2. 计算机到底是什么组成的？

2024-06-02 15:07| 来源: 网络整理| 查看: 265

1. 冯.诺依曼体系结构计算机的组成从“装机”理解——三大件：CPU、内存、主板 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）：最重要是因为所有的“计算”都是由CPU来进行的，也是因为CPU是最贵的部件之一。内存（Memory）：操作系统以上的所有软件（如开发的程序、打开的浏览器、运行的游戏）都要加载到内存里才能运行。程序读取的数据、计算得到的结果，也都要放在内存里。内存越大，能加载的东西自然也就越多。存放在内存里的程序和数据，需要被 CPU 读取；CPU 计算完之后，还要把数据写回到内存。主板（Motherboard）：主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了 CPU 和内存之间如何通信的问题。 a) 芯片组控制了数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题。 b) 总线则是实际数据传输的高速公路。因此，总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。

从“装机”理解——其他：电源、输入（Input）/输出（Output）设备问题1：如何长久的保存数据呢？答：硬盘问题2：如何隔绝灰尘和解决散热问题呢？答：机箱和风扇问题3：不要硬盘、键盘、鼠标、显示器、机箱和风扇可以吗？答：可以问题4：不要硬盘还可以怎么长久保存数据？答：网络硬盘 --> 顺带演示SSH 显卡（Graphics Card）：使用图形界面操作系统的计算机必备之必须。玩游戏、做图形渲染和跑深度学习应用的计算机之良品。问题5：那为什么有些计算机没有显卡呢？答：集成了问题6：显卡里有什么？答：GPU（Grahphics Processing Unit，图形处理器）问题7：键盘、鼠标和硬盘这些I/O设备（外设）由什么来控制？答：由主板上的南桥（SouthBridge）芯片组来控制，控制他们与CPU之间的通信。问题8：北桥是干嘛的？我的计算机怎么没有北桥了？北桥用来控制CPU和内存、显卡之间的通信。现在很多已经集成到CPU中去了。问题9：手机的组成与通用计算机的组成是一样的吗？答：一样。但是，手机一般没有内存插槽、CPU 插槽，手机将 CPU、内存、网络通信，甚至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上。这块集成封装的芯片叫做System on a chip（SoC）

冯.诺依曼体系结构无论是PC、服务器、手机，还是Raspberry Pi（树莓派）都遵循一个“计算机”抽象概念——冯.诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture），也称为存储程序计算机。问题10：什么是存储程序计算机？答：1.可编程计算机；2.存储计算机。在这里插入图片描述

老式计算器是不可编程计算机。在这里插入图片描述

冯.诺依曼1945年6月30日写的一篇101页（不完整）的报告，叫做First Draft Of a Report on the EDVAC（中文名为《第一份草案》），描述了他心目中的计算机是什么样子的，归纳为： a) 有一个处理器单元（Processing Unit），由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）和处理器寄存器（Processor Register）组成，用来完成各种算术和逻辑运算。 b) 有一个控制器单元（Control Unit，简称CU），由指令寄存器（Instruction Register，简称IR）和程序计数器（Program Counter，简称PC）组成，用来控制程序的流程。 c) 内存用来存储数据（Data）和指令（Instruction）。 d) 有各种输入和输出设备。在这里插入图片描述

总结学习计算机组成原理就是在理解从控制器、运算器、存储器、输入设备以及输出设备，从电路这样的硬件，到最终开放给软件的接口，是怎么运作的，为什么要设计成这样，以及在软件开发层面怎么尽可能用好它。 a) 存储程序：将程序存放在计算机的存储器中。处理器CPU只能对存放在主存（即内存）中的程序或数据进行运算。问题11：存储系统的构建？如何快速访问主存中的程序和数据？ b) 程序控制：按照指令地址访问主存并取出指令，经译码依次产生执行指令所需的控制信号，实现对计算机系统的控制，完成指令的功能。问题12：指令系统、控制器如何设计？在这里插入图片描述

问题13：另一位计算机大师图灵（Alan Mathison Turing）提出了图灵机（Turing Machine）的概念，这个概念和冯.诺依曼提出的计算机有什么不同？ 2. 硬件系统

a) 运算器：（算术运算）加/减/乘/除…；（逻辑运算）与/或/非/移位…，由ALU（Arithmetic Logical Unit）和寄存器（SRAM）组成。由于指令、数据类型、性能要求等不同，不同运算器在功能和结构上有所不同。 b) 控制器：控制信号形式有电平信号和脉冲信号两种。产生控制信号的依据由指令、状态、时序决定，分别对应指令寄存器、状态触发器和时序电路。控制信号产生的方式分为微程序和硬布线两种方式。在这里插入图片描述 c) 存储器：存放原程序、原数据、运算的中间结果等。其工作模式分为读和写两种。按照地址读或写对应的存储单元。问：存储容量和地址线数量的关系？ 10-bit地址线 --> 2^10=1KB 20-bit地址线 --> 2^20=1MB 30-bit地址线 --> 2^30=1GB d) 输入/输出设备

3. 软件系统

a) 可以在计算机硬件上运行的思想和内容的数字化。思想 (程序的表达)：算法、规律、方法。内容：图像、数据、声音、文字等。 b) 用二进制表示的程序和数据。 c) 核心是算法。

4. 软硬件的关系

a) 逻辑等效性：某些功能既可以由硬件实现，又可以由软件实现。 b) 相互依存：硬件是软件运行的基础，软件可以充分发挥硬件的功能。 c) 协同发展：交织发展，缺一不可。

5. 计算机的层次结构

a) 透明性：存在的事物或属性，从某个角度却看不到。例如：硬件的特性对C语言的设计者而言是透明的。 b) 系统观：硬件结构变化会对软件产生影响，不同的软件对硬件有不同的要求。例如：编程时应该查阅对应CPU的编程手册。 c) 软硬件的分界线：指令集架构层。

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