计算机原理

计算机工作原理

1、首先，把计算步骤的程序和计算中需要的原始数据，在控制器输入命令的控制下，通过输入设备送入计算机的存储器设备；

2、其次，控制器从存储器读取指令，对指令进行译码，根据指令要求，向存储器发出存储、取数命令，向运算器发出运算命令；

3、其次，把运算器的运算结果存放在存储器内；

4、最后，在控制器的取数和输出命令命令作用下，通过输出设备输出计算结果。

cpu工作原理

CPU主要由运算器和控制器两大部分组成

CPU功能

CPU是按照CPU指令来执行操作的，CPU功能如下：

    1.指令控制：控制程序按照规定的顺序执行

    2.操作控制：取出的指令，产生控制信号，发送相关的部件，控制这些部件按指令的要求工作

    3.时间控制：控制信号在时间上有严格的先后顺序，如读取存储器的数据，只有当地址总线信号稳定后，才能进行读取。

    4.数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理

对于一个通用的CPU来说，我们只需要关注他的核心部件：算数逻辑单元和操作控制单元

地址总线：实现内存寻址

数据总线：传输数据

控制总线：传输控制命令

CPU工作流程

CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即：程序。程序的执行过程实际上是不断地取指令、分析指令、执行指令的过程。其工作可用分为5个阶段：

取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回。

存储器

存储器为CPU提供指令和数据

存储器系统层次结构

存储器不单包括内存，存储器系统是一个具有不同容量，不同访问速度的存储设备的层次机构，包括：

寄存器、缓存、内部存储器（内存）、外部存储（硬盘等），下面层次越高，速度最快，价格越高

相对与ｃｐｕ而言，存储器的速度相对比较慢，通过提高存储器性能，可用改善计算机整体性能。

存储技术

 寄存器

　　ＣＰＵ内部有一些寄存器，寄存器速度最快，和ｃｐｕ同时钟频率。一个寄存器需要２０多个晶体管，占面积，所以ＣＰＵ只有少量的寄存器。

ＲＡＭ随机访问存储

　　ＲＡＭ分２类：静态（ＳＤＡＭ）和动态（ＤＲＡＭ），ＳＲＡＭ相比ＤＲＡＭ速度更快功耗更低，但由于结构复杂占用面积大，一般少量在ＣＰＵ内部

用作Ｃａｃｈｅ，ＤＲＡＭ主要用来作为计算机的内存。

　　Ｃａｃｈｅ：目前ＣＰＵ一般集成２到３级Ｃａｃｈｅ，容量从１２８Ｋ到４Ｍ，一般用来存储指令和数据，存在命中的问题：没有命中，需要向

下一集存储器获取新的数据，这是ｃａｃｈｅ回被ｌｏｃｋ，导致实际的执行速度要比寄存器慢。ｃａｃｈｅ速度：Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３

　　内存：ＤＲＡＭ实现

ＲＯＭ只读存储

　　ＲＡＭ断电会丢失数据，断电不丢失称为ＲＯＭ，特殊情况下，ＲＯＭ也是可用写入数据的

　　ＰＲＯＭ：可编程ｒｏｍ，只能编程１次

　　ＥＰＲＯＭ：可擦写可编程ＲＯＭ，写入次数１Ｋ次

　　ＥＥＰＲＯＭ：电子可擦除可编程ＲＯＭ，不需要特殊设备而可直接在印制的电路板上编程，写入次数１０ｗ次

　　Ｆｌａｓｈ　Ｍｅｍｏｒｙ：闪存，基于ＥＥＰＲＯＭ，但速度快很多，部分使用在Ｕ盘，ＳＤ卡、手机存储上。

ＲＯＭ在计算机上应用也比较多，如：ＢＩＯＳ芯片，一般使用ＥＰＲＯＭ，如果损坏，计算机无法启动。而目前手机中也采用ｒｏｍ

来烧入系统，ＲＡＭ作为内存，Ｆｌａｓｈ　Ｍｅｍｏｒｙ作为机身存储。

磁盘存储

　从硬盘读取数据需要几个毫秒，而ＣＰＵ时钟周期以纳秒计算。磁盘读取操作要比ＤＲＡＭ慢１０ｗ倍，比ＳＲＡＭ慢百万倍

磁盘存储是一种机械结构，数据通过电磁流来改变极性的方式被电磁流写到磁盘上，而通过相反的方式读回。

一个硬盘由多个盘片组成，每个盘片被划分为磁道，扇区和最小的单位簇。每个盘面都由一个磁头用来读取和写入数据，而硬盘的马达

装置则控制磁头的运动。

虚拟硬盘（ＶＨＤ）和固态硬盘（ＳＳＤ）

 虚拟硬盘：内存虚拟成硬盘

固态硬盘：使用ｆｌａｓｈ　Ｍｅｍｏｒｙ

 

