计算机组成原理（1：计算机系统组成）

一：计算机系统的组成

计算机系统由硬件系统和软件系统共同构建起来

二：计算机硬件系统

1：早期的冯·诺依曼机

美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出“程序存储”根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。被称为“现代计算机之父”。

“程序存储”：指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。即按地址访问并顺序执行指令

计算机按照此原理应具有5大功能：数据传送、数据存储、数据处理、操作控制、操作判断

• 冯诺曼体系结构特点:

1. 计算机硬件系统由五大部件组成(存储器、运算器、控制器、输出设备、输入设备)
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为中心

2：计算机硬件系统的五大部件

下面我们详细分解这五大部件。

1. 存储器 (Memory)

• 功能：存放程序和数据。

• 核心指标：

  • 存储容量：能存储信息的总量，单位通常是字节（Byte）、KB、MB、GB、TB等。

  • 存取速度：完成一次读/写操作所需的时间。

• 层次结构：为了解决容量、速度和成本之间的矛盾，现代计算机采用多级存储器体系。

  • 高速缓存 (Cache)：速度最快，容量最小，成本最高。直接与CPU交换数据，用于缓解CPU和主存之间的速度差异。

  • 主存储器 (主存/Memory)：常说的“内存”（如DRAM）。速度较快，容量中等，存放当前正在运行的程序和数据。CPU只能直接访问Cache和主存。

  • 辅助存储器 (外存/Storage)：如硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）。速度慢，容量巨大，成本低，用于长期保存数据。程序和数据必须调入主存才能被CPU执行。

• 工作方式：按地址进行访问。每个存储单元都有一个唯一的地址，就像大楼的每个房间都有一个房号一样。

2. 运算器 (Arithmetic Logic Unit, ALU)

• 功能：是计算机的“算盘”，负责进行所有的算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或等）。

• 组成：由算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、寄存器组等组成。运算所需的数据来自内存，运算结果则写回内存或寄存器。

3. 控制器 (Control Unit, CU)

• 功能：是计算机的“指挥中心”，负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列。

• 工作流程：

  1. 取指令：从内存中取出指令。

  2. 分析指令：翻译指令，明确要完成什么操作。

  3. 执行指令：根据指令的含义，发出相应的操作命令（控制信号），指挥运算器、存储器等部件完成操作。

• 核心寄存器：

  • 程序计数器 (PC)：存放下一条要执行指令的地址。（PC指向哪里，CPU就执行哪里）

  • 指令寄存器 (IR)：存放当前正在执行的指令。

• 与运算器的关系：控制器和运算器合称为中央处理器（CPU）。CPU是计算机的“大脑”。

4. 输入设备 (Input Devices)

• 功能：将外部的信息（数据、程序、命令）转换成计算机能识别和处理的形式，并送入计算机内部。

• 例子：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、摄像头等。

5. 输出设备 (Output Devices)

• 功能：将计算机处理的结果转换为人或其他设备所能识别的形式，并输出。

• 例子：显示器、打印机、音响等。

输入设备和输出设备合称为I/O设备或外部设备。

3：工作流程（以执行一个程序为例）

让我们以计算 1 + 2 这个简单任务为例，看看硬件是如何协作的。

1. 输入程序和数据：

   • 通过输入设备（键盘）将计算程序 a = 1 + 2 和原始数据 1、2 输入计算机。

   • 这些程序和数据被存入主存储器。

2. 取指令与分析：

   • 控制器中的程序计数器（PC） 指向程序的第一条指令的地址。

   • 控制器根据这个地址，从主存中取出第一条指令（例如，“将内存地址X的数取出来”），放入指令寄存器（IR）。

   • 控制器分析这条指令，明白是要执行一个“取数”操作。

3. 执行指令：

   • 控制器发出控制信号，命令主存储器将地址X中的数据 1 读取出来，并送到运算器的某个寄存器（如ACC）中。

   • PC自动加1，指向下一条指令。

4. 继续执行：

   • PC取下一条指令（“将内存地址Y的数取出来，并与ACC中的数相加”）。

   • 控制器分析后，指挥主存取出数据 2，并命令运算器（ALU） 执行加法操作。ALU将 1 和 2 相加，得到结果 3，暂存在ACC中。

   • PC再指向下一条指令。

5. 存储结果与输出：

   • 最后一条指令可能是“将ACC中的结果存回内存地址Z”或“输出结果”。

   • 如果是存储，控制器指挥将结果 3 写回主存。

   • 如果是输出，控制器指挥输出设备（如显示器）将结果 3 显示出来。

整个过程，本质上就是“取指-分析-执行”的循环，周而复始，直到程序结束。

4：总线 (Bus)

上述所有部件并非独立存在，它们需要通过通道相互连接。这个公共通道就是总线。

• 功能：是计算机各部件之间传输信息的公共通信干线。

• 分类（按传输信息类型）：

  1. 数据总线 (Data Bus)：在部件间双向传输数据。它的宽度（位数，如64位）决定了CPU一次能处理数据的位数，是计算机字长的重要指标。

  2. 地址总线 (Address Bus)：由CPU单向发出，用于指定所要访问的存储单元或I/O端口的地址。它的宽度决定了CPU的寻址能力（例如，32位地址总线可寻址 2^32 = 4GB 的内存空间）。

  3. 控制总线 (Control Bus)：传输控制信号，如读/写信号、中断请求、时钟信号等。有的是CPU发出，有的是向CPU输入。

总线结构极大地简化了计算机的系统设计，使得各部件只需关注与总线的接口即可。

三：计算机软件系统

1：计算机软件的分类

计算机软件，一般分为系统软件和应用软件

系统软件包括 操作系统，数据库管理系统，语言处理系统(比如编译器)，分布式软件系统，网络软件系统，标准库系统，服务性系统(比如连接程序)。

应用软件包括各种科学计算类程序，工程设计类程序，数据统计与处理程序。

注意：数据库管理系统和数据库系统是有区别的。数据库管理系统是系统软件。而数据库系统一般是由数据库，数据库管理系统，数据库管理员和应用系统构成。所以只能说它里面有系统软件，但并不能说它为系统软件。

2：三个级别的语言

机器语言。又称二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的二进制编码。机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
汇编语言。汇编语言用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。使用汇编语言编辑的程序，必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。
高级语言。高级语言(如C、C++、Java等)是为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。通常高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

由高级到汇编叫做编译，由汇编到机器叫做汇编，边翻译边执行的叫做解析。

四：计算机性能指标