【計組】計算機的基本概念、組成結(jié)構(gòu)
這學期學校開了《計算機組成原理》這門課，作為四大金剛之一，內(nèi)容還是比較難理解的，很多知識點都需要去反復記憶，所以我結(jié)合自己的理解將大部分內(nèi)容整理出來，才疏學淺，如有錯誤，歡迎大家指正！
以下為本節(jié)目錄：
1 計算機的基本概念
1.1 計算機的軟硬件概念 1.2 計算機的分類
2 計算機的誕生與發(fā)展
2.1 馮 · 諾依曼體系 2.2 計算機發(fā)展歷程 2.3 未來的發(fā)展趨勢
3 計算機系統(tǒng)的組織
3.1 硬件系統(tǒng) 3.2 軟件系統(tǒng) 3.3 計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 3.4 軟件與硬件的邏輯等價性
4 計算機系統(tǒng)的性能指標
計算機是 20 世紀人類最偉大的發(fā)明之一，是一種能夠存儲程序，通過執(zhí)行程序指令，自動、高速、精確地對各種信息進行復雜運算處理，并輸出運算結(jié)果的一種電子設(shè)備。
誰也不曾想到，當初只是當作軍事計算工具應(yīng)用的電子計算機，在半個世紀中竟然會成為改變社會結(jié)構(gòu)，乃至促進人們的工作和生活方式發(fā)生驚人變化的寵兒。
1 計算機的基本概念
1.1 計算機的軟硬件概念
計算機系統(tǒng)由**“硬件”和“軟件”兩部分組成**。
硬件是指看得見摸得著的各種電子元器件。如主機、鍵盤、鼠標等。 軟件看不見摸不著，但在邏輯上，我們確實可以感知到它的存在，它由人們事先編制的具有某種功能的程序組成。比如操作系統(tǒng)、編程語言等。
計算機的軟件通常又分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
系統(tǒng)軟件：又稱為系統(tǒng)程序，主要用來管理整個計算機系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度。它包括：操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、服務(wù)程序等。 應(yīng)用軟件：又稱為應(yīng)用程序，它是用戶根據(jù)需要事先編制的程序。比如 QQ、微信等。
1.2 計算機的分類
計算機的種類很多，從不同的角度看，有不同的分類。
按照計算機的處理信息的方式，可以分為數(shù)字計算機和模擬計算機。
數(shù)字計算機：通過信號的兩種不同狀態(tài)（1 和 0）來表示信息，可以方便地對數(shù)字信號進行算術(shù)和邏輯運算，具有速度快、精度高、便于存儲等優(yōu)點。通常講的計算機一般是指數(shù)字計算機。 模擬計算機：一般只能處理模擬信號，如連續(xù)變化地電壓、電流和溫度等。這類計算機應(yīng)用鄰域有限，通用性不強。 按照計算機通用性地差異，計算機可以分為專用計算機和通用計算機。
專用計算機：專門為某一問題而設(shè)計的計算機。功能比較單一，對應(yīng)用環(huán)境地適應(yīng)性很差。例如計算導彈彈道的專用計算機。 通用計算機：各行業(yè)和各種環(huán)境都能使用的計算機，一般具有較高的運算速度、較大的內(nèi)存容量。我們平常使用的個人臺式計算機都屬于通用計算機。 按照計算機系統(tǒng)的規(guī)模和處理能力，通用計算機可以分為以下幾類：
微型機 小型機 大型機 超級計算機
2 計算機的誕生與發(fā)展
2.1 馮 · 諾依曼體系
1945 年，被稱為“計算機之父”的美籍匈牙利科學家馮 · 諾依曼在研究 EDVAC 時提出了“存儲程序”的概念。以此概念為基礎(chǔ)的各類計算機稱為馮 · 諾依曼機。它的特點可以歸納如下：
計算機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由五大部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲器內(nèi)，并可按地址尋訪。 指令和數(shù)據(jù)均用二進制數(shù)表示。 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作碼的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置。 指令在存儲器內(nèi)按順序存放。
典型的馮 · 諾依曼計算機是以運算器為中心的，如下圖所示。
現(xiàn)代的計算機已轉(zhuǎn)化為以存儲器為中心，如下圖所示。
圖中各部件的功能如下：
運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算，并將運算結(jié)果暫時存放在運算器內(nèi)。 存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序。 控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行以及處理運算結(jié)果。 輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機器能識別的信息形式，常見的有鍵盤、鼠標等。 輸出設(shè)備可將機器運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式，常見的有打印機輸出、顯示器輸出等。
