计算机系统概述：

前言：

本次博文重点围绕计算机系统内部各子系统之间的运作关系，以及如何共同组成一个较为完善的计算机系统做深入探讨。

1、计算机组成概述（按部件划分）

1.1、计算机系统的组成框架

完整的计算机系统系统包括：硬件系统和软件系统。硬件系统和软件系统互相依赖，不可分割，两个部分又由若干个部件组成。

计算机框架导图如下所示：

1.2、计算机内部系统划分

计算机系统有软件系统与硬件系统组成，其中硬件系统又是有五个基本部分组成，运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

计算机工作时，信息数据通过输入设备，进入计算机的存储器，然后送到运算器，运算完毕把结果送到存储器存储，最后通过输出设备显示出来。整个过程由控制器进行控制。

下面给出计算即硬件组成工作原理图：

2.计算机内部子系统介绍

2.1、内部子系统概述

计算机内部还有许多子系统，诸如CPU子系统、总线与IO子系统、存储子系统、输入输出系统等子系统，各子系统相互协调，相互交互，相互控制，共同组成一个较为完善的计算机系统。

下面给出各子系统内部关系简图：

计算机子系统内部关系简图

下面简单介绍一下计算机各子系统及其关系

2.2、CPU子系统

主要功能：实现具体运算操作、是整个计算机控制、运算的核心。通常通过总线与IO子系统连接与存储系统及输入输出系统中的设备进行数据交、存储、实时控制等操作。

主要部件：（1）时序系统

（2）控制部件

（3）缓存部件

（4）寄存器

（5）运算部件

部件通过数据/控制通路互连，实现信息交互。

下面给出CPU子系统结构模型：

CPU执行具体操作时还需要有特定的指令，因此与之相对的就是指令系统。指令系统包含着CPU的所有需要执行的操作，通过将指令转换成机器语言，然后计算机硬件再执行。

指令集包含CPU能执行的全体指令。指令集又分RISC与CISC即简单指令集与复杂指令集。这里简单介绍一下RISC的特点与其地址结构。

特点：

①指令数量少；

②指令长度固定，指令格式和寻址方式种类也少；

③一般只有少量指令(如取数/存数) 才会读写存储器，其余指令只涉及CPU内部寄存器，指令周期短；

④一般在高端服务器CPU中使用；

结构又分为显示与隐式结构，常用的结构地址有四种，下面给出这四种地址并给前三种的地址指令代码及其实现***X=(A+B×C)/(D -E×F)***的示例操作指令：

零地址指令：

//常用指令释义PUSH入栈，Pop算出结果出栈，ADD相加，SUB相减，MUL相乘，DIV相除

PUSH M POP M ADD SUB MUL DIV

示例操作指令：

PUSH B PUSH C MUL PUSH A ADD POP X

PUSH D PUSH E PUSH F MUL SUB POP Y

PUSH X PUSH Y DIV POP X

一地址指令：

//释义注解：LOAD 加载的意思，STORE 赋值给某个地址。其它意思同上，LOAD M MUL F STORE Y == M * F = Y

LOAD M STORE M ADD M SUB M MUL M DIV M

示例操作指令：

LOAD E MUL F STORE Y

LOAD D SUB Y STORE Y

LOAD B MUL C ADD A STORE X

LOAD X DIV Y STORE X

二地址指令：

//释义注解：MOVE X,Y,意为将Y赋值给X, MUL X,Y 意为X=X*Y,其它几个符号同样的规则，意思同上

MOVE X ,Y ADD X, Y SUB X, Y MUL X, Y DIV X, Y

示例操作指令：

MOVE X,B MUL X,C ADD X,A

MOVE Y,E MUL Y,F

SUB D,Y

DIV X,Y

2.3、总线与IO系统

计算机基础5大部件的联系通过分散连接或总线连接的方式进行连接。IO接口则主要负责外部设备与总线之间的联系。总线与IO系统贯穿整个计算机内部，与其它系统进行交互、控制、存储等操作并将数据传递给CPU子系统进行处理。

