计算机系统的组成(了解计算机系统的结构)

计算机系统由以下子系统组成，包括CPU、主存储器、IO设备和总线。下图显示了计算机系统的结构。

计算机系统形成

一.中央处理器

CPU结构

CPU从存储器中读取程序和数据，执行程序，并在程序执行后将数据输出到主存储器。

CPU产生固定间隔的连续电脉冲流，当每个时钟周期到来时，它将执行一条机器指令(在极端情况下)。时钟的单位是时钟频率，通常在1 MHz到4.5 GHz之间。例如，1GHz的时钟频率可以表示时钟周期为1ns。

CPU主要由发送信息资源的网络寄存器(PC寄存器(程序计数器)、地址寄存器、数据寄存器、指令寄存器、条件寄存器、通用类寄存器等组成。)、CU(控制单元)、ALU(算术逻辑单元)、复用器、缓存等。

1.1注册

PC寄存器用于存储下一个执行的程序指令的存储器地址。每执行一条指令，内存地址就会存入地址寄存器，然后指向下一条指令的地址。

地址寄存器用于存储要访问的当前存储器地址，并访问高速缓存或主存储器中的程序指令或数据。

数据寄存器用于临时存储来自高速缓存或主存储器的指令或数据。

指令寄存器用于存储当前正在执行的程序指令。

条件寄存器用于存储当前操作的条件表达式的结果。

类寄存器用于存储从程序指令的操作数获得的数据或内存地址。

1.2控制单元CU

用于解码程序指令，分析操作数，并根据指令和操作数据进行调度。主要目的是解码指令和执行指令。

1.3 ALU(算术逻辑单元)

用于加减和布尔逻辑运算，输出运算结果，条件码，溢出标志，进位标志等。

1.4缓存

一般高速缓存用SRAM，存储效率比主存快几百倍。为了减少CPU时钟周期的浪费，将最新热点的程序指令或数据存储在缓冲区中。

事实上，在更大更慢的设备前增加一个更小更快的缓冲区，可以提高这个更慢的设备的访问效率，如下图所示。

存储缓冲水平

CPU直接从寄存器中获取数据，寄存器可以从L1缓存中获取数据。如果L1无法获取数据，它可以继续从L2缓存中获取数据，以此类推。每次都优先从最近的更快的设备获取数据。

二。内存(主内存DRAM)

内存用于存储程序和数据。有两种架构。

哈佛建筑

和程序数据由两个存储器分开存储。

冯·诺依曼建筑

和程序数据存储在同一个内存中，这是目前的主流。

三。IO设备

包括IO控制器或适配器以及IO设备本身。

控制器一般集成在电路板上，如USB控制器、磁盘控制器等。，而适配器一般是插在电路板的插槽上，比如显卡的适配器。控制器和适配器的功能差不多，提供硬件接口，接收操作系统的指令，控制IO设备，读写等。，所以对于操作系统来说，它不知道自己连接的是什么设备，因为它只和控制器或者适配器打交道。通常，控制器或适配器是标准化的。比如SATA磁盘控制器是标准化的，任何SATA磁盘都可以适配SATA磁盘控制器。

四。公共汽车

CPU、内存和IO设备通过各种总线进行通信，这些总线不一定都相同。比如PC主板上的PCIE总线用来访问高速IO设备，USB总线用来访问低速IO设备。因此，可以采用一些总线扩展接口或桥接技术来保证不同类型总线之间的数据交换。