计算机系统基础

一、计算机系统的基本组成

1 计算机硬件系统

在传统概念上，基本的计算机硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。
随着网络技术发展，通信部件逐渐成为基本构件。

二、计算机的类型

①. 按体积和工作能力分：巨型计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机
②. 按照功能是否专一分：通用计算机、专用（嵌入式）计算机
③. 按照CPU指令系统结构分：复杂指令系统计算机、精简指令系统计算机
④. 按照体系结构及指令处理方式分：单指令流单数据流计算机、单指令流多数据流计算机、多指令流单数据流计算机、多指令流多数据流计算机

三、计算机的组成和工作原理

1 计算机的组成

计算机硬件基本由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成
这五大部分的作用如下：
首先，对数据进行加工处理的部件我们称运算器，主要由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（ACC）、乘商寄存器（MQ）状态存储器、通用存储器等组成，它能完成算数运算又能完成逻辑运算，所以也称为算数逻辑单元
其次，控制器主要由控制单元（CU）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）组成。CU主要执行指令的作用，IR一般存放当前欲执行指令、PC存放下一条指令的地址。
再次，存储器主要由存储体(M)，地址寄存器（MAR）、数据寄存器（MDR）组成。为了提高整个系统的运行速度，计算机中往往还要设置寄存器、高速缓存等存储器
最后，输入设备（I）和输出设备（O）是计算机系统与外界交互信息的装置，一般通过总线和接口将主机与I/O设备有机的组合在一起，例如，键盘(输入)、鼠标(输入)、显示器(输出)、打印机(输出)等等

运算器与控制器的集成我们成为中央处理器简称CPU

2 总线的基本概念

2.1 总线的定义与分类

定义：总线是连接多个设备的信息传送通道，实际上是一组信号线。在广义上，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以成为总线。
分类：
① 芯片内总线：用于集成电路芯片内部各个部分的连接
② 元件级总线：用于一块电路板中各个元器件的连接
③ 系统总线：又称内总线，用于计算机各个组成部分（CPU、内存、接口等）的连接
④ 外总线：又称通信总线，用于外部设备和计算机之间的连接或通信

3 系统总线

3.1 系统总线的概念

系统总线的作用
系统总线是微机系统中最为重要总线，对计算机系统性能的影响极大，
CPU可以通过系统总线对存储器的内容进行读写
同样，通过该系统总线，可以实现CPU内数据写入外部设备，或由外部设备读入CPU
系统总线的主要性能指标
(1) 带宽：单位时间内总线上传送的数据量，即每秒所能传送的最大稳态数据传输率
(2) 位宽：总线同时可以传送的二进制数据的位数，或说是数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度。位宽越宽就说明每秒传输率越大，总线的带宽越宽
(3) 工作频率：单位为MHz，工作频率越高，总线的工作速度就越快，总线的带宽也就越宽
计算方式：总线带宽=总线工作频率*总线位宽/8

3.2 常见的系统总线

(1) ISA总线：工业标准总线，可以与更早的PC总线兼容。
ISA总线主要包括24条地址线，16条数据线以及控制总线（内存读写、接口读写、中断请求、中断响应、DMA请求和DMA响应等），±5V、±12V电源和地线等
(2) EISA总线：EISA总线是在ISA总线基础上发展的32位总线，它定义了32位地址线、32位数据线以及其它控制信号线、电源线、地线等196个节点。总传输率可达33Mb/s。
(3) PCI总线：PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线。PCI总线有两种标准，适用于32位机的124个信号的标准和适用于64位机的188个信号标准。PCI总线的传输率最少为133Mb/s，64位PCI总线的传输率为266Mb/s。
PCI总线的工作与处理器的工作是相互独立的，即PCI总线与处理器时钟独立，非同步。PCI总线即插即用，但后来遇到了并行总线的技术瓶颈。
(4) AGP（Accelerated Graphics Port，图形加速端口） ：Intel公司推出的图形显卡专用局部总线，直接与主板的北桥芯片相连，且通过该接口让显示芯片与系统主内存直接相连，避免窄宽带的PCI总线形成系统瓶颈，增加3D图形数据传输速度，在显存不存的情况下可以调用系统主内存。
AGP总线标准工作在32位总线时有66MHz和133MHz两种工作频率，最高数据传输率为266Mb/s和533Mb/s。PCI总线最大理论传输率仅仅为133Mb/s。目前最高规格的AGP8X模式下数据传输率达到了2.1Gb/s
(5) PCI Express总线（简称PCI-E）：有PCI Express X1、X2、X4、X8、X12、X16和X32等多种规格。采用点对点串行连接，每个设备都有自己专用连接，不需要向整个总线请求宽带。PCI-E采用双单工连接提供了更高的传输效率和质量。PCI-E采用串行数据包方式传递数据，支持高阶电源管理，支持热插拔，支持数据同步传输，为优先传输数据进行带宽优化

