计算机组成原理

文章目录

[1. 冯诺依曼模型](#1. 冯诺依曼模型)

[1.1 四个子系统](#1.1 四个子系统)

[1.2 存储程序概念](#1.2 存储程序概念)

[1.3 指令的顺序执行](#1.3 指令的顺序执行)

[2. 计算机组成部件](#2. 计算机组成部件)

[3. 中央处理单元CPU](#3. 中央处理单元CPU)

[4. 内存](#4. 内存)

[5. 输入/输出（I/O）系统](#5. 输入/输出（I/O）系统)

[6. 程序的执行](#6. 程序的执行)

[6.1 机器周期](#6.1 机器周期)

[6.2 输入/输出操作](#6.2 输入/输出操作)

[7. 体系结构](#7. 体系结构)

[7.1 CISC（复杂指令集计算机）](#7.1 CISC（复杂指令集计算机）)

[72 RISC（精简指令集计算机）](#72 RISC（精简指令集计算机）)

[7.3 流水线技术](#7.3 流水线技术)

1. 冯诺依曼模型

冯诺依曼模型由科学家约翰·冯·诺依曼提出，是现代计算机体系结构的基础。基于冯诺依曼模型建造的计算机在存储器（内存和寄存器）中存储数据和程序。由于程序和数据在逻辑上是相同的，因此程序也能存储在计算机的存储器中。

1.1 四个子系统

存储器：

功能：存储器用于保存计算机运行时需要的数据和指令。内存中的数据可以随时被处理器访问和修改。
类型：包括主存（RAM）、只读存储器（ROM）和寄存器。
重要性：存储器是计算机的核心组件，所有数据和指令都在这里存储和读取。
操作：CPU通过地址总线指定存储位置，通过数据总线读取或写入数据。

算数逻辑单元（ALU）：

功能：ALU执行所有的算术和逻辑操作，如加减乘除、逻辑与或非、移位等。
类型：包括加法器、乘法器、逻辑门等。
重要性：ALU是计算机的计算核心，负责执行各种数据处理任务。
操作：CPU将操作数送入ALU，通过控制单元发出相应指令，ALU进行计算并将结果存回寄存器或内存。

控制单元：

功能：控制单元解码和执行指令，协调存储器、ALU和I/O单元的工作。
组成：包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制逻辑电路等。
重要性：控制单元通过从存储器读取指令并解释执行，确保计算机按照预定的程序运行。
操作：通过控制信号，控制单元决定各个部件的工作状态和操作顺序。

输入/输出单元（I/O）：

功能：I/O单元允许计算机与外部环境进行数据交换。
组成：输入设备（键盘、鼠标等）和输出设备（显示器、打印机等）。
重要性：I/O单元是计算机与外界交互的桥梁，负责接收外部数据和输出处理结果。
操作：输入设备将外部数据送入计算机，输出设备将计算结果输出到外部。

1.2 存储程序概念

冯诺依曼模型的一个重要特征是"存储程序"概念，即程序也必须存储在存储器（内存）中。现代计算机的存储单元用于存储程序和数据，这意味着程序和数据应具有相同的格式。实际上，它们都是以位模式（0和1）存储在内存中。

计算机启动过程：
- 当计算机启动时，首先从只读存储器（ROM）中读取启动程序（BIOS/UEFI），这个程序初始化硬件并加载操作系统。
- 操作系统被加载到内存中，控制计算机的资源和提供应用程序的运行环境。
程序执行过程：
- 应用程序的代码被加载到内存中。
- CPU通过程序计数器（PC）获取指令地址，从内存中读取指令并执行。
- 指令可能涉及数据操作，这些数据也存储在内存中，CPU通过地址总线访问这些数据进行计算。

1.3 指令的顺序执行

冯诺依曼模型中的程序由一组数量有限的指令组成，控制单元从内存中提取指令，解释指令，并逐条顺序执行。这意味着指令的执行是按程序中预定的顺序进行的，除非程序包含跳转或分支指令。

指令顺序执行：
- 控制单元从内存中逐条提取指令，按序执行。
- 每条指令包含操作码和操作数，控制单元负责解释这些指令，并协调其他组件执行相应的操作。
内存结构：
- 内存分为两个部分：程序(包含一系列指令，如1+2, -3, *4, /5等。)和数据(包含若干数据值，如10, 40, 20, 3, 9)。
- 程序部分存储要执行的指令，数据部分存储指令执行过程中需要操作的数据。
程序执行过程：
- 取指令（Fetch）：控制单元从内存的程序部分读取下一条要执行的指令，通常由程序计数器（PC）提供指令地址。
- 解释指令（Decode）：控制单元对读取到的指令进行解释，确定要执行的操作和操作数。
- 执行指令（Execute）：ALU或其他执行单元执行指令规定的操作，可能涉及从内存读取或写入数据。
- 存储结果（Store）：将指令执行的结果存储到内存或寄存器中。