远程存储

　将数据指令存储在其他机器上，远程存储的速度以秒来计算

存储器访问和总线

这一节介绍ＣＰＵ和存储器之间是如何通信的

总线

　　所谓总线是各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，总线就是用来连接五大组件的导线

总线可以分为：

      数据总线： 数据总线DB是双向三态形式的总线，把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件，反之亦可。我们说的32位，64位计算机指的就是数据总线

     地址总线： 地址总线AB是单向三态的，专门用来传送地址的，地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。

     控制总线：控制总线是双向的，主要用来传送控制信号和时序信号

总线也可以按照CPU内外来分类：

• 内部总线：在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内部总线。
• 外部总线：通常所说的总线指片外部总线，是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路,也称系统总线

控制芯片

CPU需要和存储器，I/O设备等进行交互，会有多种不同功能的控制芯片，我们称之为控制芯片组（Chipset）

目前计算机，控制芯片集成在主板上，有南北桥结构和单芯片结构，与芯片相连接的总线可以分为前端总线（FSB）、存储总线、IQ总线，扩展总线等。

• 南北桥芯片结构：
  • 北桥芯片，控制着CPU的类型，主板的总线频率，内存控制器，显示核心等。它直接与CPU、内存、显卡、南桥相连，所以它数据量非常大；
    • 前端总线：是将CPU连接到北桥芯片的总线。FSB的频率是指CPU和北桥之间的数据交换速度。速度越快，数据带宽越高，计算机性能越好；
    • 内存总线：是将内存连接到北桥芯片的总线。用于和北桥之间的通信；
    • 显卡总线：是将显卡连接到北桥芯片的总新。目前有AGP,PCI-E等接口。其实并没有显卡总线一说，一般认为属于I/O总线；
  • 南桥芯片，它主要负责外部接口和内部CPU的联系；
    • I/O总线：连接外部I/O设备连接到南桥的总线, 比如USB设备，ATA,SATA设备，以及一些扩展接口；
    • 扩展总线：主要是主板上提供的一些PCI，ISA等插槽；
• 单芯片结构： 单芯片组主要是是取消了北桥，因为现在CPU中内置了内存控制器，不需要再通过北桥来控制，这样就能提高内存控制器的频率，减少延迟。而现在一些CPU还集成了显示单元。也使得显示芯片的频率更高，延迟更低

运行频率

外频

外频是建立在数字脉冲信号震动速度基础上的，外频是系统总线的工作频率

频率和控制芯片

刚开始，CPU和内存还有I/O设置是直接通过总线连接的而没有控制芯片

随着CPU速率变大，与I/O设备有速率差，在CPU与I/O之间加入芯片解决，芯片起到降频实现，也就相对于系统总线的分频技术

发展到后来，出现了北桥芯片，CPU和北桥之前的总线称为了FSB总线，而内存与北桥之前称为内存总线

分频和倍频

         分频：使得I/O设备可以和较高的外频协同工作

　　   倍频：为了提高CPU频率又正常的和内存进行工作，所以产生了倍频，CPU实际频率=倍频*外频

FSB频率

      FSB的实际频率是和外频一样的

内存频率

     包括了核心频率，总线频率和传输频率：

核心频率和外频类似，是建立在脉冲震荡信号上的

总线频率就是指内存总线的工作频率。也就是内存和北桥芯片之间的工作频率

传输频率类似FSB，是指实际传输数据的频率

I/O设备

最后一部分简单介绍一下CPU和I/O设备是如何通信的

 I/O设备原理

对于程序员来说，关注的只是I/O设备的编程接口

 I/O设备分类

• 块设备： 块设备把信息存放在固定大小的块中，每个块都有自己的地址，独立于其他块，可寻址。例如磁盘，USB闪存，CD-ROM等。
• 符号设备：字符设备以字符为单位接收或发送一个字符流，字符设备不可以寻址。列入打印机、网卡、鼠标键盘等

