条指令运行功能的要求，向各个部件或设备提供它们所需要的控制信号，它在整个硬件系统中起着指挥、协调和控制的作用。

其中，数据运算部件、计算机控制部件和数据存储部件三者被安装在一个金属柜机或音质电路板上，被称为计算机的主机。而数据运算部件（运算器）和计算机控制部件（控制器）合称为计算机的中央处理器（CPU）。

数据输入设备和数据输出设备可以合成为输入输出设备，又称为计算机的外围设备。

计算机的三种类型的总线：

• 数据总线
  用于在部件或设备之间传送属于数据信息（指令和数据）的电气信号。
• 地址总线
  用于在部件或设备之间传送属于地址信息的电气信号，以选择数据存储部件中的一个存储单元，或外围设备中的一个设备。
• 控制总线
  用于向存储部件和外围设备传送起控制作用的电气信号，也就是指定在CPU和这些部件或设备之间数据传送的方向及操作的性质等。

在计算机中，普遍采用的体系结构是由冯·诺依曼提出来的，被称为存储程序的计算机体系结构。

早期计算机，各个部件是围绕着运算器来组织的，如下图所示，其特点是在存储器和输入输出设备之间传送数据都需要经过运算器。

围绕运算器的方案

在当前流行的计算机中，更常用的方案是围绕着存储器来组织的，如下图所示，这种方案是使输入输出操作尽可能地绕过CPU，直接在输入/输出设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行性能。

围绕存储器的方案

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三、计算机系统结构概述

计算机系统结构也称为计算机体系结构。

计算机系统结构的研究对象是计算机物理系统的抽象和定义，具体包括：

• 数据表示
  定点数、浮点数编码方式，硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等。
• 寻址方式
  最小寻址单位，寻址方式种类，地址计算等。
• 寄存器定义
  通用寄存器、专用寄存器等定义，结构，数量和作用等。
• 指令系统
  指令的操作类型和格式，指令间排序和控制等。
• 存储结构
  最小编址单位，编址方式，主存和辅存容量，最大编址空间等。
• 中断系统
  中断种类，中断优先级和中断屏蔽，中断响应，中断向量等。
• 机器工作状态定义和切换
  管态、目态等定义及切换。
• I/O系统
  I/O接口访问方式，I/O数据源、目的、传送量、I/O通信方式，I/O操作结束和出错处理等。
• 总线结构
  总线通信方式，总线仲裁方式，总线标准等。
• 系统安全与保密
  检错、纠错，可靠性分析，信息保护，系统安全管理等。

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四、计算机的主要性能指标

计算机的主要性能指标包括以下几项：

• 机器字长
• 数据通路宽度
• 主存容量
• 运算速度

1. 机器字长

机器字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的，所以机器字长一般等于内部寄存器的大小。

字长标志着精度，字长越长，计算的精度越高。

在计算机中，以字节（Byte）为基本单位，用大写的字母B表示，一个字节等于八位二进制位（bit）。

不同的计算机，字的长度也是不相同的，例如：Intel 80x86系列，一个字等于16位；IBM 303x系列，一个字等于32位。

2. 数据通路宽度

数据总线一次能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度。它影响到信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。

3. 主存容量

一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量。通常，以字节数来表示存储容量，这样的计算机称为字节编址的计算机。

计算机的主存容量越大，存放的信息就越多，处理问题的能力就越强。

4. 运算速度

计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作及主存本身的速度等。对运算速度的衡量有不同的方法：

• 根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度，乘上不同的系数，求得统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速度。
• 以每条指令执行所需时钟周期数来衡量运算速度。
• 以MIPS（每秒执行多少百万条指令）和MFLOPS（每秒执行多少百万次浮点运算）作为计量单位来衡量运算速度。

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