二、计算机组成

冯诺依曼计算机模型

基于通用图灵机建造的计算机都是在存储器（内存/寄存器）上存储数据。鉴于程序和数据在逻辑上是相同的，因此程序也能存储在计算机的存储器中。

1）冯诺依曼模型的四个子系统

（1）存储器：用来存储数据和程序的区域

（2）算数逻辑单元（ALU）：用来进行计算（算数运算、逻辑运算、位运算等）的地方。

（3）控制单元：对存储器、算数逻辑单元、输入/输出等子系统进行控制操作。

（4）输入/输出单元：输入子系统负责从计算机外部接收输入数据，输出子系统负责将计算机处理结果输出到计算机外部。

2）冯诺依曼模型-存储程序概念

冯诺依曼模型要求程序也必须存储在存储器(内存)中，现代计算机的存储单元用来存储程序和数据，这意味着程序和数据应该有相同的格式，实际上他们都是以位模式（0 和 1）存储在内存中。

3）冯诺依曼模型-指令的顺序执行

冯诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的指令组成。控制单元从内存中提取一条指令，解释指令，接着执行指令，也就是说指令是一条接着一条顺序执行的

计算机组成部件

计算机组成部件可以分为三大类。

（1）中央处理单元（CPU）

（2）主存储器（内存）

（3）输入/输出子系统

中央处理单元 CPU

CPU 用于数据的运算【算数逻辑单元（ALU）、控制单元、寄存器组】。

CPU 中的算数逻辑单元

算数逻辑单元：对数据进行逻辑、移位和算数运算。

（1）算术运算：整数和浮点数的加减运算。

（2）位移运算：逻辑移位运算和算术移位运算。

（3）逻辑运算：非、与、或、异或，这些运算的输入数据为二进制模式，运算结果也

是二进制模式。

CPU中的寄存器

寄存器：用来存放临时数据的高速独立存储单元。

（1）数据存储寄存器：保存运算的中间结果。

（2）指令存储器（IR）：CPU 从内存中逐条取出指令，并存储在指令存储器中，解释并执行指令。

（3）程序计数器（PC）：保存当前正在执行的指令地址，当前指令执行完成后，计数器自动加 1，指向下一条指令的内存地址。

CPU 控制单元：

控制单元：控制各个子系统的操作，控制是通过从控制单元到其他子系统的信号来进行的。

内存

内存是存储单元的集合，每个存储单元都有唯一的标识，称为地址。数据以“字”的形式在内存中传入传出，字可以是 8 位、16 位、32 位、64 位。如果字是 8 位，一般称为一个字节。

1）内存类型

主要有两种类型：RAM 和 ROM。

（1）随机存取存储器（RAM）

特点：系统断电后，信息（程序或数据）丢失。

（2）只读存储器（ROM）：里面的数据由制造商写进去，用户只能读不能写

特点：系统断电数据不会丢失。常用来存储那些在开机时运行的程序。（例如：系统开机时的引导程序）。

2）存储器的层次

3）高速缓冲存储器

存储数据的速度比内存快，比寄存器慢。通常容量较小，被置于 CPU 和主存储器（内存之间）。

4）CPU 和存储器的连接

CPU 与主存储器之间通常由称为总线的三组线路进行连接。他们分别是：数据总线、地址总线、控制总线。

输入/输出（I/O）系统

可以使计算机与外界进行通信，并在断电情况下存储程序和数据，分为两大类：非存储设备和存储设备。

（1）非存储设备：键盘、鼠标、显示器、打印机等。

（2）存储设备：也称为辅助存储设备，通常有磁介质和光介质两种。

特点：便宜，断电后数据不丢失。

1）I / O 设备的连接

（1）输入/输出设备不能直接与 CPU 和内存的总线相连接，因为输入/输出设备本质与CPU 和内存的本质不同，输入/输出设备都是磁性或光学设备，而 CPU 和内存是电子设备。与 CPU和内存相比，输入/输出设备的数据读取速度要慢的多，因此必须要有一个中介来处理这种差异，输入/输出控制器。

（2）输入/输出控制器：连接输入/输出设备到总线上，每一个输入/输出设备都有一个

特定的控制器。

（3）I/O设备的连接控制器：控制器清除了输入/输出设备与 CPU以及内存在本质上的

障碍，控制器可以是串行或并行的设备。

 串行控制器：只有一根数据线连接在设备上。

 并行控制器：有多根数据线连接到设备上，一次能同时传送多个位。

（4）常用控制器：SCSI、火线、USB 和 HDMI。

程序的执行

通用计算机使用程序的一系列指令来处理数据，通过执行程序，将输入数据转换为输

出数据。程序和数据都放在内存中。

（1）机器周期。

（2）输入/输出操作。

程序执行：机器周期

CPU 利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，从开始到结束。

一个周期包括 3 步：取指令译码执行。