设备控制器

I/O设备由机械部件和电子部件组成，电子部件一般以芯片的形式组成，如南桥芯片，南桥芯片中包含了多种设备的控制器，比如硬盘控制器，USB控制器，网卡、声卡控制器等，通过总线以及卡槽

和设备连接，比如：PCI、USB、SATA（不同的控制器可以控制不同的设备）

驱动程序

对于不同的设备控制器，进行的操作控制也是不同的，需提供专门软件对其进行控制，这类软件称为驱动程序。

内存映射I/O

每个控制器都有几个寄存器和CPU进行通信。通过写入这些寄存器，可以命令设备发送或接受数据，开启或关闭。通过读这些寄存器就能知道设备的状态

寄存器数量和大小有限，所以设备提供RAM缓存来存放数据，比如硬盘的读写缓存，显卡的显存，作用：提供数据存放、提高I/O操作速度

CPU如何和这些设备的寄存器或数据缓冲区进行通信：

方案1：为每个控制器分配一个I/O端口号，放在内存中，OS通过特殊的指令和端口号来从设备读取或是写入数据（早期计算机实现方案）

方案2：将所有控制器的寄存器映射到内存空间，并保证每个设备的寄存器在内存中有唯一的地址，称为内存映射I/O

方案1通过汇编实现，方案2通过C实现

内存映射I/O缺点：

       cache可以对内存进行缓存，cache对内存映射I/O缓存会有问题，需提供机制来禁用

CPU和I/O设备数据交换方式

CPU通过内存映射的方式和I/O设备交换数据，对于CPU而言，无论从内存还是I/O读取数据，都需要放到地址总线上。然后在向控制总线传输一个READ信号，

还要1条信息线来表示是从内存还是I/O读取数据。目前有3种方式进行操作：

   1.程序控制I/O：CPU向I/O设备发出指令后，通过程序查询方式检查I/O设备是否完成工作，如果完成就读取数据。缺点：CPU在I/O设备完成工作时被占用

   2.中断驱动I/O：为使CPU减少I/O等待，在I/O设备工作时，CPU不再等待，而是执行其他操作。通过一个中断信号，通知CPU来处理接下来的工作，如读取数据放到内存，缺点：

每次只能请求一个字节，效率低。

   3.DMA：DMAC利用一种特殊芯片存在与CPU和I/O设备之间。大大提高了速度。

 内存工作原理

DRAM芯片结构

上图DRAM芯片是一个单元的结构图，1个单元=N个超单元，上图：16个超单元，每个超单元存8位的存储模块。称为16*8bit的DRAM芯片。而超单元(2,1)，我们可通过data=DRAM[2.1]

每个超单元的信息通过地址线和数据线传输查找和传输数据。上图有2根地址线和8根数据线连接到存储控制器，为了读取或写入[i,j]超单元的数据，存储控制器需要通过地址线传入行地址i和

列地址j，行地址称为RAS请求，列地址称为CAS请求。

内存编址

一个内存可能是8位，也可能是64位，容量可能是1M，也可能是1G。那么内存是如何编地的呢？和地址总线，计算机字长之间又有什么关系呢？

字长

计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。

通常称处理字长为8位数据的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据

地址总线

地址总线的数量决定了他最大的寻址范围，如32位计算机最大寻址范围是4G（0x00000000~0xFFFFFFFF)

内存编址

内存的大小和它芯片扩展方式有关，比如内存模块采用16M*8bit的内存颗粒，那么我们使用4个颗粒进行位扩展，成为16M*32bit，使用4个颗粒进行字容量扩展变为64M*32bit。

那么我们内存模块使用了16个内存颗粒，实际大小是256MB

例如内存=256M，我们需要对内存进行编址，以便CPU能够使用它，常用编址方式：

1.按字编址：对于256M，寻址范围=64M，每个内存地址可以存储32bit数据

2.按半字编址：

3.按字节编址：

目前计算机主要采用按字节编址的方式，可以把内存简单的看成一个线性数组，数组每个元素的大小为8bit，我们称为一个存储单元

对于32bit计算机来说，可以容纳2^32个存储单元（B），即4GB

CPU指令

操作码字段

地址码字段