計算機工作原理（CPU、存儲、內(nèi)存、讀寫）

1.1 計算機結(jié)構(gòu)

圖1 早期馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)

圖2 以存儲器為中心的計算結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼為改善早期計算器手動接線來控制計算的方式，提出了“存儲程序”的概念，將指令以二進制代碼的形式事先輸入計算機的主存儲器，然后按其在存儲器中的首地址執(zhí)行程序的第一條指令，以后就按該程序的規(guī)定順序執(zhí)行其他指令，直至程序執(zhí)行結(jié)束。早期馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)的特點是以運算器作為核心，數(shù)據(jù)的輸入輸出都是由運算器進行中轉(zhuǎn)，為了提高計算機的效率，現(xiàn)代計算機以存儲器作為核心。

1.2 計算機硬件的基本組成

現(xiàn)代計算機將運算器和控制器集成到一個芯片上，合成為 中央處理器 ，簡稱 CPU 。

? 運算器 ，是計算機的運算單元，用于算術(shù)運算和邏輯運算，運算器的核心單元是算術(shù)邏輯單元(ALU)

? 控制器 ，控制器是計算機的指揮中心，有其指揮各部件自動協(xié)調(diào)的進行工作

?存儲器分為主存儲器和輔助存儲器

?主存儲器也被成為內(nèi)存儲器，CPU能直接訪問

?輔助存儲器即外存儲器，協(xié)助主存儲器記憶更多的信息，輔助存儲器的信息需要導(dǎo)入到主存儲器中，才可以被CPU訪問

? 輸入設(shè)備 ，是指將外部信息以計算機能讀懂的方式輸入進來，如鍵盤，鼠標(biāo)等

? 輸出設(shè)備 ，就是將計算機處理的信息以人所能接受的方式輸出出來，比如顯示屏，打印機

CPU包含運算器與控制器，控制器通過控制線來告訴運算器接下來要進行什么樣的運算，另外控制器也會控制主存儲器的讀寫以及輸入輸出設(shè)備的開啟與停止，主存儲器與CPU之間會進行數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)包括需要進行基礎(chǔ)運算的的數(shù)據(jù)以及指令，這些指令會放到控制器中來解析這些指令的含義，并且發(fā)出相應(yīng)的控制信號，I/O設(shè)備也會直接的與主存儲器進行數(shù)據(jù)的交換，這大致就是現(xiàn)代計算機運行的主要步驟。

2.1 中央處理器-CPU

?CPU，即中央處理器，是一臺計算機的運算核心和控制核心。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。CPU由運算器、控制器、寄存器、高速緩存及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成

CPU的主要功能

?指令控制。完成取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作，即程序的順序控制

?操作控制。一條指令的功能往往是由若干操作信號的組合來實現(xiàn)的。CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件從而控制這些部件按指令的要求進行動作。

?時間控制。對各種操作加以時間控制。時間控制要為每條指令按時間順序提供應(yīng)有的控制信號。

?數(shù)據(jù)加工。對數(shù)據(jù)進行算術(shù)和邏輯運算。

?中斷處理。對計算機運行過程中出現(xiàn)的異常情況和特殊請求進行處理

2.2 運算器組成部分

?ALU算術(shù)邏輯單元（Arithmetic&logical Unit） ：是中央處理器(CPU)的執(zhí)行單元，是所有中央處理器的核心組成部分，由"And Gate"（與門）和"Or Gate"（或門）構(gòu)成的算術(shù)邏輯單元，主要功能是進行二位元的算術(shù)運算，如加減乘(不包括整數(shù)除法)?；旧?，在所有現(xiàn)代CPU體系結(jié)構(gòu)中，二進制都以補碼的形式來表示。

?通用寄存器組：用于存放操作數(shù)，包括源操作數(shù)、目的操作數(shù)及中間結(jié)果和各種地址信息等。

?暫存寄存器：用于暫存從主存讀來的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)不能存放在通用寄存器中，否則會破壞其原有內(nèi)容。

?累加寄存器：它是一個通用寄存器，用于暫時存放ALU運算的結(jié)果信息，用于實現(xiàn)加法運算。

?程序狀態(tài)字寄存器（PSW）：保留由算術(shù)邏輯運算指令或測試指令的結(jié)果而建立的各種狀態(tài)信息，如溢出標(biāo)志(OP)、符號標(biāo)志(SF)、零標(biāo)志(ZF)、進位標(biāo)志(CF)等。PSW中的這些位參與并決定微操作的形成。

?移位器：對運算結(jié)果進行移位運算。

?計數(shù)器：控制乘除運算的操作步數(shù)。

2.3 控制器組成部分

?程序計數(shù)器（ PC ）:用于指出下一條指令在主存中的存放地址。CPU就是根據(jù)PC的內(nèi)容去主存中取指令的。因程序中指令通常是順序執(zhí)行的，所以PC有自增功能。

