一文揭示计算机系统的组成

近年来,随着 PC( Personal Computer, 个人电脑) 在家庭中的广泛普及, 计算机对我们的生活产生了深远的影响。如今, 不仅是 PC,与我们生活息息相关的手机、平板等也广泛应用了计算机。通过此文来介绍一下计算机系统的构成要素及其功能。

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什么是计算机?

计算机是根据程序进行运算和数据处理的计算机器。通常,计算机由以下几部分组成:负责计算和处理数据的 CPU、 负责存储程序和数据的存储器,以及和外部进行数据交换的 I/O( Input/Output,输入输出装置)。各部分通过总线连接就构成了一台计算机。

计算机的构成要素如图所示。以 PC 机的组成为例,一般使用 Intel 或 AMD 公司 的 CPU,DDR3 SDRAM 之类的内存,另 外还有键盘、鼠标、显示器等 I/O。这些CPU、内存、I/O、总线并不局限于 PC,多数计算机都是由这四大要素组成。

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什么是CPU?

中央处理器,简称 CPU(Central Processing Unit),中央处理器主要包括两个部分,即控制器、运算器,其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。中央处理器的功能主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。

根据执行的指令的特征,CPU 分为 RISC( Reduced Instruction Set Computer, 精简指令集计算机)和 CISC( Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)两种。

基于RISC指令集的CPU 的指令功能单纯,种类较少。相对应地,CISC 类 CPU 的指令功能复杂,种类繁多。RISC 指令精简的好处是 CPU 内部构造可以简化,适合高速操作。但是在进行相同操作时,由于每一条指令都功能单纯,所以与 CISC 相比,它需要使用更多的指令数量。虽然 CISC 的内部构造复杂不适合高速操作,但进行相同处理时指令数比RISC 要少。

RISC 和 CISC 两种架构各有所长,孰优孰劣不能一概而论。在追求高速运作的CPU 的领域中,RISC 被认为更具优势。这些年,虽然 Intel 和 AMD 两家公司的 CPU指令集依然是 CISC 的,但内部却将复杂指令分解为简单指令,使得内部可以像 RISC一样工作。

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什么是内存?

内存是用来存放运行时指令( 程序) 和数据的存储器。为了和计算机中长期保存数据和程序的存储器区别, 内存有时也称为主存( Main memory)。

最近的计算机通常采用 DRAM( Dynamic Random Access Memory, 动态随机存储器) 技术的内存。DRAM 是通过在电容器中积蓄电荷来保存数据的存储元件。电容器中充电状态是 1, 放电状态是 0, 以此来表示数值。由于电容器中的电荷一段时间后会衰减, 所以 DRAM 需要定期进行重新写入数据的刷新( Refresh) 操作。根据访问方式和规格的不同,DRAM 分为 SDRAM( Synchronous DRAM, 同步 DRAM) 和 DDRSDRAM( Double Data Rate SDRAM, 双倍数据率 SDRAM) 等种类。

内存等存储器的特点是速度越快成本越高。因此通常使用“高速小容量”、“中速中等容量” 到“低速大容量” 等多种存储器组合的混合型架构。这种构造称为存储器层级。

在存储层面, 速度最快的是 CPU 中的寄存器。CPU 比内存速度快很多, 由 CPU 直接访问内存效率较低。为了提高内存访问速度, 在 CPU 和内存间增加了被称为缓存的高速小容量存储器。缓存可以暂时性地缓冲存储从内存中读取的数据。CPU 在访问内存时, 如果需要的数据已经保存在缓存中, 则可直接从缓存中读取, 以提高访问效率。根据容量和速度的不同, 缓存也分为多个层级, 通常为一级缓存、 二级缓存等多个级别。

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什么是 I/O?

I/O( Input/Output) 是进行数据输入输出的装置。计算机通过 I/O 和外部实现数据交换。计算机的处理操作按照从外部读取数据、 在内部处理数据、 再向外部输出结果的顺序进行。以个人电脑为例, 如图所示, 它从鼠标或键盘输入数据, 处理器根据程序处理数据, 通过显示器等向外部输出结果。

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什么是总线?

总线是 CPU、 内存和 I/O 之间交换数据的共同通道。总线将一根信号线在多个模块间共享进行通信。

两个模块通过总线交换数据时, 发起访问的一侧称为总线主控, 接受访问的一侧称为总线从属。下图示例中, CPU 为总线主控, 内存、 I/O 等为总线从属。

总线一般由数据总线、地址总线和控制总线构成。数据总线用来传输交换的数据,地址总线用来指定访问的地址,控制总线负责总线访问的控制。各个信号的时序、 进行交换的规则等称为总线协议。通过总线交换数据的整个过程称为总线传输。总线传输的示例见下图。

本文介绍了计算机的基本概念。多数计算机是由 CPU、 内存、 I/O 以及连接它们的总线构成。计算机是通过 CPU 将存储在内存的指令读出并执行、 通过 I/O 进行数据的输入输出来实现处理的。