1.2.5 計算機基本結構和工作原理

1.計算機系統(tǒng)基本結構

現(xiàn)在，可以比較完整地描述計算機系統(tǒng)了。計算機系統(tǒng)是一個由計算機硬件和計算機軟件構成的完整系統(tǒng)，其硬件由主機和外部設備等組成，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類，如圖1-1所示。

計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設備與輸出設備等五大部分組成。早期的計算機以控制器、運算器為中心。但由于機器以控制器、運算器為中心，使得低速的輸入/輸出和快速的運算不得不互相等待，主要的是快速中央處理器在等待慢速的外圍設備，又由于所有部件的操作由控制器集中控制會使控制器負擔過重，從而嚴重影響了機器速度和設備利用率的提高，因此很快將機器改成了以主存儲器為中心，讓系統(tǒng)的輸入/輸出與CPU的運算并行，多種輸入和輸出并行，如圖1-2所示。

2.計算機系統(tǒng)分類

計算機系統(tǒng)的分類有各種方法，平時所說的計算機發(fā)展的四代，也可以看作是一種計算機分類的方法，它是按照器件進行分類。即第一代電子管計算機，第二代晶體管計算機，第三代集成電路計算機，第四代大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機。

常見分類方法還有：按大小劃分，分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機等。按用途劃分，分為科學計算、事務處理、實時控制、工作站、服務器、家用計算機等。按數(shù)據(jù)類型劃分，分為定點機、浮點機、向量機、堆棧機等。按處理機個數(shù)和種類劃分，分為單處理機、并行處理機、多處理機、分布處理機、關聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機。按指令的復雜程度劃分，分為復雜指令集和簡單指令集計算機，等等。

一種比較流行和合理的分類方法是按并行度進行分類。按這種方法把計算機分為四種：單指令流單數(shù)據(jù)流計算機（SISD），單指令流多數(shù)據(jù)流計算機（SIMD），多指令流單數(shù)據(jù)流計算機（MISD）和多指令流多數(shù)據(jù)流計算機（MIMD）。

3.計算機工作原理

（1）馮. 諾依曼體系結構

計算機盡管在規(guī)模、性能、結構和應用等方面存在著很大差別，但是它們的總體基本結構是相同的，都是由美籍數(shù)學家馮. 諾依曼提出的（簡稱馮. 諾依曼體系結構）。這一體系的基本思想是：

① 計算機應由運算器、控制器、存儲器和I/O設備組成；

② 采用存儲程序的方式；

③ 以運算器為中心，輸入、輸出設備和存儲器的傳送都通過運算器；

④ 計算機執(zhí)行指令在存儲器中按順序存放。指令所在的單元地址一般按順序遞增。

馮. 諾依曼體系結構的工作原理包括二進制原理、程序存儲原理和程序控制原理三部分。程序存儲原理和程序控制原理基本內(nèi)容是：將程序（數(shù)據(jù)和指令序列）預先存放在主存儲器中，計算機在程序控制下，逐一執(zhí)行程序中的指令，最終完成預定的任務。“程序存儲”的思想是近代電子計算機能夠自動進行計算的根本保證。

（2）指令系統(tǒng)

指令是用來指揮硬件工作的命令，它由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼用于指示要進行什么操作（例如加、減、乘、除、移位等），操作數(shù)用于指示操作對象（如加數(shù)、被加數(shù)、乘數(shù)、被乘數(shù)等）的內(nèi)容或所在地址，操作數(shù)在大多數(shù)情況下是地址碼。從地址碼得到的僅是數(shù)據(jù)所在的地址，可以是源操作數(shù)的存放地，也可以是操作結果的存放地。為了能靈活存取數(shù)據(jù)和有較大的存取數(shù)范圍，指令中設計了許多方法，根據(jù)地址碼去找到操作數(shù)位置的方法稱為“尋址方式”，一般有立即數(shù)、直接地址、間接地址、變址等方式。

① 立即數(shù)：是指令中“操作數(shù)”部分，就是參加運算的數(shù)據(jù)。

② 直接地址：是指令中的“操作數(shù)”部分指向參加運算的數(shù)的地址。

③ 間接地址：是指令中的“操作數(shù)”部分指向一個地址，該地址的內(nèi)容再指向參加運算的數(shù)所在的寄存器號碼，或者指向參加運算的數(shù)所在的地址。

