计算机组成原理（1）概论

末蓝、 2023-09-24 13:36 13阅读 0赞

**目录**

1.1.定义

1.2.发展史

1.3.硬件组成

1.3.1.冯诺依曼体系

1.3.2.五大组件

1.4.性能指标

1.5.语言分层

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## 1.1.定义 ##

计算机，一种可以存储程序，并且通过执行程序指令，可以自动、高速、精确地对数字信息进行各种复杂处理，然后输出运算结果的电子设备。

## 1.2.发展史 ##

1944年，“冯诺依曼”加入美国军方一个名叫“ENIAC”的计算机研制项目，1945年他提出了一个名叫“存储程序通用电子计算机”的方案——“EDVAC”。该方案中定义了计算机的工作方式以及几大组成部分，后来将该方案中提出的这一套对于计算机的整体架构称为——“冯诺依曼体系”。

1946年参照冯诺依曼体系，在宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台计算机。如今世界上的计算机都是参照冯诺依曼体系进行的实现。

## 1.3.硬件组成 ##

### 1.3.1.冯诺依曼体系 ###

阿兰·图灵在1936年提出一种用于抽象的计算器模型——图灵机，在图灵机的基础上，冯诺依曼进行了改进，提出了——“冯诺依曼思想”，即程序存储，将程序存放在机器上，在需要执行的时候调入执行。

为了实现这个核心思想，冯诺依曼自己给出了一套计算机的体系实现，也就是现代计算机的体系实现——“冯诺依曼体系”。

“冯诺依曼系统”概括起来，从对现代计算机的体系实现做了如下阐述：

*  计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，五大部件组成。
 *  指令和数据以同等地位存于存储器中，并可按地址访问。
 *  指令和数据均用二进制表示
 *  程序存储（核心思想）
 *  以运算器为中心

### 1.3.2.五大组件 ###

冯诺依曼提出的计算机体系结构的将计算机抽象为5大组件：

*  内部组件
    
     *  运算器，由ALU（算术逻辑单元）构成，执行算术逻辑运算以及位移循环等操作。常说的计算机的位数，也就是运算器的一个数据单元的宽度，8位、16位、32位、64位。
     *  控制器，CU，产生控制命令，控制全机。
     *  存储器，用二进制的方式存储数据和程序。
 *  外部组件
    
     *  输入设备
     *  输出设备

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除了五大组件外还有两大配件：

*  总线，bus，用来传输信息的通路，其将各个部件组件连在一起，以分时的方式将通路资源分给各个部件。
 *  接口，外设输入的信息格式各不相同，需要进行转换成总线支持的数据格式，才能在总线中跑起来，因此为了适配这些外设，在外设和总线之间设置了一个中间层——“接口”，负责缓冲、连接、转换等功能。

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**五大组件+两大配件配合工作：**

5个功能模块不是相互独立的，而是由通路（总线）将他们连在一起形成一个有机的整体，输入设备产生输入，在存储器中存储，经过运算器的运算（运算结果会放在存储器中），最后由输出设备进行输出。

整个过程各个器件不能自主执行，需要在控制器的控制下进行。控制器通过控制信号去控制计算机的各个功能模块，因此是计算机中最重要的。

在硬件实现层面，控制器和运算器集成在一起，称为“CPU”。

## 1.4.性能指标 ##

计算机的主要性能指标有四个：基本字长、主频、外频、存储容量。

基本字长：

CPU一次数据处理操作的位数，即一个数据单位，数据长度有多少位。也就是常说的“32位”、“64位”，位数越长、精度越高、性能越高。该指标与CPU中的寄存器位数有关。

主频：

主频即CPU内核工作的时间频率，单位为Hz ，CPU单位时间内可以执行运算的次数与CPU的主频直接相关。当然可执行运算的次数不一定是CPU的可执行指令的条数，有些指令可能需要占用多次运算次数才能执行完。主频越高，CPU的性能越强。

外频：

外频，也叫基频，即CPU外部的频率， CPU以这个频率来与内存联系，单位为Hz。外频越高、CPU空载的时间也就越少，利用率也就越高，相应的数据处理也就越快。

存储容量：

存储器由存储单元组成，一个存储单元里面可以存储N位二进制数。平时说的32位、64位指的就是存储单元中存放的二进制数的位数（与CPU的运算位数一致）

存储容量=(存储单元个数X存储字长)/8 如(64K X 32位)/8 单位bit（kb、mb、gb）。

## 1.5.语言分层 ##

机器语言，也叫机器指令，是一串01二进制数字串，机器能直接识别，从而直接控制硬件。

机器语言记忆起来不方便，于是将机器语言符号化，出现了汇编语言。一条汇编指令的功能由多条机器指令来实现。汇编指令想要在机器中被解析执行需要对应的解析执行的程序。

汇编语言需要手动管理内存，使用起来不方便，于是将汇编语言封装成高级程序语言，隐藏内存管理。高级程序语言想要在机器中被解析执行需要对应的解析执行的程序。

操作系统作为实际机器与语言之间的中间层，为程序的执行安排合理的调度，也为程序能更好的与硬件交互提供一些封装好的功能（程序接口）。

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