计算机硬件的基本组成（计算机组成原理3）
计算机系统概述
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计算机组成原理 系列文章目录
- 计算机系统概述
- 前言
- 1 冯诺依曼机
- 2现代计算机的结构
- 3 小结
前言
在本篇中，你将掌握
- 计算机硬件的五大组成部分
- 冯诺依曼机和现代计算机的结构
1 冯诺依曼机
世界上第一台计算机ENIAC，是要通过手工接线来控制计算的，大大增加了人工的“时间复杂度”。因此，冯诺依曼提出了
“存储程序”：将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主储存器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。
基于这种思想，第一台采用冯诺依曼结构的计算机EDVAC诞生了。
冯诺依曼计算机的硬件结构如上图，数据可以通过上图实线（数据线）进行传输，虚线表示控制线和反馈线。
具体而言，我们的计算机就是用来处理数据的。通过输入设备输入数据，这里的数据包含了要处理的数据，也包含了数据的计算步骤即程序。在此，数据先流向了运算器，然后通过运算器的中转放到存储器中。经过运算后，会通过输出设备输出计算结果。另外还有一个很重要的部件，控制器，它会电信号来协调其余部件相互工作，也会负责解析存储器里的程序指令。
输入设备：将信息转换成机器能识别的形式
运算器：算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）
存储器：存放数据和程序
输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式
控制器：指挥程序运行
输入的数据和程序其实就是软件模块，其余部件就是硬件模块。在计算机系统中，其实软件和硬件在逻辑上是等效的。就是说对于同一个功能，我们既可以用软件来实现，又可以用硬件来实现。但是通常来说用软件来实现成本更低、效率也更低，但硬件实现成本更高、效率也会更高。
比如，我们要实现乘法运算，我们可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算；也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现。
总而言之，冯诺依曼计算机有以下特点：
- 计算机由五大部件组成：输入设备、运算器、储存器、控制器、输出设备，其中输入输出设备被统称为I/O设备(input、output)
- 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
- 指令和数据都是用二进制表示的
- 指令由操作码和地址码组成：操作码指明了操作过程，如加减乘除；而地址码指明了要操作的数据被存放在了内存的什么位置
- 存储程序：会提前把指令和数据提前存储到存储器中
- 以运算器为中心：输入/输出设备与储存器之间的数据传送通过运算器完成
在此，我们会发现这样的一个问题，冯诺依曼机的各种数据和指令都要通过运算器中转，还要最终通过运算器来实现运算，这种设计是存在一定的缺陷的。在此基础上，便有了现代计算机的结构。
2现代计算机的结构
与冯诺依曼机以运算器为中心不同的是，现代计算机以存储器为中心。数据和程序经过输入设备是直接放到存储器中，通过运算器的运算再返还结果给存储器，再交给输出设备输出。这样运算器将只负责数据的运算过程，可以让运算器进行更多更快的运算。
也因为运算器和控制器的逻辑关系十分紧密，因此在大规模集成电路出现后，运算器和控制器通常是被集成到同一芯片上的，也就是我们今天的CPU。
CPU = 运算器 + 控制器
正因为CPU的出现，现代计算机的结构可简化为上图。由控制器+运算器组成的CPU和主存储器合称为计组的主机。
以及，主存和辅存都可以被统称为存储器。主存就是主存储器，也就是我们熟悉的内存；而辅存就是辅助存储器，在电脑中就是我们的机械硬盘、固态硬盘。在此要注意的是，主机仅包含了主存，辅存应被归为I/O设备。
3 小结
本篇重点是，计算机硬件由五大部分组成：输入设备、输出设备、主存储器、运算器、控制器，前两者被称为I/O设备，后三者组成了主机。以及冯诺依曼结构，首次提出“存储程序”的概念，并以运算器为中心。而现代计算机的硬件结构是以存储器为中心的，由运算器和控制器集成为CPU。
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