4 外总线

外总线名称	描述
RS-232C	串行外总线。 传输线少（一条发、一条收、一条地线实行全双工通信）、传输距离远（用电平传15m，电流环传可达千米）、多种传输效率、良好的抗干扰性
RS-485	采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰，要求通信距离为几十米到上千米时广泛采用RS-485
SCSI	Small Computer System Interface 小型计算机系统接口，并行外总线，广泛用于连接软硬件磁盘、光盘和扫描仪等，早期8位，后发展16位、32位，U ltra320 SCSI 单通道的传输速率最大可达320Mb/s，采用双通道的SCSI控制器可达640Mb/s
USB	通用串行总线，USB1.0最低传输速率为1.5Mb/s，最大为12Mb/s。USB2.0传输速率为480Mb/s，最大优点是支持即插即用并支持热插拔
IEEE-1394	串行数据传输协议，支持即插即用，支持热插拔，比USB快，主要用于音频、视频等数据传输，理论上可以连接64台设备，传输速率有100Mb/s、400Mb/s、800Mb/s、1600Mb/s、3.2Gb/s等规格

5 中央处理单元（CPU）

中央处理单元（Central Process Unit 缩写CPU），简称微处理器，常被称为处理器

5.1 CPU的功能

CPU用于控制并协调各个部件的工作

功能名称	描述
指令控制	通过执行指令来控制程序的执行顺序，重要职能
操作控制	一条指令功能的实现需要若干的操作控制信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并传递给相应的部件，控制各个部件按指令来进行操作
时序控制	CPU通过时序电路产生的时钟信号进行定时，使各个操作按照规定的时序进行
数据处理	完成对数据的加工处理是最根本的任务

CPU还需要对内部或外部的中断（异常）以及DMA（Direct Memory Access,直接存储器访问）请求作出响应，并进行相应的处理

5.2 CPU的组成

CPU由运算器、控制器（Control Until，CU）、寄存器组、内部总线组成

5.2.1 运算器

运算器简称ALU，主要用于完成算术运算和逻辑运算
运算器基本包含算术运算单元、逻辑运算单元、累加器（AC）、状态字寄存器（PSW）、寄存器组以及多路转换器等逻辑部件 寄存器：用于暂存操作数或数据的地址 标识寄存器：状态寄存器，用于存放算术、逻辑运算过程中产生的状态信息 累加器：运算器中的主要寄存器之一，用于暂存运算结果以及向ALU提供运算对象

5.2.2 控制器

控制器主要功能是从内存中取出指令，并下达一条指令在内存中的位置，将取出的指令送入指令寄存器，启动指令译码器对指令进行分析，最后发出相应的控制信号和定时信息，从而控制和协调计算机各个部件完成对应的指令所规定的操作。
控制器由程序计数器（简称PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、状态字寄存器（PSW）、时序生产器和微操作信号发生器组成
程序计数器：当程序顺序执行时，没取出一条指令，PC内容就会自动增加一个值，指向下一条要取得指令。当程序出现转移时，将转移地址送入PC，之后由PC指出新的指令地址。
指令寄存器：存放正在执行的指令
指令译码器：对现有指令进行分析，确定指令类型、所要完成的操作以及寻址方式
时序部件：用于产生时序脉冲和节拍电位以控制计算机各个部件有序的工作
状态字寄存器：用于保存指令执行完后产生的条件码、中断和系统工作状态等信息
微操作信号发生器：

指令的执行
第一步：取指令，控制器按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出指令
第二步：指令译码，将指令的操作码部分传送给指令译码器进行分析，之后根据指令相关功能向有关部件发出控制命令
第三步：按指令操作码执行，根据指令译码器分析产生的操作控制命令以及程序状态字寄存器的状态，控制微操作形成部件产生一系列CPU内部的控制信号和输出到CPU外部的控制信号，在这一系列的信号控制下完成指令的执行
第四步：形成下一条指令地址，若非转移类指令，则修改程序计数器的内容；若是转移类指令，则根据转移条件修改程序计数器的内容

5.3 寄存器组

寄存器是CPU内部的临时存储单元，可以用来存放数据、地址、控制信息、CPU工作时的状态。
在CPU中增加寄存器可以减少访问内存的次数，提高运行速度，但寄存器不是越多越好，过多的寄存器会增加指令的长度，寄存器地址编码也会增加

• 累加器：可以短时间的存储运算过程中所需的操作数和中间运算结果。
• 通用寄存器组：CPU中的一组工作寄存器，用于暂存运行时的操作数或地址，在程序中使用可以减少访问内存次数，提高运算速度。
• 标志寄存器：也称状态寄存器，记录运算中产生的标志信息。
  -状态寄存器的每一位单独使用，称为标志位。标志位的取值反映了ALU（运算器）的当前工作状态，可以作为条件转移指令的转移条件。
  常见的标志位：

名称	描述
进位标志位（C）	当运算结果最高位产生进位时，表示“1”
零标志位（Z）	当运算结果为0时，表示“1”
符号标志位（S）	当运算结果为负时，表示“1”
溢出标志位（V）	当运算结果产生溢出时，表示“1”
奇偶标志位（P）	当运算结果中“1”的个数为偶数时，表示为“1”