计算机组成

Posted 2021-01-28 rollerman

　　计算机系统主要有以下三部分组成：中央处理单元（CPU）、主存储器和输入输出子系统。

　　中央处理器（CPU）主要包括三部分分别是：算术逻辑单元（ALU）、控制单元、寄存器组，通常我们会说计算机包括控制器和运算器。

中央处理器（CPU） 

 

　　算术逻辑单元（ALU）主要负责三件事情：逻辑运算即与或非和异或等、移位操作（逻辑移位、算术移位）和算术运算（加减乘除）。

　　寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元，CPU的运算离不开这些高速寄存器。寄存器主要组成：数据寄存器、指令寄存器（IR）和程序计数器（PC寄存器）

　　数据寄存器：存储输入数据和运算结果或者中间结果

　　指令寄存器：计算机存储的不仅有数据还有存储在内存中的程序，CPU的主要职责就是从内存中逐条取出指令，并将取出的指令存储在指令存储器中，解释并执行指令。

　　程序计数器：程序计数器中保存着当前正在执行的指令。当前指令执行完成后，计数器将自动加1，指向下一条指令的内存地址。

　　控制单元：控制各个子系统的操作，控制主要从控制单元发送到其他子系统的信号来进行。

主存储器

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　　主存储是存储单元的集合，每个存储单元有唯一的标识符，就是地址 ，这与每个人家中有一个门牌号是一个道理的，数据是以字的形式在内存中传入和传出。字可以是8位、16位、32位、64位，假如字是8位，一般称为一个字节，16位为2个字节。

　　既然存储器中每个存储单元都有唯一地址，那么在存储器中所有的独立地址单元总数就是地址空间，例如64KB，字长是1个字节的地址空间就是[0，65535]。

　　存储器的类型主要包括两类：RAM（随机存储器）和ROM（只读存储器），RAM和ROM的区别就是：用户可以读写RAM，即用户可以往RAM中写入信息，但是RAM有个特点就是易失性，系统断电数据将丢失；ROM则用户只能进行读，而不能写入，当切断电源，数据也不会丢失。通常存储那些关机后也不会丢失的程序或者数据，例如ROM存储开机时运行的程序

　　存储的层次机构，计算机由许多存储器，尤其是速度快价格便宜的存储器，但是往往价格贵的存储容量小，因此采用了下面这种的办法：

 

　　高速缓存是介于CPU以及内部的寄存器要慢，但是比主存要快的存储器，通常容量较小，且常被至于CPU和主存之间

　　CPU要存储主存中一个字时通常会首先检测高速缓存，如果高速缓存中有该数据，那么直接复制，如果没有，则从内存中取数据，然后将数据拷贝到高速缓存中，可能有读者就在想设计这个有什么目的：其实这是由于80-20规则，即计算机花费80%的时间存取20%的数据，换句话说，相同的数据会被存储多次。

输入输出子系统

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　　输入输出子系统分成两类：非存储设备和存储设备。非存储设备主要有：键盘、显示器打印机等，存储设备主要有：磁盘、光盘等。

　　那么各个CPU、主存以及输入输出是如何连接的呢？CPU和内存之间通常由称为总线的三组线路连接在一起，分别是数据总线、地址总线和控制总线。数据总线有多根组成，每一根传送1位的数据，线的数量取决于该字的大小，比如我们常说的32位机（4个字节），那么需要32根线的数据总线，才能同时传送32位的字。地址总线的线数取决于存储空间的大小，如果存储容量是2的n次方，那么就需要n根地址线。控制总线负责CPU与内存之间传送信息。

　　IO设备不能直接与CPU和内存相连，一般会使用一个输入输出设备控制器作为中间桥梁，这是由CPU内存和输入输出设备的特性所决定的。目前还是用的控制器主要有：SCSI、火线和USB（通用串行总线）。输入输出设备的寻址主要分成两种：IO独立寻址和IO存储映射寻址。IO独立寻址是用来读写内存的指令和用来读写IO设备的指令是完全不同的，因此两者互不影响；而IO存储映射寻址则是CPU将IO设备的每个寄存器看成内存中的某个存储单元，换言之，CPU没有单独的指令用来表示内存或者输入输出设备传送的数据。

程序执行

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　　CPU是利用重复的机器周期来执行程序的指令，一步一步，直到结束，一个简化的周期包括：取指令，译码，执行。

　　取指令：控制单元命令系统将下一条要执行的指令复制到CPU的指令寄存器（IR），被负责的指令的地址存储在程序计数器中，复制完成后，程序计数器自动加1指向内存中的下一条指令。

　　译码：当指令进入指令寄存器，由控制单元负责译码，指令译码一般是产生一系列的二进制代码。

　　执行：译码完成后，控制单元发送任务命令到CPU的某个部位，例如控制单元告知系统，从内存中加载数据项。