计算机基础-计算机的构成

Posted 2021-03-20 on-my-way

　　也许有人认为技术人员不需要硬件或计算机底层原理的知识。因为这个层面的一些处理往往已经封装好，不需要重新进行规划。然而，事实并非如此，系统构建于硬件与操作系统之上，我们应该对计算机底层原理有一定认识，以避免在研发过程中导致的一系列安全与性能问题。

　　

　　计算机的发展经历了电子管和晶体管时代、集成电路时代（中小规模、大规模、超大规模、甚大规模、极大规模）。2016年底，世界最高水平的单片集成电路芯片上所容纳的元器件数量已经达到 80 多亿个。现有的计算机构成概念是冯•诺依曼等人于 1946 年 6 月首先提出来的，它可以简要地概括为以下几点：

　　　　（1）计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

　　　　（2）计算机内部采用二进制来表示指令和数据。

　　　　（3）将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

　　冯•诺依曼对计算机世界的最大贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现。六十多年来，虽然计算机的发展速度惊人，但就其结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上。通常把符合存储程序概念的计算机统称为冯•诺依曼型计算机。当然，现代计算机与早期计算机相比，在结构上还是有许多改进的。随着计算机技术的不断发展，也暴露出了冯•诺依曼型计算机的主要弱点：存储器访问会成为瓶颈。目前，已出现了一些突破存储程序控制的计算机，统称为非冯•诺依曼型计算机，例如，数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。

　　详见下图：

　　

1.控制器，控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。控制器的组成包含如下。

　　① 程序计数器 PC：存储下一条要执行指令的地址；

　　② 指令寄存器 IR：存储即将执行的指令；

　　③ 指令译码器 ID：对指令中的操作码字段进行分析解释；

　　④ 时序部件：提供时序控制信号。

2.运算器，运算器也称为算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit，ALU），其主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算。运算器的组成包含如下。

　　① 算术逻辑单元 ALU：数据的算术运算和逻辑运算；

　　② 累加寄存器 AC：通用寄存器，为 ALU 提供一个工作区，用在暂存数据；

　　③ 数据缓冲寄存器 DR：写内存时，暂存指令或数据；

　　④ 状态条件寄存器 PSW：存状态标志与控制标志（争议点：也有将其归为控制器的）。

3.主存储器，主存储器也称为内存储器（通常简称为“内存”或“主存”）。存储现场操作的信息与中间结果，包括机器指令和数据。

4.辅助存储器，辅助存储器也称为外存储器，通常简称为外存或辅存。存储需要长期保存的各种信息。

5.输入设备，输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。按输入信息的形态可分为字符（包括汉字）输入、图形输入、图像输入及语音输入等。目前，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。

6.输出设备，输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的 形式送出计算机。目前，最常用的输出设备是打印机和显示器。有些设备既可以是输入 设备，同时也可以是输出设备，例如，辅助存储器、自动控制和检测系统中使用的数模转换装置等。