示例分析：

假设有如下程序和数据：

程序

|---|-------|
| 1 | 1 + 2 |
| 2 | -3 |
| 3 | *4 |
| 4 | /5 |

数据

|---|----|
| 1 | 10 |
| 2 | 40 |
| 3 | 20 |
| 4 | 3 |
| 5 | 9 |

执行过程

取指令 ：控制单元读取第一条指令1 + 2。
解释指令：控制单元解释指令，确定执行加法操作。
执行指令 ：ALU执行1 + 2，结果为3。
存储结果：将结果3存储在数据部分或寄存器中。

接着执行下一条指令：

取指令 ：控制单元读取第二条指令-3。
解释指令：确定执行减法操作。
执行指令：从上一步结果中减去3，得到结果0。
存储结果：将结果0存储。

继续依次执行* 4和/ 5指令，最终结果为(10 + 40 - 20) * 3 / 9

2. 计算机组成部件

计算机的组成部件可以分为三个大类：中央处理单元（CPU），主存储器（内存），输入/输出子系统（I/O）。

中央处理单元（CPU）

功能：CPU是计算机的核心部件，负责执行指令、处理数据和控制其他部件的操作。
组成：
- 算数逻辑单元（ALU）：负责执行算术和逻辑运算。
- 寄存器：用于临时存储数据和指令。
- 控制单元：负责从内存中提取指令，解释并执行指令，协调计算机各部件的工作。
现代CPU：随着技术的发展，现代CPU集成了越来越多的功能，提高了计算机的性能和效率。例如，苹果的M1芯片不仅集成了CPU和GPU，还将内存集成其中，使得数据传输更加高效。集成度的提高使得计算机性能更强，功耗更低，适用于多种应用场景。

主存储器（内存）

功能：内存用于存储正在执行的程序和数据。内存中的数据可以快速读取和写入，保证CPU能够高效地处理数据。
类型：主要包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
结构：内存通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU进行通信。

输入/输出子系统（I/O）

功能：I/O子系统负责计算机与外部环境的交互，包括数据的输入和输出。
组成：
- 输入设备：如键盘、鼠标等，用于接收用户输入。
- 输出设备：如显示器、打印机等，用于将计算结果输出给用户。
控制器：每个I/O设备通过控制器与CPU和内存进行通信。

总线结构

总线是计算机内部各部件之间传输数据的通道，主要包括：

数据总线：用于传输数据。
地址总线：用于传输内存地址，确定数据的存储位置。
控制总线：用于传输控制信号，协调各部件的操作。

3. 中央处理单元CPU

CPU是计算机的核心组件，负责执行数据运算和指令处理。它主要包括三个部分：算数逻辑单元（ALU）、控制单元和寄存器组。

3.1 CPU中的算数逻辑单元（ALU）

算数逻辑单元（ALU）是CPU中负责执行所有算术和逻辑运算的部分。ALU对输入的数据进行计算和逻辑操作，并将结果输出。

主要运算类型

算术运算：

整数运算：包括加法、减法、乘法和除法。
浮点数运算：处理浮点数的加减运算。

位移运算：

逻辑移位：包括左移和右移，移位时空位用0填充。
算术移位：保留符号位不变，左移或右移时符号位保持不变。

逻辑运算：

非（NOT）：将二进制数据的每一位取反。
与（AND）：将两个二进制数据对应位同时为1时，结果为1，否则为0。
或（OR）：将两个二进制数据对应位有一个为1时，结果为1。
异或（XOR）：将两个二进制数据对应位不同，则结果为1，相同则为0。

3.2 CPU中的寄存器

寄存器是CPU内部用于临时存储数据的高速存储单元。它们具有非常快的读写速度，用于存储中间运算结果、当前指令和地址等。

主要类型

数据存储寄存器：
- 保存运算的中间结果和数据。
指令存储器（IR）：
- CPU从内存中逐条取出指令，并存储在指令存储器中，解释并执行指令。
程序计数器（PC）：
- 保存当前正在执行的指令地址。当前指令执行完成后，计数器自动加1，指向下一条指令的内存地址。