总线：一种用来连接各功能部件并承当部件之间信息传送任务的信息公共通路。主要分为数据总线、地址总线、控制总线三大类。

总线的结构又分为单总线结构与多总线结构，各自特点如下所示：

单总线结构：它是部件之间信息交互的唯一通路。

多总线结构：有多组总线，分摊负载，传输效率高！

现在的系统，普遍使用多总线结构。

I/O接口：主机和外设的衔接部分，位于总线和外部设备之间。主要用于设备寻址、数据缓冲、预处理功能、控制逻辑功能等。

I/O口的控制方式：

（1）PIO接口

（2）中断接口

（3）DMA接口

（4）IOP/PPU接口

下面给出总线接口结构图：

计算机总线结构图

2.4、存储子系统

存储子系统的原理器件主要包含半导体、磁表面、光存储，远程存储等，半导体存储读取数据极为高速，磁表面、光存储速度相对半导体较慢，但存储空间更大。存储子系统与其它各系统进行数据交互、存储、读取以及增删改查等等操作。

半导体存储器：

静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存储信息,信息易失

动态存储器：依靠电容上的电荷暂存信息，主存。

磁表面存储器：

利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大,非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存。例如：IDE硬盘，SATA硬盘

光盘存储器：

利用光斑的有无/晶相等变化表示信息,容量很大，非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存。

存储器存取方式：

（1）随机存取存储器，按地址访问存储器中的任一单元，访问时间与存储单元的地址无关。

（2）顺序存取存储器，访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与数据的存储位置有关。

（3）直接存取存储器，访问时读/写部件先粗定位一个小区域，再在该区域内顺序查找。

存储器从CPU内的寄存器到固定磁盘及远程仓库存储有一定的层次，越往里速度读取速度越快，相同存储空间内价格越高。下面给出存储层次图：

计算机系统存储器层次图

存储器的存储单元如何存储数据，用电脑的时候呈现给我们的是存取好的数据，但实际上计算机存储是通过电路存储，即简单的0/1存储，计算机底层处理的也是二进制。

下面给出六管存储单元的电路原理图：

六管单元存储电路原理图

T1、T3：MOS反相器 T2、T4：MOS反相器 T5、T6：控制门管 Z：字线，选择存储单元(高电平) W、W：位线，完成读/写操作

定义：

T1导通，T2截止━ 0；T1截止，T2导通━1

下面是通过RAM2114存储器存储数据并显示到数码管上的电路原理图展示：

RAM2114存储数码管显示电路原理图是用仿真模拟软件proteus所画的，软件链接下载地址： https://pan.baidu.com/s/1t8x37bQSpQ7q2hu1C9qPKw 提取码: 223c

该电路主要用于存储器的存储测试实验操作。电路用的主要部件有RAM2114存储器、74LS48、74LS57、74LS193以及数码管等。

通过开关将数据输入存储器中的指定地址，然后关闭该开关，存储器存储地址保持不变（输入数据的地址），数据将会显示到数码管上，现如今的许多东西都有类似的原理，诸如红绿灯、某些电子手表等等。

2.5、输入输出系统

输入输出系统主要包含外部设备与电脑接口。外部输入输出设备通常又称I/O设备，是指与计算机的外部世界通信用的输入/输出设备，如显示终端，键盘输入和打印输出等多种类型的外部设备。

I/O设备的主要功能想必都有所了解，大概如下：

（1）完成信息转换

（2）实现人机交互

（3）存储信息资源

在信息转换时，要特别注意编码问题，否则显示出来的很可能是乱码，通常较为常用的代码格式有二进制数、ASCII码、专用交换码等等。

传送格式通常采用并行+串行的数据格式。

下面给出该子系统的框架图：

输入输出框架图

外部设备通过电脑接口与电脑相连，读取电脑数据。

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