計算機的五大部件在控制器的統(tǒng)一指揮下，有條不紊地自動工作。
由于運算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)聯(lián)系上十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)后，這兩大部件往往集成在同一芯片上。因此，通常將它們合起來統(tǒng)稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。
把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡稱為 I/O 設(shè)備（Input/Output Equipment)。
這樣，現(xiàn)代計算機可認為由三大部分組成：CPU、I/O 設(shè)備及主存儲器（Main Memory，MM），如下圖所示。
CPU 與主存儲器合起來又可稱為主機，I/O設(shè)備又可稱為外部設(shè)備。
2.2 計算機發(fā)展歷程
第一代，電子管計算機（1946 - 1957 年） 第二代，晶體管計算機（1958 - 1964 年） 第三代，中小規(guī)模集成電路計算機（1965 - 1971 年） 第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機（1971 年至今）
2.3 未來的發(fā)展趨勢
計算機的發(fā)展趨勢可以用五個字概括：巨、微、多、網(wǎng)、智。
巨型化 微型化 多媒體化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化
3 計算機系統(tǒng)的組織
3.1 硬件系統(tǒng)
在馮 · 諾依曼體系中，計算機硬件系統(tǒng)是由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成的。
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多重大的變化，如運算器和控制器已組合成一個整體，稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。
存儲器已成為多級存儲器體系，包含主存、高速緩存和外存三個層次。
下圖是一種計算機硬件系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)模型示意圖，其中包含 CPU、存儲器、輸入/輸出（I/O）設(shè)備和接口等部件，各部件之間通過系統(tǒng)總線相連接。
（1）CPU
CPU 是計算機硬件系統(tǒng)的核心部件，由運算部件、寄存器組和控制器組成，它們通過 CPU 內(nèi)部的總線相互交換信息。
運算器
功能：完成算術(shù)運算（定點數(shù)運算、浮點數(shù)運算）和邏輯運算。
基本組成：
主要由 ALU（算術(shù)邏輯單元）構(gòu)成，執(zhí)行算術(shù)、邏輯運算以及移位循環(huán)等操作，是 CPU 功能的主要執(zhí)行操作。 ALU 以累加器為核心，具有多種運算功能。 運算的位數(shù)越多，計算精度就越高，但器件也更復雜。 運算器的數(shù)據(jù)寬度一般是：8 位、16 位、32 位或 64 位。 寄存器組用來存放數(shù)據(jù)信息和控制信息。
控制器
功能：產(chǎn)生控制命令（微命令），控制全機操作。
基本組成：
（2）存儲器
功能：存儲數(shù)據(jù)和數(shù)字化后的程序。
不論是數(shù)據(jù)，還是程序，存儲器存儲的全是用 0 或 1 表示的二進制代碼。
存儲器有以下幾個基本概念：
存儲單元：在存儲器中保存一個 n 位二進制數(shù)的 n 個存儲電路，組成一個存儲單元。
存儲元件：能夠存放一位二進制代碼 0 或 1 的器件。存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲單元又包含若干個存儲元件。
存儲字：一個存儲單元可以存儲一串二進制代碼，稱這串二進制代碼為一個存儲字。
存儲字長：存儲字（也就是存儲單元存儲的二進制代碼）的位數(shù)稱為存儲字長。
地址：存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址。
存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。
存儲容量越大，能存儲的信息越多，常用的單位有 “KB、MB、GB、TB、PB” 等。
這幾個概念比較晦澀，舉個栗子來幫助理解：