3.3 CPU控制单元

控制单元负责控制和协调CPU内各个子系统的操作。它通过生成控制信号来管理数据流和指令执行过程，确保各个部分协同工作。

主要职责

指令解码：解释从内存中取出的指令，并生成相应的控制信号。
执行控制：控制ALU执行指定的算术和逻辑运算。
数据流管理：管理寄存器和内存之间的数据传输。
系统协调：协调CPU内部各部分以及CPU与其他硬件组件之间的工作。

4. 内存

内存是存储单元的集合，每个存储单元都有唯一的标识，称为地址。数据以"字"的形式在内存中传入传出，字可以是8位、16位、32位、64位等。如果字是8位，一般称为一个字节。

4.1 内存类型

主要有两种类型：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

随机存取存储器（RAM）：

特点：系统断电后，信息（程序或数据）丢失。
用途：用于存储计算机运行过程中需要处理的数据和程序。
示例：在计算机运行时，操作系统和应用程序的数据会存储在RAM中，以便CPU快速访问和处理。

只读存储器（ROM）：

特点：系统断电数据不会丢失。ROM中的数据由制造商预先写入，用户只能读不能写。
用途：常用于存储开机时运行的程序，例如系统引导程序。
示例：计算机的BIOS/UEFI固件通常存储在ROM中，以便在系统启动时加载和运行。

固态硬盘（SSD）：

现代固态硬盘也可以写入数据，但系统盘通常不可以写入。固态硬盘常用来存储操作系统和应用程序，以提供快速读取和写入性能。

4.2 存储器的层次

存储器通常分为多个层次，从速度和容量上形成金字塔结构，从上到下，存储速度逐渐降低，容量逐渐增大：

寄存器（CPU中使用）：最快速、最昂贵，容量最小。
高速缓冲存储器（Cache）：存储数据的速度比内存快，比寄存器慢。容量较小，位于CPU和主存储器（内存）之间。
主存储器（内存）：速度较慢，容量较大，用于存储程序和数据。

4.3 高速缓冲存储器

高速缓冲存储器（Cache）存储数据的速度比内存快，比寄存器慢。通常容量较小，位于CPU和主存储器（内存）之间。Cache用于临时存储经常访问的数据，以提高系统性能。

4.4 CPU和存储器的连接

CPU与主存储器之间通常通过总线进行连接，总线包括三组线路：数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线：

功能：传输数据。由多根线组成，每根线每次传送1个位的数据。
示例：如果计算机的字是32位，那么需要32根线的数据总线，以便同一时刻传送32位的数据。

地址总线：

功能：传输地址信息，用于访问存储器中的特定位置。
示例：如果存储器的容量为2的n次方个字，那么地址总线需要n根线来传送n位的地址数据。

控制总线：

功能：传输控制信号，协调各部件的操作。
示例：如果计算机有2的m次方条控制命令，那么控制总线就需要有m根线来传送这些控制信号。

5. 输入/输出（I/O）系统

输入/输出设备使计算机能够与外界进行通信，并在断电情况下存储程序和数据。I/O设备分为两大类：非存储设备和存储设备。

1. 非存储设备

键盘，鼠标，显示器 ，打印机

2. 存储设备（辅助存储设备）

特点：数据存储便宜，断电后数据不丢失。
种类：
- 磁介质：如硬盘、磁带等。
- 光介质：如CD、DVD、蓝光光盘等。

3. I/O设备的连接

输入/输出设备不能直接与CPU和内存的总线相连接
- 原因：输入/输出设备与CPU和内存的本质不同，输入/输出设备是磁性或光学设备，而CPU和内存是电子设备。
- 速度差异：输入/输出设备的数据读取速度远慢于CPU和内存，因此需要一个中介来处理这种差异，这个中介就是输入/输出控制器。
输入/输出控制器
- 功能：连接输入/输出设备到总线上，每一个输入/输出设备都有一个特定的控制器。
- 作用：处理输入/输出设备与CPU和内存之间的数据传输和速度差异。
I/O设备的连接控制器
- 功能：控制器清除了输入/输出设备与CPU及内存在本质上的障碍，确保数据的有效传输。
- 类型：
  - 串行控制器：只有一根数据线连接到设备上，数据按位顺序传输。
  - 并行控制器：有多根数据线连接到设备上，可以同时传输多个位的数据。
常用控制器
- SCSI（小型计算机系统接口）：用于连接和传输数据到和来自外围设备。
- 火线（FireWire）：用于高速数据传输，常用于连接摄像机和外部硬盘。
- USB（通用串行总线）：广泛用于连接各种外围设备，如键盘、鼠标、存储设备等。
- HDMI（高清多媒体接口）：用于传输高清视频和音频信号，常用于连接显示器和电视。

