计算机系统：计算机系统的基本组成

计算机系统组成

冯·罗依曼结构计算机及特点

1946年美籍匈牙利人冯·罗依曼提出了“存储程序”原理，奠定了计算机的基本结构和工作原理的技术基础。

存储程序原理的主要思想是：将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步进行数据处理，直到得出最终结果。

按此原理设计的计算机称为存储程序计算机，或称为冯·罗依曼结构计算机。

工作过程：

特点：

存储程序控制要求计算机完成的功能，必须事先编制好相应的程序，并输入到存储器中，计算机的工作过程即运行程序的过程。
程序由指令构成，程序和数据都用二进制数表示。
指令由操作码和地址码构成。
及其以CPU为中心。

计算机硬件

CPU

中央处理器（CPU）是计算机的核心，包括运算器、控制器和寄存器等。计算机的运转是在CPU的指挥控制下实现的，所有的算术运算和逻辑运算都是由它完成的。

CPU组成部分：

运算器，又叫做算术逻辑单元（ALU），它是完成算术运算和逻辑运算的主要部件，是计算机的主体。在控制器的控制下，运算器接收待运算的数据，完成程序指令的基于二级制数的算术运算或逻辑运算。
控制器，是计算机的指挥中心。控制器从存储器中逐条取出指令、分析指令，然后根据指令要求完成相应的操作，产生一系列控制命令，使计算机各部分自动、连续并协调动作，成为一个有机的整体，实现数据和程序的输入、运算并输出结果。
寄存器，是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

存储器

存储器是用来保存程序、数据、运算的中间结果及最后结果的记忆装置。

存储器按照功能和所处位置的不同，可分为内存储器和外存储器，通常分别简称为内存和外存。

内存，是计算机的主要工作存储器，是计算机用于直接存取程序和数据的地方。

计算机在执行程序前必须将程序和数据装入内存中。

存储器分类：

只读存储器（Read Only Memory，ROM），ROM存储的内容由厂家一次性写入，并永久保存下来，用户只能从ROM读出原有内容，不能再向其写入新内容，因此称为只读存储器。
随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），RAM可以进行任意的读或写操作。主要用于存放操作系统、各种应用软件、输入数据、输出数据、中间计算结果以及与外存交换的信息等。由于RAM用半导体器件组成，一旦断电，其中信息就会丢失，不能就永久保留。根据工作原理不同，RAM可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。
高速缓冲存储器（Cache），随着计算机技术的高速发展，CPU主频不断提高，对内存的存取速度要求越来越高。然而，内存的速度总是达不到CPU的速度，他们之间存在着速度上的严重不匹配。为了协调二者之间的速度差异，在这二者之间采用了高速缓冲存储器。Cache采用双极SRAM，它的访问速度是DRAM的10倍左右，但容量比内存要小。Cache位于CPU和内存之间，通常将CPU要经常访问的内存内容先调入Cache中，以后CPU要使用这部分内容时可以快速的从Cache中取出。

接口

接口作为计算机主机与外部设备之间的桥梁，实现计算机与外部设备之间交换信息的重要工作。

接口的类型决定数据传输的方式，主要有并行接口和串行接口两种。

其中，并行接口用于连接高速外设（如打印机等），传输信息是按字节的方式进行，多采用Centronics连接标准；串行接口多用于连接低速外设（如modem等），传输信息是按比特顺序进行的，采用最广泛的是EIA RS-232C连接标准。

作用：

匹配主机与外设之间的数据形式。一般来说，数据在不同介质上存储的形式不一定完全相同，接口可负担起它们之间的协调任务。
匹配主机与外设之间的工作速度。主机与外设之间、不同外设之间，其工作速度相差极为悬殊。为了提高系统效率，接口在它们之间起到了平衡作用。
在主机与外设之间传递控制信息。为使主机对外设的控制信息或外设的某些状态信息，需要相互交流，接口便在期间协助完成这种交流。

总线

总线是计算机系统各部件之间相互连接、传送信息的公共通道，由一组物理导线组成。电子计算机能处理、传输的信息都是电信号，电信号就需要用导线传送。在计算机中专门有连接CPU和其它芯片的导线，我们就称之为总线。从物理实体来讲，总线其实就是一根根导线的集合。根据传送信息的不同，总线从逻辑上分为3类：

数据总线（DB）为双向总线，用于实现在CPU、存储器、I/O接口之间的数据传送。数据总线的宽度等于计算机的字长。
地址总线（AB）为单向总线，用于传送CPU所要访问的存储单元或I/O端口的地址信息。地址总线的位数决定了系统所能直接访问的存储器空间的容量。
控制总线（CB）为双向总线，用于控制总线上的操作和数据传送的方向。实现微处理器与外部逻辑部件之间的同步操作。

微型计算机中，总线按照位置分为3类：

芯片总线（局部总线）即微处理器内部的总线。
系统总线（极总线）是用来连接各种插件极，以扩展系统功能的总线。在大多数微机中，显示适配器、声卡、网卡等都是以插件极的形式插入系统总线扩展槽的。在微型计算机中的系统总线有ISA总线、EISA总线及PCI总线等。
外总线（通信总线）是用来连接外部设备的总线，如SCSI、IDE、USB等。

微型计算机的主要性能指标

一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某一项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。

但对于大多数普通用户来说，我们可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能。

运算速度。运算速度是衡量CPU工作速度的指标，一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。
主频。CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率。通常所说的某某CPU是多少GHz的，而这个多少GHz就是“COU的主频”。CPU的主频并不等同于运行速度。当然主频和实际的运算速度肯定是存在一定的关系，但是没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集、CPU的位数等等）。
字长。计算机在同一时间内为所处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越长的计算机处理数据的精度就越高。
内存容量。
外部设备的配置及扩展能力。

操作系统

操作系统并不是与计算机硬件一起诞生的，它是人们在使用计算机的过程中，为了满足提高资源利用率、增强计算机系统性能，而诞生的产物。

发展：

手工操作。1946年第一台计算机诞生。然20世纪50年代中期，还未出现操作系统，计算机工作采用手工操作的方式。程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行。计算完毕，打印机输出计算结果。用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。
批处理系统。批处理系统是加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。主机与输入机之间增加一个存储设备---磁带，在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算机可自动完成。成批地把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。完成上一批作业后，监督程序又从输入机输入另一批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。
分时操作系统。由于CPU速度不断提高和采用分时技术，一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好像自己独占机器一样。分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。
实时操作系统。即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用。实时系统可分成两类：实时控制系统和实时信息处理系统。
网络操作系统。在原来各自计算机操作系统上，按照网络体系结构的各个协议标准增加网络管理模块，其中国包括，通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务。
分布式操作系统。分布式系统与网络操作系统中在硬件连接上没有多大区别。但有如下一些明显的区别：

（1）分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。

（2）分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输和控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面。

（3）用户通过这一界面，实现所需要的操作和使用系统资源，至于操作定在哪一台计算机上执行，或使用那台计算机的资源，则是操作系统完成的。

（4）分布式系统更强调分布式计算和处理，要求系统有：更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。

资料《深入理解计算机系统》