我們可以把存儲器看作一棟大樓，那么每個存儲單元就可以看作大樓中的每個房間，每個存儲元件可以看作房間中的一張床位，床位有人值為 1，無人為 0，床位數(shù)相當于存儲字長。為了方便尋找某一個房間，每個房間需要有一個房間編號，這個房間編號就相當于地址。
存儲器用來存儲計算機中的所有信息，一個存儲器無法同時滿足存儲容量大、存取速度快的需求，因此常將存儲器分為主存、外存、緩存三級存儲體系。
主存用來存放 CPU 需要使用的程序和數(shù)據(jù)。主存的每個存儲單元都有固定的地址，CPU 可以按地址直接訪問他們。這樣就要求主存的存取速度很快，但目前由于技術(shù)限制，都只有幾個 G。通常將 CPU 和主存合稱為主機，由于主存在在主機之內(nèi)，所以主存又叫做內(nèi)存。 外存位于主機之外，用來存放 CPU 暫不使用的程序和數(shù)據(jù)。CPU 并不直接按地址訪問它們，而是按文件名將它們從外存調(diào)入主存。因此外存的容量很大，但存取速度比主存慢，如磁盤、固態(tài)硬盤和 U 盤都是常用的外存。 高速緩存（Cache）是為了提高 CPU 的訪存速度，它設(shè)置在 CPU 和主存之間，是一個存取速度很快的存儲器，不過容量較小，用來存放 CPU 當前正在使用的程序和數(shù)據(jù)。
（3）輸入/輸出設(shè)備
輸入設(shè)備將各種形式的外部信息轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的代碼形式送入主機。例如鍵盤、鼠標等。
輸出設(shè)備將計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們所能識別的形式（字符、圖像、聲音）輸出。例如顯示器、打印機等。
輸入設(shè)備和輸出設(shè)備都與主機傳輸數(shù)據(jù)，所以將它倆合稱為輸入/輸出（Input/Output，I/O）設(shè)備。按照邏輯劃分，它們位于主機之外，我們又稱它為外設(shè)。我們經(jīng)常所說的外設(shè)就是它們了。
（4）總線
總線是一組能為多個部件分時共享的信息傳輸線。
根據(jù)傳送信息不同，可分三類：
傳送各種數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)總線（Data Bus） 傳送各種地址信息的地址總線（Address Bus） 傳送各種控制信號的控制總線（Control Bus）
（5）接口
外設(shè)的種類、數(shù)量是多變的，為了將標準的系統(tǒng)總線與各類外設(shè)連接，需要在系統(tǒng)總線與 I/O 設(shè)備之間設(shè)置一些接口部件，具有緩沖、轉(zhuǎn)換、連接等功能，這些部件就被稱為接口。
3.2 軟件系統(tǒng)
軟件類別：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
系統(tǒng)軟件：又稱為系統(tǒng)程序，主要用來管理整個計算機系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度。它包括：操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、服務(wù)程序等。
應(yīng)用軟件：又稱為應(yīng)用程序，它是用戶根據(jù)需要事先編制的程序。比如 QQ、微信等。
3.3 計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
早期計算機只有機器語言（用 0、1 代碼表示的語言），程序員必須用機器語言來編寫程序。這樣就要求程序員對他們計算機硬件和指令系統(tǒng)非常熟悉，編程難度相當大。不過編寫的程序計算機可以直接運行。直接執(zhí)行機器語言的機器稱為實際機器 M1。
20 世紀 50 年代開始出現(xiàn)了符號式的程序設(shè)計語言，也就是匯編語言。它用符號 ADD、SUB 等分別來表示加法、減法，并且用符號來表示指令和數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址。
相比機器語言，編程難度有所降低，但是沒有機器能夠直接識別匯編語言，每臺機器都需要編寫一套對應(yīng)指令的匯編語言，這樣就導致程序員這對程序員來說簡直是天災(zāi)。
將具有翻譯功能的匯編程序的計算機看做 M2，M2 是在 M1 之上，因為需要匯編程序?qū)R編語言翻譯成對應(yīng)的機器語言。
源程序進入機器 M1 運行前，必須先將高級語言程序翻譯成匯編語言程序（或其他中間語言程序），然后再將其翻譯成機器語言程序；也可以將高級語言程序直接翻譯成機器語言程序。
這些工作都是由虛擬機 M3 來完成的，對程序員來說，它們不需要知道這個翻譯過程，因此降低了編程難度。
由此可得出具有三級層級的計算機系統(tǒng)。
將高級語言翻譯成機器語言的軟件稱為翻譯程序。翻譯程序分為兩種：
編譯程序：將用戶編寫的高級語言程序（源程序）的全部語句一次全部翻譯稱機器語言，然后執(zhí)行此程序。 解釋程序：將源程序的每一條語句翻譯成對應(yīng)于機器語言的一條語句，并且執(zhí)行這條語句，重復這個步驟，直到翻譯完這個程序。