I/O设备通过控制器连接到计算机总线，实现与CPU和内存的数据传输。控制器处理I/O设备与CPU和内存之间的本质差异，确保数据有效传输。串行控制器和并行控制器分别用于不同的数据传输需求，常用的控制器包括SCSI、火线、USB和HDMI。通过理解这些连接机制，可以更好地理解计算机系统与外部设备的交互原理。

6.程序的执行

通用计算机使用程序的一系列指令来处理数据，通过执行程序，将输入数据转换为输出数据。程序和数据都放在内存中。

6.1 机器周期

CPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，从开始到结束。一个机器周期包括三个步骤：取指令、译码和执行。

取指令：
- 步骤：CPU的控制单元命令系统将下一条将要执行的指令复制到CPU的指令寄存器中。
- 细节：被复制的指令地址保存到程序计数器（PC）中，复制完成后，程序计数器自动加1，指向内存中的下一条指令。
译码：
- 步骤：当指令置于指令寄存器（IR）后，该指令将由控制单元负责译码。
- 细节：指令译码的结果是产生一系列系统可执行的二进制代码。
执行：
- 步骤：指令译码完毕后，控制单元发送任务命令到CPU的某个部件。
- 细节：例如，控制单元告知系统从内存中读取数据，或者进行算术运算。这就是执行阶段。

6.2 输入/输出操作

输入/输出操作是计算机与外部环境进行数据交换的过程。

输入操作：
- 功能：将外部数据输入到计算机内存中。
- 过程：例如，用户通过键盘输入数据，数据通过键盘控制器传送到内存。
输出操作：
- 功能：将计算结果或其他数据输出到外部设备。
- 过程：例如，计算机将处理结果通过显示器输出，显示器控制器负责将数据传输到显示器进行显示。

程序的执行是通过机器周期的重复操作来完成的，每个机器周期包括取指令、译码和执行三个步骤。通过控制单元协调，各个步骤顺序执行，使得计算机能够自动化处理数据并产生输出。输入/输出操作确保了计算机能够与外部环境进行有效的数据交换。理解这一流程，有助于深入了解计算机的工作原理和程序执行机制。

7. 体系结构

7.1 CISC（复杂指令集计算机）

设计策略：使用大量的指令，包括复杂指令。并且每个复杂任务对应一条指令，简化了程序设计。

优点：

程序设计更容易，因为复杂任务可以通过单一指令完成。
程序员不需要编写大量的简单指令来实现复杂操作。

缺点：

指令集的复杂性导致CPU和控制单元的电路设计非常复杂。

优化方案：

程序在两个层面上运行，CPU不直接执行机器语言指令，而是执行被称为微操作的简单操作。
复杂指令被转化为一系列简单操作后由CPU执行，这种使用微操作的程序设计被称为微程序设计。

应用：典型的CISC处理器是英特尔开发的奔腾系列CPU。

72 RISC（精简指令集计算机）

设计策略：使用少量的指令，完成最少的简单操作。强调指令集的简洁性和高效性。

优点：

指令集简洁，CPU和控制单元的设计更简单。
通过减少指令集的复杂性，提高了指令执行的速度。

缺点：

程序设计相对困难，因为复杂操作需要由多条简单指令组合实现。

应用：

RISC处理器在嵌入式系统、移动设备和服务器中广泛应用，例如ARM处理器。

7.3 流水线技术

概念：流水线技术通过将指令执行分为多个阶段（如取指令、译码和执行），实现多个指令的并行处理，提高了CPU的吞吐量。

工作原理：

早期计算机每条指令的三个阶段需要串行完成，即一条指令执行完毕后才开始下一条指令。
现代计算机使用流水线技术，允许下一条指令在前一条指令完成前开始执行。例如，指令1的取指令阶段完成后，指令2可以开始其取指令阶段，而指令1进入译码阶段。

优势：

流水线技术显著提高了指令执行的效率和CPU的整体性能。
通过并行处理多个指令的不同阶段，提高了CPU的吞吐量。
无流水线：指令1执行完毕后，指令2才开始，依次类推，执行效率较低。
有流水线：指令1的各阶段与指令2和指令3的各阶段交错进行，实现了指令的并行处理，提高了执行效率。

CISC和RISC是两种不同的计算机体系结构，各有优缺点。CISC通过复杂指令集简化程序设计，但导致CPU设计复杂；RISC通过简化指令集提高执行速度，但程序设计相对困难。流水线技术通过并行处理指令的不同阶段，显著提高了计算机的执行效率和性能。