?指令寄存器（IR）：存放當(dāng)前需要執(zhí)行的指令，與CPU內(nèi)部總線相連，指令包括操作碼OP和地址碼Ad。

指令譯碼器（ID）：通過譯碼器可知當(dāng)前執(zhí)行的是什么指令，輸入信號為操作碼，輸出信號為微操作信號，將指令轉(zhuǎn)化為對應(yīng)微操作。

?微操作信號發(fā)生器：產(chǎn)生控制整個計算機系統(tǒng)所需的信號，輸入信號是指令譯碼器的輸出結(jié)果，根據(jù)翻譯后的微操作執(zhí)行具體的微操作。微操作信號發(fā)生器會根據(jù)指令譯碼器、時序系統(tǒng)和標(biāo)志位、PSW寄存器的內(nèi)容執(zhí)行微操作。

?時序系統(tǒng)：用于產(chǎn)生各種時序信號。

?存儲器地址寄存器（MAR）：用于存儲所要訪問的主存單元的地址，一端連接CPU內(nèi)部總線，一端連接地址總線。

?存儲器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）：用于存儲向主存寫入的信息或從主存讀出的信息，一端連接CPU內(nèi)部總線，一端連接數(shù)據(jù)總線。

一般將運算器和控制器集成到同一個芯片上，稱為中央處理器(CPU)。CPU和主存儲器共同構(gòu)成主機。CPU和內(nèi)存之間通過一組總線相連，總線中有地址、控制和數(shù)據(jù)3組信號線。MAR中的地址信息會直接送到地址線上，用于指向讀/寫操作的主存存儲單元；控制線中有讀/寫信號線，指出數(shù)據(jù)是從CPU寫入主存還是從主存讀出到CPU,根據(jù)是讀操作還是寫操作來控制將MDR中的數(shù)據(jù)是直接送到數(shù)據(jù)線上還是將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)接收到MDR中。

3.1 存儲系統(tǒng)-層****次結(jié)構(gòu)

計算機的存儲系統(tǒng)根據(jù)層次劃分可分為主存，Cache以及輔存

高速緩沖存儲器（Cache）：存放正在執(zhí)行的程序段和數(shù)據(jù)；容量小，價格高，速度快；集成于CPU

主存：存放運行期間使用的程序和數(shù)據(jù)；容量較小，造價較高，速度較快；需要由RAM和ROM制作

輔存：存放暫時不用的數(shù)據(jù)、程序或永久性保存的信息；不能與CPU交換信息，輔存中的內(nèi)容只有調(diào)入主存才可被CPU訪問

主要思想：上一層是下一層的高速緩存，解決速度、容量、成本之間的矛盾

Cache-主存（解決CPU和主存速度不匹配問題）：全部由硬件自動完成

主存-輔存（解決存儲系統(tǒng)容量問題）：將主存與輔存的一部分通過軟/硬結(jié)合的技術(shù)組成虛擬存儲器，他的更新是由硬件和操作系統(tǒng)進行控制的

3.2 存儲系統(tǒng)-存儲器分類

?按存儲介質(zhì)分類：

半導(dǎo)體存儲器（如：主存、Cache）、磁表面存儲器（如：磁盤、磁帶以及機械硬盤等）、光存儲器（如：光盤）

?按存取方式分類：

隨機存儲器（RAM）（其任何一個存取單元的內(nèi)容都可隨機存取，存取時間與物理位置無關(guān)），順序存取存儲器（SAM）（如：磁帶），直接存取存儲器（DAM）（如：磁盤）（其直接選取信息所在區(qū)域（隨機存取，在區(qū)域內(nèi)順序查找）），相聯(lián)存儲器（CAM）（如：快表）（他是按照內(nèi)容來檢索物理信息）

?按信息的可讀寫性進行分類：

讀/寫存儲器（如：內(nèi)存，硬盤等）（可讀寫），只讀存儲器（ROM）（如：電影使用的光碟）（只可隨機讀入信息，不可寫入，存取方式為隨機存?。?/p>

?按信息的可保存性進行分類：

易失性存儲器（內(nèi)存，Cache），非易失性存儲器（磁盤、光盤）

?按信息讀出后，原信息是否被破壞進行分類：

破壞性讀出（如：DRAM芯片），非破壞性讀出（如：SRAM芯片、磁盤、光盤）

3.3 主存儲器-基本組成

主存儲器是由存儲體、MAR和MDR組成的。現(xiàn)代計算機的主存由半導(dǎo)體集成電路組成。驅(qū)動器、譯碼器和讀寫電路均制作在存儲芯片內(nèi)，而MAR和MDR制作在CPU芯片內(nèi)。存儲芯片和CPU芯片可以通過總線連接。

