NOIP初赛篇——02计算机系统的基本结构

引言

计算机系统由硬件和软件两部分组成，硬件系统是计算机的“躯干”，是物质基础。而软件系统则是建立在这个“躯干”上的“灵魂”。

计算机硬件

​ 计算机硬件由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

​ 计算机的体系结构最早提出的人是冯·诺伊曼，他提出计算机应该具有五大部件：存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备。其中控制器和运算器又称CPU,是冯·诺伊曼计算机体系结构的核心，其他部件都是通过CPU进行通信的。

中央处理器（CPU——Central Processing Unit）

​ 由运算器、控制器和一些寄存器组成；运算器进行各种算术运算和逻辑运算；控制器是计算机的指挥系统；CPU的主要性能指标是主频和字长。

​ 运算器：又称算术逻辑单元（Arithmetical Logic Unit,ALU），主要功能是完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。

​ 控制器：Control Unit,CU。是整个计算机的指挥中心，根据事先给定的命令发出各种控制信号，指挥计算机各部分的工作。

​ 寄存器：主要用来存储存放指令、数据和位址。

​ 这三个部件通过CPU总线进行数据和指令的传递。

存储器

存储器的主要功能是用来保存各类程序的数据信息。

存储器可分为主存储器和辅助存储器两类，区别：是否可以直接和CPU交换数据，内存储器速度较快，而外存储器相对速度较慢。内存储器的数据存取速度虽然很快，但与CPU相比还存在一定的差距，为了加快数据存取速度，CPU内部又增加了高速缓冲存储器(Cache)。于是Cache、内存储器和外存储器共同构成了计算机的三层存储层次结构。

1. Cache，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种技术，位于CPU与主内存之间。Cache又分一级缓存L1，二级缓存L2和三级缓存L3。
2. 主存储器（也称为内存储器），属于主机的一部分。用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时存储器。
3. 辅助存储器（也称外存储器），属于外部设备。用于存放暂不用的数据和程序，属于永久存储器。存储器与CPU的关系表示：

1. 内存储器内存又称为主存，它和CPU一起构成了计算机的主机部分，它存储的信息可以被CPU直接访问。内存有半导体存储器组成，存取速度较快，但一般容量较小。内存中含有很多的存储单元，每个单元可以存放一个8位的二进制数。即一个字节（Byte，简称“B”）。内存中的每个字节各有一个固定的编号，这个编号称为地址。CPU在存取存储器中的数据时是按地址进行的。所谓存储器容量，即值存储器中包含的字节数，通常用KB、MB、GB、TB和PB作为存储器容量单位。1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1PB=1024TB

   ​ 内存储器包括寄存器、Cache和主存储器。寄存器在CPU芯片的内部，Cache位于CPU与主内存之间，而主存储器由插在主板内存插槽中的若干内存条组成。主存储器主要由半导体存储芯片构成。

   ​ 半导体存储芯片按照读写功能可分为随机读写存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。

   1. RAM是一种读写存储器，其内容可以随时根据需要读出，也可以随时重新写入新的信息。当电源电压去掉时，RAM中保存的信息都将全部丢失。

   2. ROM是一种内容只能读出而不能写入和修改的存储器，其存储的信息是在制作该存储器时就被写入的。在计算机运行过程中，ROM中的信息只能被读出，而不能写入新的信息。计算机断电后，ROM中的信息不会丢失。它主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出（I/O）控制程序。

   

2. 外存储器

   ​ 外存储器又称为辅助存储器，它的容量一般都比较大，而且大部分可以移动，便于在不同计算机之间进行信息交流。在微型计算机中，常用的外存有软盘、硬盘、闪存和光盘4种。

输入设备

​ 输入设备是外界向计算机传送信息的装置。在微型计算机系统种，最常用的输入设备是键盘和鼠标。此外，还有光电笔、数字化仪、图像扫描仪、触摸屏、麦克风、视频输入设备、条形码扫描器等，也可以用磁盘和磁带进行输入。

输出设备

​ 输出设备的作用是将计算机种的数据信息传送到外部媒介，并转化成某种为人们所认识的表现形式。在微型计算机中，最常用的输出设备有显示器和打印机。此外，还有绘图仪等，也可以通过磁盘和磁带输出。

总线结构

​ 现代计算机，尤其是小型与微型计算机都发展成为总线连接，形成以总线为中心的计算机硬件系统。总线将CPU、内存储器、外存储器及输入/输出设备连接起来。总线是指能为多个功能部件提供服务的一组公用信息总线，按照总线上传输的信息不同，总线可以分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）三种。借助总线连接，计算机可以在各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。这类计算机的主要体系结构如图：

​ 有时将连接CPU和内存的总线称为CPU总线（或前端总线），把连接内存和I/O设备（包括外存）的总线称为I/O总线。

数据总线

​ 用来传递数据信息，它主要连接了CPU与各个部件，是他们之间交换信息的通路。数据总线是双向的，而具体的传送方向由CPU控制。

地址总线

​ 用来传递地址信息。CPU通过地址总线中传送的地址信息访问存储器。通常地址总线是单向的。同时，地址总线的宽度决定可以访问的存储器容量的大小，如20条地址总线可以控制1MB的存储空间。

控制总线

​ 用来传送控制信号，以协调各部件之间的操作，控制信号包括CPU对内存储器和接口电路的读写控制信号、中断响应信号，也包括其他部件传送给CPU的信号，如终端申请信号、准备就绪信号等。

主要的性能指标

计算机的常用指标有：

字长

​ 字长是指一台计算机所能处理的二进制代码的位数。计算机的字长直接影响它的精度、功能和速度。字长越长，能表示的数值范围就越大，计算出的结果的有效位数就越多；字长越长，能表示的信息就越多，及其的功能就更强。目前常用的是16位、32位、64位字长。

运算速度

​ 运算速度是指计算机每秒钟所能执行的指令条数，一般用MIPS(Million of Instructions Per Second，即每秒百万条指令)为单位。由于不同类型的指令执行时间长短不同，因而运算速度的计算方法也不同。

主频

​ 主频是指计算机CPU的时钟频率，它在很大程度上决定了计算机的运算速度。一般时钟频率越高，运算速度就越快。主频的单位一般是MHz(兆赫)或GHz（吉赫）。

内存容量

​ 内存容量是指内存储器中能够存储信息的总字节数，一般以GB为单位。内存容量反映内存储器存储数据的能力。目前计算机的内存容量有2GB、4GB、8GB、16GB、32GB等。