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。
- 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。
- 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。
- 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:
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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。
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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。
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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。
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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。