當(dāng)要從主存中讀出某一信息字時，首先由CPU將該字地址送到MAR，經(jīng)地址總線送到主存，然后發(fā)出讀命令。主存接到讀命令之后，得知需要將該地址單元的內(nèi)容讀出，便完成讀操作，將該單元的內(nèi)容讀至數(shù)據(jù)總線上，至于該信息由MDR送到什么地方，由CPU決定。若要向主存存入一個信息字時，首先CPU將該字所在主存單元的地址經(jīng)MAR送到地址總線，并將該信息字送入MDR，然后向主存發(fā)出寫命令，主存接到寫命令后，便將數(shù)據(jù)線上的信息寫入到對應(yīng)地址線指出的主存單元中。

4.1 輸入輸出系統(tǒng)（I/O系統(tǒng)）

“I/O”就是“輸入/輸出” (Input/Output) I/O 設(shè)備就是可以將數(shù)據(jù)輸入到計算機，或者可以接收計算機輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備。

輸入設(shè)備：鍵盤，鼠標(biāo)

輸出設(shè)備：顯示器，打印機

硬盤、光盤：既可輸入、又可輸出的設(shè)備

I/O接口: 又稱I/O控制器( I/O Controller)、設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

I/O接口多種多樣，也會制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如:用于控制USB設(shè)備的I/O接口、用于控制SATA 3.0硬盤的I/O接口等(I/O控制器就是一塊芯片，常被集成在主板上)。

I/O接口與總線之間主要通過設(shè)備選擇線、數(shù)據(jù)線、命令線和狀態(tài)線進行連接。

設(shè)備選擇線：用來傳送設(shè)備碼的

數(shù)據(jù)線：是I/O設(shè)備與主機之間數(shù)據(jù)代碼的傳送線

命令線：主要是用來傳輸CPU向設(shè)備發(fā)出的各種信號

狀態(tài)線：是將I/O設(shè)備的狀態(tài)向主機報告的信號線

4.2 I/O系統(tǒng)-基本組成

?I/O****硬件

包括外部設(shè)備、I/O接口、I/O總線等。

?I/O****軟件

I/O軟件的主要任務(wù)是，將用戶編制的程序（或數(shù)據(jù)）輸入主機內(nèi)；將運算結(jié)果輸送給用戶；實現(xiàn)輸入輸出系統(tǒng)與主機的協(xié)調(diào)等。通常采用 I/O 指令和通道指令實現(xiàn) CPU 與I/O設(shè)備的信息交換。

（1）I/O指令 CPU指令的一部分

操作碼+命令碼+設(shè)備碼

（2）通道指令通道能識別的指令

通道程序提前編制好放在主存中；在含有通道的計算機中，CPU執(zhí)行I/O指令對通道發(fā)出命令，由通道執(zhí)行一系列通道指令，代替CPU對I/O設(shè)備進行管理。

4.3 I/O系統(tǒng)-控制方式

程序查詢方式

CPU不斷輪詢檢查I/O控制器中的“狀態(tài)寄存器”，檢測到狀態(tài)為已完成之后，再從數(shù)據(jù)寄存器取出輸入數(shù)據(jù)； 在這種情況下，CPU一旦啟動I/O，必須停止現(xiàn)行程序的運行，并在現(xiàn)行程序中插入一段程序。

優(yōu)點：接口設(shè)計簡單、設(shè)備量少。

缺點：CPU在信息傳送過程中要花費很多時間用于查詢和等待，而且在一段時間內(nèi)只能和一臺外設(shè)交換信息，效率大大降低。

程序中斷方式

程序中斷方式引入了中斷機制，程序中斷是指在計算機執(zhí)行現(xiàn)行程序的過程中，出現(xiàn)某些急需處理的異常情況或特殊請求，CPU暫時中止現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)去對這些異常情況或特殊請求進行處理。處理完畢后CPU自動返回到現(xiàn)行程序的斷點處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。

程序中斷方式就是等待鍵盤 I/O時CPU可以先去執(zhí)行其他程序，鍵盤I/O完成后I/O控制器向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷請求，并取走輸入數(shù)據(jù)。

這種方式如果對于快速 I/O設(shè)備，如“磁盤”，每準(zhǔn)備好一個字就給CPU發(fā)送一次中斷請求，會導(dǎo)致CPU需要花大量的時間來處理中斷服務(wù)程序，CPU利用率嚴(yán)重下降。

DMA****控制方式

主存與高速I/O設(shè)備之間有一條直接數(shù)據(jù)通路（DMA總線）。由于DMA方式傳送數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過CPU，因此不必中斷現(xiàn)行程序，I/O與主機并行工作，程序和傳送并行工作。這種情況下DMA傳送速度快，CPU和外設(shè)并行工作，提高了系統(tǒng)效率。

通道控制方式

有的商用中型機、大型機可能會接上很多的I/0設(shè)備，如果都讓CPU來管理，那么CPU效率過低，這時就引入了通道控制方式。通道可以理解為是“低級版的CPU”，可以識別并執(zhí)行一系列通道指令，通道指令種類、功能通常比較單一，通過IO指令啟動通道，通道執(zhí)行通道指令序列，通道程序放在主存中。