计算机导论03-计算机组成

计算机系统结构

冯•诺依曼体系结构

冯•诺依曼体系结构的基本要点

冯•诺依曼思想即冯•诺依曼体系结构思想，其最基本的概念是存储程序概念，它奠定了现代计算机的结构基础。

功能部件:
计算机必须具备五大基本组成部件，包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

存储程序原理
即把编制好的程序和数据存放在存储器中，按存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就由程序控制执行，直到程序运行结束。

程序是按一定规则编制的指令序列，按地址存储在存储器之中，计算机工作过程—取指令-分析指令-执行指令—有限循环

采用二进制形式计数
数据与指令均以二进制代码的形式同存于存储器中，两者在存储器中的地位相同，并可按地址寻访。
（存储器按字节编配地址，二进制存储，按址访问）

计算机体系结构的研究

电子计算机问世以来，冯•诺依曼体系结构一直占据计算机体系结构的统治地位，科学家和工程师们在此基础上不断研究硬件和软件，使CPU和存储器技术得到了飞速的发展，也为信息化、网络化奠定了基础。
近年来人们谋求突破传统冯•诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非冯•诺依曼化。

计算机的总线结构

总线的概念

总线是一组信号线和相关的控制、驱动电路的集合，是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道。（计算机系统内部通讯线路的集合）

典型的计算机总线结构由内部总线和外部总线组成。

• 内部总线用于连接CPU内部各个模块；

• 外部总线用于连接CPU、存储器和I/O系统，又称为系统总线。

  • 片间总线（指CPU与主板之间的总线）
  • 片外总线（主要连接主板上除CPU之外的其他部件、或外部设备）
    

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总线的内部结构

• 数据总线（Data Bus，DB）用于传送数据信息，双向通讯。
• 地址总线（Address Bus，AB）是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线是单向的。
• 控制总线（Control Bus，CB）用来传送控制信号和时序信号，双向通讯。

当代总线是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，满足包括多CPU在内的主控者环境需求。当代计算机总线的内部结构如下图所示：

（数据传输总线—含地址、数据、控制三类总线，仲裁总线，中断和同步总线，公用总线）

总线接口

一个典型的计算机系统具有不同类型的外围设备，因而会有不同类型的接口。
常见的接口包括：

• 串行总线接口-Serial bus interface
• 并行总线接口-Parallel bus interface
• 通用串行总线接口-Universal Serial Bus Interface-USB接口（即插即用，允许热插拔，几乎适用于所有外设的连接）

图外围设备的连接方式

计算机的工作原理

指令系统

指令的格式

指令一般由两部分组成，包括操作码和地址码（address code）

• 指令：操作码+操作数
• 操作码-操作的类型（如做加法等）；
• 操作数-操作的对象（如某个数值等），由于操作数是存放在存储器的某个地址中的，所以操作数与地址编码对应

组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模，所需指令数越多，组成操作码字段的位数也就越多。根据指令功能的不同，一条指令中可以有0个、一个或者多个地址码。（计算机是按照一定标准的指令系统设计制造的，计算机成品的指令系统固定不变）

指令的类型
一个较为完善的指令系统中常见的指令类型包括：

• 数据传送指令
• 算术运算指令
• 逻辑运算指令
• 程序控制指令
• 输入输出指令
• 字符串处理指令
• 系统控制指令

计算机的工作过程与性能指标

计算机的工作过程

计算机的性能指标

指标	定义
机器字长	字： 计算机能够处理的一个信息单位 字长: 是字所包含的二进制代码的位数
数据通路宽度	数据总线（主要是外部总线）一次能够并行传输的二进制数据的位数，8bits, 16bits, 32bits, 64bits, 128bits等等
主存容量	内存容量：若干MB，GB，如258MB、512MB、1.024GB (1G内存)
运算速度	单位时间内计算机执行指令的条数，单位：x-MIPS，每秒x百万指令

计算机的基本组成

中央处理单元

中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）是计算机系统的核心。微型计算机的CPU是由一块超大规模集成电路组成，称为微处理器（microprocessor），大、中、小型计算机的CPU则由多块超大规模集成电路组成。