④ 變址：指令中的“操作數(shù)”往往有兩個部分，經(jīng)過一定的運算之后才能得到參加運算的數(shù)的地址。

計算機每完成一個基本操作，都是執(zhí)行一條相應指令的過程。計算機完成一項有實際意義的工作，一般需要執(zhí)行一系列有序排列的指令，為解決某個問題而設計并且適合計算機處理的一系列有序排列的指令即程序。根據(jù)程序存儲和順序控制原理，將程序存儲在計算機內(nèi)，計算機在程序的控制下，逐一執(zhí)行程序中的指令，最終完成預定的任務。一條指令在計算機內(nèi)自動執(zhí)行一般分為四個步驟：

① 取指令：首先要從計算機的程序中得到當前要具體執(zhí)行的指令，才可能有后面的動作。這是實現(xiàn)每一條指令的第一步。

② 指令譯碼：這一步是分析取到的指令是做什么的，明確用到哪些原始的數(shù)據(jù)，要求什么樣的結果等。例如加法指令，要求把內(nèi)存的某號單元的內(nèi)容和另一單元的內(nèi)容相加，結果到第三個單元中去。

③ 執(zhí)行指令：接下來計算機要取出原始操作數(shù)，并具體進行運算，這一步稱為執(zhí)行指令，前面都是準備工作，這一步是指令要做的主要的事情。

④ 存操作結果：計算機在計算出結果后，應該把它存起來，將以上的加法運算所得到的結果存到目的地，供后面的指令使用。

至此，計算機完成了一條指令，一般把這個過程所花費的全部時間稱為1個指令周期。指令周期越短，指令就執(zhí)行的越快。決定指令周期的最重要的參數(shù)是CPU的“時鐘頻率”，它是計算機運行時的基本節(jié)拍。

（3）流水線和平行處理

幾十年來，計算機的體系結構發(fā)生了巨大的變化，為了提高計算機的運行速度，人們提出了并行計算的概念。實現(xiàn)并行計算的基本途徑有兩條：流水線并行方式和多處理機并行方式，前者是在時間上實現(xiàn)并行處理，后者是在空間上實現(xiàn)并行處理。

? 流水線：是指一種生產(chǎn)組織形式，它的基本特征是：生產(chǎn)過程被分成在時間上相等或成倍比的若干工序，并分別固定在按順序排列的各個工位，加工對象按順序“流”過工位進行加工。

為了提高計算機的工作效率，使機器能協(xié)調地快速工作，將流水線思想引入到計算機體系結構中，發(fā)明了計算機工作流程的流水線原理。

不用流水線時，計算機執(zhí)行一條指令一般要經(jīng)過4個步驟，完成后，第二條指令才進入取指令階段，因此當指令在某一部件中被處理時，其他幾個部件實際上處于空閑狀態(tài)。采用流水線后，指令一旦進入下一個步驟的執(zhí)行部件，本步驟的執(zhí)行部件就允許接受下一條指令，4個不同的執(zhí)行部件，可以同時處理4條不同的指令，在理想情況下，指令的執(zhí)行速度被提高了4倍。

? 并行處理：幾個人一起做某事總比一個人單獨做來得快而且好。但是有一個前提，就是要配合得好，或者說要分工、協(xié)作好，不能相互拆臺，也不能人浮于事。這就是并行處理的概念。

非流水線和指令流水線見表1-1和表1-2。

計算機專家從20世紀60年代開始就在努力開發(fā)并行處理計算機系統(tǒng)了。單個處理器的能力總是有限的，如果讓多個處理器同時協(xié)同工作，應該可以提高計算機系統(tǒng)的性能。例如，要100個數(shù)相乘，用一個處理機、一個乘法器要做99步。如果50臺計算機一起工作，第1步讓每臺計算機做乘法，100個數(shù)變50個，第2步讓其中的25臺計算機做乘法，50個數(shù)變成25個，依次類推，只要7個步驟就可以完成這100個數(shù)的乘法。如果用10個計算機一起工作，則用13步可完成這100個數(shù)的乘法。

并行處理的關鍵是如何把要解決的問題分解成能同時處理的一系列小問題；如何使各個部分能相互交換信息達到“協(xié)同”工作；如何使系統(tǒng)不至于太貴，有較高的性能價格比。有多種方法可以達到這些目的，一種是多處理機系統(tǒng)，一種是多計算機系統(tǒng)，還有陣列計算機系統(tǒng)，脈動陣列計算機系統(tǒng)，等等。