由于軟件的發(fā)展，在實際機器 M1 的基礎(chǔ)上向上延伸構(gòu)成了各級虛擬機器。那么，機器 M1 也可以向下延申形成下一級的微程序機器 M0，機器 M0 是將機器 M1 中的每一條機器指令翻譯成一組微指令，構(gòu)成一個微程序。
機器 M0 也是實際機器，為了區(qū)別于 M1，通常將機器 M1 稱為傳統(tǒng)機器，將 M0 稱為微程序機器。這樣就可以認為計算機系統(tǒng)具有四級層次結(jié)構(gòu)。
在上述四級層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，實際上在實際機器 M1 和虛擬機器 M2 之間還有一級虛擬機器，它是由操作系統(tǒng)構(gòu)成的。
3.4 軟件與硬件的邏輯等價性
軟件的特點
易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約。
硬件的特點
可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復雜功能或計算，受到控制復雜性指標的制約。
計算機中的軟件，理論上都可以 “固化” 或 “硬件化”，以提高執(zhí)行速度。
4 計算機系統(tǒng)的性能指標
1. 基本字長
算術(shù)運算可以分為定點運算和浮點運算兩大類。基本字長就是指處理器參加一次定點運算的操作數(shù)位數(shù)。
一次數(shù)據(jù)操作的基本位數(shù)。 它會影響計算的精度、指令的功能。
一般 4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。
2. 外頻
外頻也叫外部頻率或基頻，有時也稱為系統(tǒng)時鐘頻率，經(jīng)過倍頻系數(shù)放大，用作各部件的工作頻率，如 CPU、內(nèi)存、各類總線等。
3. 常用的 CPU 性能指標
單位換算的簡化關(guān)系：1K = 1000，1M = 1000K，1G = 1000M
（1）CPU 主頻 = 外頻 X 倍頻系數(shù)
CPU 的主頻是 CPU 內(nèi)核的工作頻率，有時也叫 CPU 的時鐘頻率。通常說的某款 CPU 多少 GHZ，說的就是它的主頻。提高上述公式中的任一指標，都可以提高 CPU 的主頻，也就是超頻。
CPU 主頻的高低是決定計算機工作速度的重要因素，不過兩者之間沒有正比關(guān)系。
（2）CPU 執(zhí)行某種運算總時間 = CPU 時鐘周期數(shù) / 主頻 = （指令條數(shù) X CPI） / 主頻
在 CPU 時鐘頻率中，相鄰兩個時鐘脈沖之間的間隔為一個時鐘周期，它與 CPU 完成一步微操作所需的時間是對應(yīng)的。
下面詳細說一下時鐘頻率（主頻）與時鐘周期的關(guān)系：
通過 CPU 的工作方式來看，CPU 分為兩種控制方式：同步控制、異步控制。為了解時鐘頻率與時鐘周期的關(guān)系，我們先看同步控制 CPU 的工作方式，異步控制方式在接下來的章節(jié)會提到。
既然是同步控制 CPU，那就需要一個同步機制，不然你做一樣，我做一樣，沒有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，豈不亂套？
在計算機中，通過時序發(fā)生器來完成這項工作，它由一個晶體振蕩器和一組計數(shù)倍頻邏輯組成。它不停給芯片其他部件發(fā)送一個連續(xù)的脈沖信號。每一次脈沖到來，芯片內(nèi)的晶體管就改變一次狀態(tài)，讓整個芯片完成一定任務(wù)。統(tǒng)一指揮，完成任務(wù)。
電腦中的各種部件就是在時序發(fā)生器發(fā)送的特定時鐘頻率下有條不紊地進行工作的。
如圖，時序發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號做出周期變化的最短時間稱之為振蕩周期，也成為 CPU 時鐘周期。正如前面所說，相鄰兩個時鐘脈沖之間的間隔為一個時鐘周期。它是計算機中最基本的、最小的時間單位。
一個震蕩周期內(nèi)，晶體管只會改變一次狀態(tài)。那么，更小的時鐘周期就意味著更高的工作頻率。
一秒（1s）內(nèi)，震蕩周期的個數(shù)稱為時鐘頻率，稱為主頻。
我們把主頻看作 f，時鐘周期看作 T，可以得出 f = 1 / T。
（3）IPS = 指令條數(shù) / 執(zhí)行時間 X 106 = 主頻 / CPI
CPU 平均每秒執(zhí)行指令的數(shù)量，IPS（Instructions Per Second），常用更大的單位 MIPS 或 GIPS 表示。
（4）CPI = 總時鐘周期數(shù) / 總指令數(shù)
CPU 執(zhí)行程序時，每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)，CPI（Clock cycles Per Instruction）。
（5）FLOPS = （浮點運算的次數(shù) / 執(zhí)行時間）/ 106
