有关计算机组成的分享~

Posted 2020-06-08

计算机的组成部分可以分为三部分：中央处理单元（CPU），主存储器和输入/输出系统。

其实这里面，也可以加入第四部分，就是系统总线，系统总线作为连接各设备，其如何设计也没那么简单。

 

本文先简单介绍其中各个组成部分，对立面某些子功能模块具体的展开，根据情况单独成文。

 

CPU又分为三部分：算术逻辑运算单元（ALU， Arithmetic Logic Unit），控制单元，寄存器。

这里的ALU，就是对数据执行逻辑、移位、算术运算的主体。

寄存器，是用来存放临时数据的高速独立的存储单元，这里的CPU中的寄存器，是计算机中读取速度最快的存储器，当然也是成本最高的。所以不能大规模使用，只能在CPU中作为寄存器，不能作为主存。

1）数据寄存器（R1~RN）：顾名思义是存储数据的，包括输入数据和运算结果；在过去，只有几个寄存器用来存储输入数据和运算结果，现在，由于越来越多的复杂运算改由硬件设备实现（而不是使用软件），所以计算机在CPU中使用几十个寄存器来提高运算速度。并且需要一些寄存器来保存这些运算的中间结果。

2）指令寄存器（IR，instrution register）：CPU从内存中逐条地取出指令，并将取出的指令存储在指令寄存器中，解释并执行指令。

3）程序计数器（PC，programm counter）：程序计数器中保存着当前正在执行的指令。当前的指令执行完成后，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，控制是通过从控制单元到其他子系统的信号来进行。

 

主存储器是计算机中的第二个子系统，它是存储单元的集合，每一个存储单元都有唯一的标识，称为地址。数据是以称为字的位组成在内存中传入和传出的，这个“字”可以简单理解为，是内存中基础传输单位。从内存向CPU中读取数据，那么是一个二进制位一个的传，还是两个两个的，或者16个16个，这个都是要根据设计者最初的设计规模，使用规模来考虑的，但是无论如何考量，最终会形成为一个内存通用的“字”的大小规模，比如有的是用8位二进制作为一个字，那么总线中每次传输的就是一个8位二进制数码，这个字就是一个基础单位。往往内存单元也是这么设计的，比如，一个字有8位，是因为每个存储单元是由8个触发器门电路并列形成的。

在存储器中存取每个字都需要相应地标识符。尽管程序员使用命名的方式来区分字（或一组字的组合），但在硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的。所有在存储器中标识的独立的地址单元的总数称为地址空间。

内存地址用无符号二进制整数来定义。

 

输入/输出系统：

计算机中的输入/输出子系统代表了一系列设备，这个子系统可以使计算机和外界通信，并在断电的情况下存储程序和数据。输入/输出设备可以分为两类：非存储设备和存储设备。

1）非存储设备，就是那些鼠标啊，键盘啊，显示器啊，打印机啊，之类的。

2）存储器设备：比如，磁盘、磁带、光盘等等。这一类可以和存储器一起单独开一篇来讲。

 

总线：

CPU和存储器之间通常由称为总线的三祖线路连接在一起，它们分别是：数据总线、地址总线、控制总线。

输入/输出设备不能直接与总线连接，需要一层中间设备，也就是控制器，或者说接口。因为输入/输出设备不一定都是电子设备，都是些机电、磁性、光学设备等，其处理操作速度要慢很多，与CPU、内存等不同步。

这种接口有很多种类型：比如，SCSI，火线，USB，HDMI。

 

通常CPU使用相同的总线在主存和输入/输出设备之间读写数据，唯一的不同是指令。有两种方式：I/O独立寻址和I/O存储器映射寻址。

在I/O独立寻址中，用来读写内存的指令与用来读写I/O设备的指令是完全不同的，根据指令不同，CPU自然可以很明确地知道读取哪里的数据；在I/O存储器映射寻址中，CPU将输入/输出控制器中的每一个寄存器都看做内存中的某个存储字，也就是说对CPU而言，它并不能或者不在乎到底是从哪儿读取数据，在它看来都是在同一个地方（主存）中读取数据，这种方式有个好处，就是有一个较小的指令集，因为不针对I/O设备单独创建指令了。

 

通用计算机使用称为程序的一系列指令来处理数据。CPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条。包括三步：取指令、译码和执行。

因为I/O设备的运行设备比CPU慢得多，因此CPU的操作在某种程度上必须和I/O设备同步，有三种方式被设计用于同步，分别是：

1）程序控制I/O

CPU不时地查询I/O设备的状态

2）中断控制I/O

当I/O设备准备好时，它通知（中断）CPU。

3）直接存储器存取（DMA）

这种方法需要DMA控制器来承担CPU的一些功能。DMA中有寄存器，可以再内存传输前后保存数据块。当准备好传输数据时，则由DMA控制器通知CPU它需要获得总线的使用权。

 

不同的体系结构：

1）CISC，复杂指令集计算机（complex instruction set computer），CISC体系结构的设计策略是使用大量的指令，包括复杂指令。

Intel公司开发的奔腾系列处理器，使用的就是CISC架构。

2）RISC，精简指令集计算机（reduce instruction set computer），复杂指令使用简单指令子集模拟。

3）流水线

用此方式来改变吞吐量（在单位时间内完成的指令总数），这个理念是如果控制单元能同时执行两个或三个阶段，那么下一条指令就可以在下一条指令完成之前开始。

4）并行处理

同样是改善了吞吐量。

SISD组织（单指令流，单数据流），SIMD组织，MISD组织，MIMD组织（多指令流，多数据流）。

 

如上仅是简单介绍了计算机的组成，其中每一块都值得打开单独来讲，比如存储器啊，总线结构啊，I/O和CPU之前的连接，I/O接口，串行处理/并行处理模式等。