所謂多處理機系統(tǒng)，處理器和存儲器并不一一對應，數(shù)量也不一定相等，每個存儲器模塊為各個處理器共享，即信息的交換要通過中間的內(nèi)網(wǎng)連接。

所謂多計算機系統(tǒng)，每一對處理器和存儲器組成一個計算機，存儲器模塊為對應的處理器所占用，信息的交換要通過跨接在計算機之間的內(nèi)連網(wǎng)絡進行。

（4）總線和接口

① 總線：總線（BUS）是許多信號線的集合，通過總線來實現(xiàn)相互的信息或數(shù)據(jù)交換。在微機中，各個有聯(lián)系的部件不是單獨地使用導線連接，而是一律連到總線上，這就使部件間的通信關系變成面向總線的單一關系。所以總線是各部件共用的。采用總線結構簡化了連線，增加了可靠性，并便于部件和設備的擴充，尤其是制定了統(tǒng)一的總線標準后，可使不同設備之間易于實現(xiàn)互連。

根據(jù)總線上傳遞信息的不同，微機總線分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）三大類。

? 數(shù)據(jù)總線：一般是雙向三態(tài)控制，用來實現(xiàn)CPU、存儲器和I/O設備之間的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)總線的寬度是指CPU一次能處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，也稱為字長。字長越長的CPU，處理能力就越強，運算精度也越高。計算機的字長有8位、16位、32位和64位等。

? 地址總線：一般是單向三態(tài)控制。地址信息由CPU發(fā)出，通過地址總線傳送到存儲器或I/O接口，指出相應的存儲單元。地址總線的數(shù)量決定了CPU可訪問的內(nèi)存范圍。

? 控制總線：它傳送的是各種控制信號。主要用于傳送由CPU發(fā)出的對存儲器和I/O接口進行控制的信號以及這些接口芯片對CPU的應答、請求等的信號。

② 外部設備與接口

外設已成為計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它們?nèi)绾芜B接到系統(tǒng)中是一個復雜的問題，在解決這個問題的過程中形成了各種標準和協(xié)議。眾多的外設制造廠商共同采用這些標準和協(xié)議，才使得外設具有通用性，用戶在使用時也十分方便。

? 硬盤。現(xiàn)在，磁盤主要是指計算機硬盤，硬盤容量都達到幾十GB、幾百GB或者以上。硬盤的接口有IDE（Intelligent Device Electronics）、EIDE（Enhanced Intelligent Device Electronics）、SCSI（Small Computer System Interface）等類型。一般而言，SCSI接口的硬盤速度比IDE、EIDE接口的硬盤快，但價格比較貴。流行主板上一般縮減IDE接口而增加SATA接口。

? 光盤。光盤是近幾年飛速發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)存儲設備。光盤一般分為三種類型：只讀光盤（CD-ROM）：數(shù)據(jù)只能被讀取，不能存入新的數(shù)據(jù)；一次性寫光盤（CD-R）：只能寫入一次，然后可以多次讀取數(shù)據(jù)，又稱為WROM；可讀寫光盤（CD-RW）：在光盤未損壞的情況下，可任意次實行讀寫操作，又稱為E-R/W。

常用的CD-ROM，容量一般為650～700MB。光盤驅動器的接口一般為IDE和SCSI接口。速度分為16倍速、24倍速、48倍速等。目前市場上出現(xiàn)了DVD數(shù)據(jù)存儲設備。它的容量可達到4.5～17GB。容量是CD-ROM的8～25倍，速度是其9倍以上。因此CD-ROM有被DVD替代的趨勢。

③ 顯示器、顯示卡

? 顯示器：根據(jù)其特性有多種分類方法。按照其顯示屏尺寸大小可分為14 英寸、15英寸17英寸等；按分辨率大小可分為640×480、800×600、1024×768、1280×1024、1600×1200等；按顯示屏材料的類型可以分為陰極射線管（CRT）顯示器、液晶（LCD）顯示器、等離子顯示器等。

? 顯示卡：（有時簡稱顯卡）必須與顯示器相配，按總線類型分為ISA顯卡、EISA顯卡、VISA顯卡和PCI顯卡，它們決定著顯卡和主機交換數(shù)據(jù)用的總線的寬度，目前流行的PCI顯卡總線速度為64位，交換數(shù)據(jù)的速度也是最快的。