CPU的功能

1. 程序控制
   保证指令顺序执行：指令读取-分析-执行
2. 操作控制
   指令分解后对应的若干操作信号的控制，硬件实现
3. 时间控制
   时间顺序，时间长短
4. 数据加工
   运算器：算术运算、关系运算、逻辑运算等等，主要以 ‘二进制加法’ 实现

CPU的基本结构

CPU的工作过程

CPU的基本工作是执行预先存储的指令序列（即程序）。

• 程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的有限过程，如此周而复始，使得计算机能够自动地工作，其过程如图所示。
  

• 几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：
  取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

CPU的主要技术参数

1. 主频（Clock Speed）： CPU时钟工作频率，通常以GHz（千兆赫兹）为单位。

2. 外频（Front Side Bus，FSB）： 系统总线工作频率或主板工作频率，通常以MHz（兆赫兹）为单位。

3. 前端总线频率： 连接CPU与北桥芯片的总线，反映CPU与内存的数据交换速度，通常以MHz或GHz为单位。数据带宽可以通过公式计算，即数据带宽 = （总线频率 * 总线带宽）/ 8。

注：计算机系统主板是计算机系统的硬件底座，包含北桥芯片和南桥芯片。北桥芯片负责主板与CPU的通讯，联系内存、显卡等数据量较大的部件；南桥芯片负责主板与其他设备的通讯。

4. CPU的位和字长： 表示处理器的数据处理能力，常见的有32位、64位和512位。

5. 倍频系数： 主频等于外频乘以倍频，主频 = 外频 * 倍频。

6. 缓存： 包括CPU内部寄存器和高速缓存（Cache），用于临时存储和加速数据访问。

7. 工作电压： CPU的工作电压，通常以伏特为单位。

8. 制造工艺： 制造CPU的技术和工艺，通常以纳米为单位，表示制造芯片的微观尺寸。

存储系统

在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和交换的中心。

存储器的分类

分类模式	说明
按存取方式分类	随机存储器、顺序存储器。
按存储介质分类	广泛使用的存储介质主要有半导体器件、磁存储介质和光存储介质
按存储器的读写功能分类	只读存储器（ROM）、随机读写存储器（RAM）
按信息的可保存性分类	非永久记忆存储器，如RAM；永久记忆存储器，如磁盘、光盘
按在计算机系统中的作用分类	主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器等

存储系统的分级结构

主存储器

主存储器的工作原理是，由CPU发来的数据地址送到地址寄存器中，在读写控制线路的作用下，对该存储单元进行读/写操作，读出或写入的信息都暂存于数据寄存器中。

衡量主存储器性能的技术指标主要有

1. 存储容量： MB，GB
2. 存取时间：
   完成一次数据存入所需时间-写命令-数据写入数据寄存器；
   完成一次数据读取所需时间-读命令-熟读读出到数据寄存器
3. 存储周期： 连续启动两次独立的存储器操作的最小时间间隔
4. 存储器带宽： 单位时间内数据的存取量，bps，Bps

RAM-Random access memory	ROM-Read only memory
随机读写存储器，可读可写，断电后数据消失 它是通常意义上的内存，是数据的中转站，程序执行时，原始数据或直接输入内存、或由外部存储器调入内存，然后经Cache过渡后到达CPU，经CPU处理后形成中间数据或最终结果，这些数据经内存中转后，或者直接输出如显示、打印等，或者存储在外部存储器上如硬盘等	只读存贮器，存储计算机系统的固定信息，由计算机生产商预先写入，用户只读不写，信息永久保存。

输入输出系统

输入输出系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统。它由外围设备和输入输出控制系统两部分组成。

输入输出设备

• 输入设备（input device）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入到计算机中。

• 输出设备（output device）包括显示设备、打印设备及声音设备等。

  外部存储器能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息。

• 网络设备 计算机网络有利于高速、准确地进行信息传送，达到资源共享的目的。

• 过程控制设备

输入输出控制方式

1. 程序查询方式
2. 程序中断方式
   

• 直接存储器存取方式
• 通道方式
• 外围处理机方式

输入输出接口

用于连接主机与输入输出设备的这个转换机构是I/O接口电路，简称为I/O接口。

一个完整的输入输出接口不仅包括一些硬件电路，也可能包括相关的软件驱动程序模块。

通用串行总线接口

通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口是连接计算机系统与外围设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。