计算机组成原理概述

目录

• 概述
• 储存程序概念
• 计算机硬件的组成
• 储存器的设计思想
• 计算机的主要性能指标

概述

最近,突然对操作系统感兴趣,于是提前看了网上关于操作系统的视频. 但是在看的过程中对操作系统启动时从实模式到保护模式的切换,分段机制和分页机制, CPU的工作模型和总线等概念不怎么熟悉. 于是Google了一番, 发现这些大都是涉及到计算机组成原理的知识,刚好这学期学校有开设计算机组成原理课程.于是乎, 系统的学习了一波计算机组成原理的知识.

由于自己的方向是偏软件开发的, 因此,在学习的过程中,主要理解计算机的工作原理以及设计思想, 对于硬件的设计和工作原理就基本没深入了解. 接下来关于计算机组成原理的文章,都是偏向与理论并且不涉及到硬件的具体工作原理等.

储存程序概念

储存程序是由冯*诺依曼为首的研究小组提出来的概念.储存程序的诞生主要是为了解决使用线路连接编程的缺点.

储存程序的要点可以概括为下面三点:

• 计算机应由运算器,储存器,控制器,输入设备和输出设备5大基本部件组成.
• 计算机内部统一使用二进制表示指令和数据.
• 将编好的程序和原始数据事先存入储存器中,然后再启动计算机工作.

但是随着计算机的高速发展, 访问CPU的速度远远快于访问主存的速度.因此,储存器的访问成为了计算机性能的瓶颈.

计算机硬件的组成

主要部件

输入设备

输入设备的作用是将编好的程序和数据输入到计算机,并且将他们转换为计算机内部能够识别和接受的信息.

输出设备

输出设备的任务是将计算机内部处理的结果以数字,字符,图像等方式展示给人们看.

储存器

储存器是用来存放程序和数据的部件,是实现”储存程序”的基础.

运算器

运算器是对信息进行处理和运算的部件.进行的运算有:算术运算和逻辑运算.

控制器

控制器的主要工作是指挥各个部件工作.

连接各个部件的总线

总线可以实现各个部件之间的信息共享.例如:主存中的数据通过总线传递到CPU.

最简单的总线结构为单总线结构,也称为系统总线:

各个部件都连接在总线上, CPU与主存,CPU与外部设备之间可以直接通信.主存与外部设备,外部设备和外部设备之间可以直接通信,而无须经过CPU的干预.

系统总线的结构限定了同一时刻只允许一对设备之间传递信息.

系统总线按传递信息的不同,可以细分为:

• 数据总线: CPU可以沿数据总线从主存或者外部设备读入信息,也可以向主存或者外部设备写入信息.
• 地址总线: 用于CPU向主存,外部设备传输地址信息.
• 控制总线: 传递CPU发出的控制命令和主存返回给CPU的信号.

储存器的设计思想

储存器的设计思想可以分为:冯*诺依曼结构和哈佛结构.

冯*诺依曼结构

在冯诺依曼结构下的储存器结构,指令和数据是不加以区分地储存在储存器中,并共享数据总线.

由于指令和数据存放在同一储存器中,因此,在这种结构下,不能同时进行取指令和取操作数.

又由于储存器的访问速度远远慢于CPU的运算速度,从而使得计算机运算速度受到了很大的影响.

哈佛结构

哈佛结构的指令和数据是分开的.储存器分为两部分:程序储存器和数据储存器.前者是用来存放指令,而后者则是存放数据.

计算机的主要性能指标

机器字长

机器字长是指运算器进行一次运算所处理的位数,它通常是由寄存器,加法器的位数决定的,所以机器字长一般等于寄存器的位数.

数据通路宽度

数据总线一次并行传送信息的位数,称为数据通路宽度.它影响到信息传送能力,从而影响到计算机的有效处理速度.

储存容量

一个主储存器所能储存的全部信息量成为主存容量.计算机的主存容量越大,存放的信息就越多,处理问题的能力就越强.

参考资料

计算机组成原理
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E5%8C%AF%E6%B5%81%E6%8E%92