顯示卡中的顯示內(nèi)存的類型和容量對顯示質量有很大影響，常用的有DRAM、EDODRAM、VRAM、WRAM等。WRAM最好，VRAM次之。容量一般分為幾兆至幾十兆等。容量越大，能顯示的顏色數(shù)和屏幕分辨率也越高。

④ 打印機

常用的打印機分點陣式打印機、噴墨打印機和激光打印機三中。打印質量和速度由高到低依次是：激光、噴墨、點陣。它們共同的性能指標是打印分辨率和打印速度。目前彩色打印機也已經(jīng)開始普及，它的另一個指標是顏色數(shù)，顏色數(shù)越多，打印出來的色彩效果越好。

⑤ 掃描儀

掃描儀用于把圖像、圖形或文字以點陣圖像的格式輸入到計算機內(nèi)部，以便于進行各種處理。掃描儀的主要技術指標有：分辨率、色彩位數(shù)、掃描幅面和掃描速度。

⑥ 從RS-232到USB

作為通用串行斷口，最有名的要算RS-232端口，也稱為COM1、COM2…端口。通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是一種新型接口標準，目前已是主流規(guī)范。USB接口是為解決PC與外圍設備的連通而設計的。USB接口具有即插即用功能，可以以樹狀結構連接127個幾乎目前所有種類的外部設備。USB1.0最大傳輸速率為12Mbps，USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸速率可達到480Mbps。USB3.0標準也已經(jīng)發(fā)布，理論速率可達到4.8Gbps。

另一種用于高速傳輸數(shù)據(jù)的串行接口標準IEEE 1394的數(shù)據(jù)傳輸速率可達到400Mbps，最高可達到3.2Gbps。

⑦ 其他設備和接口（聲卡、調制解調器、網(wǎng)卡等）

如果要讓計算機播放聲音，聲卡是必不可少的，它用來錄音和放音，帶有揚聲器的插口（俗稱喇叭）和接話筒（俗稱麥克風）的插口。聲卡的技術指標有：聲音采樣的位數(shù)、聲音采樣可達到的最高頻率、是否采用數(shù)字信號處理器（DSP）、除了FM合成外，是否帶有波表合成、是否帶有內(nèi)置混響效果的芯片和功率放大的芯片。

如果想通過普通電話線上網(wǎng)，則必須有調制解調器。一般PC上用的調制解調器有內(nèi)置式和外置式兩種，便攜式計算機使用PCMCIA接口的內(nèi)置式調制解調器。

如果想連接校園網(wǎng)或者其他局域網(wǎng)，必須配置網(wǎng)卡。網(wǎng)卡的型號與所要連的局域網(wǎng)類型有關。從速度看，有32位網(wǎng)卡和64位網(wǎng)卡之分。

⑧ 個人計算機的擴展總線

各種個人計算機的主板都有兩個問題要解決，一是如何與外圍設備進行高速數(shù)據(jù)交換，二是如何擴展計算機功能。解決問題的方式是采用各種類型的擴展總線。個人計算機的發(fā)展是與擴展總線的不斷改進分不開的。

? PCI總線系統(tǒng)

目前最廣泛使用的總線系統(tǒng)是于1993年推出的PCI（Peripheral Computer Interconnect）擴展總線系統(tǒng)。PCI總線并未與微處理器直接相連，而是通過所謂的PCI橋相連，解決了由總線直接聯(lián)入CPU所引起的芯片發(fā)熱問題。PCI橋式一個復雜的管理層，加上高速的讀/寫緩沖器，可解決加入管理層而引起的數(shù)據(jù)交換延遲問題。PCI總線標準還支持64 位數(shù)據(jù)傳輸，其中32位傳輸時數(shù)據(jù)傳輸率可達到133MB/s，64位傳輸時可達267MB/s。

? PCMCIA總線系統(tǒng)

筆記本電腦已經(jīng)越來越普及，而常規(guī)的總線系統(tǒng)由于體積過大而不適用。以做IC卡為首的廠商聯(lián)合起來成立了一個協(xié)會，名為PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association，個人計算機存儲卡國際聯(lián)盟）。其本來目的在于研究開發(fā)具有大存儲容量的計算機卡，后變?yōu)橄蚨鄠€領域發(fā)展，做出硬盤卡、網(wǎng)卡等式樣新穎而且功能強大的卡。這種卡只有火柴盒大小，厚度僅2～3毫米。