CPU 每秒能夠完成的定點或者浮點運算次數(shù)（非指令數(shù)）。高性能計算機主要進行浮點向量運算，一般用每秒能完成的浮點運算次數(shù)（Floating-point Operation Per Second）。比如，天河二號，其實測速度：33.86PFLOPS。
（6）CPU 的功耗 P = C X U2 X f
4. 數(shù)據(jù)通路寬度與數(shù)據(jù)傳輸率
（1）數(shù)據(jù)通路寬度
數(shù)據(jù)總線一次能并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。數(shù)據(jù)通路寬度分為 CPU 內(nèi)部和 CPU 外部兩種情況：
CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)通路寬度一般與 CPU 的基本字長相同，也等于 CPU 內(nèi)總線的位寬。 CPU 外部數(shù)據(jù)通路寬度等于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位寬。
有的 CPU 內(nèi)外的數(shù)據(jù)通路寬度一樣，有的不同。
（2）數(shù)據(jù)傳輸率（Data Transfer Rate，DTR）
也叫比特率，指單位時間內(nèi)信道的數(shù)據(jù)傳輸量，基本單位是 bps。也常常借用帶寬（Bandwidth）一詞來表示數(shù)據(jù)傳輸率。
數(shù)據(jù)傳輸率與傳輸信道的數(shù)據(jù)通路寬度和最大的工作頻率有關(guān)，公式如下：
注意：不論何種設(shè)備，理解帶寬概念時，只需要緊緊把握住單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量這一本質(zhì)特性即可。
計算 PCI-E 總線的帶寬時，一般還要考慮編碼方式、單雙工模式和通道路數(shù)等。
結(jié)合這個小節(jié)的內(nèi)容，來舉個栗子：
假設(shè)該 I/O 程序由 2000 條指令構(gòu)成，CPU 每次執(zhí)行該程序可并行輸出 4KB 數(shù)據(jù)。CPU 主頻 3.2GHz，求 I/O 帶寬。
解：
平均 CPI = 15 X 40% + 20 X 30% + 15 X 20% + 10 X 10% = 16
CPU 執(zhí)行這個包含 2000 條指令的程序，所需的時鐘周期總數(shù) = 指令數(shù) X 平均每條指令所需的時鐘周期
程序的時鐘周期數(shù) T = 2000 X 16 = 32000 = 32K 個
CPU 主頻 = 3.2GHz，表明 1 秒鐘能產(chǎn)生 3.2G 個時鐘周期，因此每秒鐘此程序可被執(zhí)行次數(shù) = 每秒鐘的時鐘周期總數(shù) / 程序完整執(zhí)行一次所需的時鐘周期數(shù)
該程序每秒執(zhí)行次數(shù) = f / T = 3.2G / 32K = 105 次
I/O 帶寬指的是單位時間內(nèi)傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量，總數(shù)據(jù)量 = 程序被執(zhí)行的次數(shù) X 每次輸出的數(shù)據(jù)量
I/O 帶寬 = （105 X 4 KB）/ 秒 = 400 MBps（兆字節(jié)/秒）
5. 存儲器容量
存儲器分為內(nèi)存（主存）和外存（輔存）。
（1）內(nèi)存（主存）
存放 CPU 當前需要處理的數(shù)據(jù)和需要執(zhí)行的程序。主存容量越大，可以減少 CPU 反復讀取主存數(shù)據(jù)的次數(shù)和等待時間。
主存的容量取決于主存的編址單元數(shù)和每個編址單元的位數(shù)（寬度）。經(jīng)常用字節(jié)數(shù)表示主存容量：
字節(jié)數(shù)
微型機的主存多按字節(jié)編址，每個編址單元含有 8 位數(shù)據(jù)。因此 1MB = 220，1K = 210。現(xiàn)在家用電腦主存容量可達到 8GB（1G = 230）以上。
（2）外存（輔存）容量
外部存儲器能夠存儲的最大數(shù)據(jù)量，基本單位一般用 B、MB、GB 或者 TB 等來表示常用的外存有硬盤、U 盤等。
計算機中的軟件資源和數(shù)據(jù)，如操作系統(tǒng)、編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，它們沒有運行的部分都是保存在外存中，需要時再載入內(nèi)存。
注意：外村容量取決于存儲器自身，與地址總線的位數(shù)無關(guān)。
另注： 本文在開源項目：github.com/MujieJava/JavaStudy 中已收錄，包含計算機基礎(chǔ)技術(shù)文章、資源干貨等，資源持續(xù)更新中...
我是木節(jié)，覺得這篇文章對你有幫助的話，可以來個點贊 + 在看，下期再見！