计算机组成原理之硬件的基本组成，深入介绍两大计算机结构体系，从底层出发认识计算机。

news2024/11/17 23:59:47

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深入学习计算机组成原理文章体系

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文章目录

什么是计算机系统
硬件的发展历史
冯诺依曼结构
冯诺依曼结构的特点
现代计算机的结构
现代计算机的结构的特点

什么是计算机系统

计算机系统是由硬件和软件组成的，能够执行数据处理和信息传输任务的一种计算机技术体系。

我们接下来着重介绍一下硬件相关的知识。

硬件的发展历史

时间	名称	描述
1946-1957	冯诺依曼（第一代计算机）	逻辑元件为：电子管，由于电子管的特性，耗电量异常高。
1958-1964	第二代计算机	逻辑元件为：晶体管，这种晶体管体积比电子管小，耗电较低。缺点是需要焊接硬件。
1964-1971	第三代计算机	逻辑元价为：中小规模集成电路。这时候开始操作系统，编程语言形成初步雏形。
1972-现在	第四代计算机	逻辑元价为：大/超大规模集成电路。这时开始，计算机开始飞速发展。

这里穿插一个小知识，bug的由来

第一代计算机使用机器码编程，就是使用二级制数0101....的形式在纸带上进行编写，就类似于如下图这样

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但是，在早期，如果纸带上面出现了小虫子，就是bug，这个时候机器就不能识别出bug，导致程序出现异常，所以bug这个称呼一直延续至今。

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计算机硬件的组成分为两个体系，一个是早期计算机的冯诺依曼结构，一个是现代计算机的结构。

冯诺依曼结构

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存储程序：

将指令以二进制的代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按照其在存储器当中的首地址执行程序的第一条执行指令，以后就按照程序的规则顺序执行其他指令，直至程序执行结束。
输入设备：

将信息转换为机器能识别的形式。
运算器：

实现算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）。
输出设备：

将结果信息转换为人类能够熟悉的形式
控制器：

负责指挥程序运行。

冯诺依曼结构的特点

存储程序：

冯·诺依曼计算机将 程序和数据存储在同一存储器中。程序被看作是一系列指令的集合，可以像数据一样存储、传输和修改。 这种存储程序的方式使得计算机能够灵活地执行不同的任务。
顺序执行：

冯·诺依曼计算机 按照指令的顺序依次执行，每条指令的执行都由控制单元负责。这种顺序执行方式保证了指令的正确性和一致性，并且使得程序的运行结果可预测。
存储器的随机访问：

计算机的 主存储器被划分为连续的地址空间，并且每个地址对应一个存储单元。这意味着计算机可以通过指定地址直接访问存储单元中的数据或指令，而不需要按照顺序逐个访问。
单一总线系统：

冯·诺依曼计算机使用 单一总线系统来连接CPU、内存和输入/输出设备（IO设备）等各个组件。 总线用于传输指令、数据和控制信号，实现了这些组件之间的通信与协调。
通用性和可编程性：

冯·诺依曼计算机是通用的，可以执行各种不同的任务。它的可编程性使得用户能够根据需要编写和修改程序，从而适应不同的应用场景。
存储器层次结构：

为了提高计算机的性能和存储容量，冯·诺依曼结构常常采用 存储器层次结构，包括 高速缓存、内存和辅助存储器等不同级别的存储设备。这种层次结构可以在速度、容量和成本之间做出平衡。
以计算器为设备的核心

这种方式导致计算机的运行 效率非常低，因为所有的操作都必须经过计算器。

现代计算机的结构

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可以看到，现代的计算机已经以 存储器为核心 了。

我们平常电脑里面的 CPU就是包括了计算器与控制器。

所以可以把结构图按照以下进行简化。

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现代计算机的结构的特点

现代计算机的结构包括以下几个主要组成部分：

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：

CPU是计算机的核心，负责执行指令和控制计算机的运行。它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等部件，用于进行数据运算和控制流程。
存储器：

存储器用于存储数据、指令和程序。主要包括 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read-Only Memory，ROM）。RAM是临时存储器，用于存储正在执行的程序和数据；而ROM是永久存储器，用于存储固定的程序和数据。
输入/输出设备：

输入/输出设备用于与外部环境交互，实现数据的输入和输出。 常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等；常见的输出设备包括显示器、打印机、音频设备等。
总线系统：

总线是不同组件之间传输数据、指令和控制信号的通道。 它分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传输数据，地址总线用于指定数据在存储器中的位置，控制总线用于传输控制信号。
存储器层次结构：

现代计算机通常采用存储器层次结构，包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器等不同级别的存储设备。 这种层次结构可以在速度、容量和成本之间做出平衡，提高计算机的性能和效率。
指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）：

ISA定义了计算机的指令集和编程模型。它规定了CPU支持的操作、寄存器的使用方式等，决定了软件与硬件之间的接口。常见的ISA包括x86、ARM等。
并行处理和多核技术：

现代计算机 采用并行处理和多核技术，将多个处理器核心集成到一个芯片中，实现同一时间处理多个任务或同时执行多条指令。