1.2.5 计算机基本结构和工作原理

1.计算机系统基本结构

现在，可以比较完整地描述计算机系统了。计算机系统是一个由计算机硬件和计算机软件构成的完整系统，其硬件由主机和外部设备等组成，软件可分为系统软件和应用软件两大类，如图1-1所示。

计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分组成。早期的计算机以控制器、运算器为中心。但由于机器以控制器、运算器为中心，使得低速的输入/输出和快速的运算不得不互相等待，主要的是快速中央处理器在等待慢速的外围设备，又由于所有部件的操作由控制器集中控制会使控制器负担过重，从而严重影响了机器速度和设备利用率的提高，因此很快将机器改成了以主存储器为中心，让系统的输入/输出与CPU的运算并行，多种输入和输出并行，如图1-2所示。

2.计算机系统分类

计算机系统的分类有各种方法，平时所说的计算机发展的四代，也可以看作是一种计算机分类的方法，它是按照器件进行分类。即第一代电子管计算机，第二代晶体管计算机，第三代集成电路计算机，第四代大规模、超大规模集成电路计算机。

常见分类方法还有：按大小划分，分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等。按用途划分，分为科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。按数据类型划分，分为定点机、浮点机、向量机、堆栈机等。按处理机个数和种类划分，分为单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流水线处理机。按指令的复杂程度划分，分为复杂指令集和简单指令集计算机，等等。

一种比较流行和合理的分类方法是按并行度进行分类。按这种方法把计算机分为四种：单指令流单数据流计算机（SISD），单指令流多数据流计算机（SIMD），多指令流单数据流计算机（MISD）和多指令流多数据流计算机（MIMD）。

3.计算机工作原理

（1）冯. 诺依曼体系结构

计算机尽管在规模、性能、结构和应用等方面存在着很大差别，但是它们的总体基本结构是相同的，都是由美籍数学家冯. 诺依曼提出的（简称冯. 诺依曼体系结构）。这一体系的基本思想是：

① 计算机应由运算器、控制器、存储器和I/O设备组成；

② 采用存储程序的方式；

③ 以运算器为中心，输入、输出设备和存储器的传送都通过运算器；

④ 计算机执行指令在存储器中按顺序存放。指令所在的单元地址一般按顺序递增。

冯. 诺依曼体系结构的工作原理包括二进制原理、程序存储原理和程序控制原理三部分。程序存储原理和程序控制原理基本内容是：将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中，计算机在程序控制下，逐一执行程序中的指令，最终完成预定的任务。“程序存储”的思想是近代电子计算机能够自动进行计算的根本保证。

（2）指令系统

指令是用来指挥硬件工作的命令，它由操作码和操作数两部分组成。操作码用于指示要进行什么操作（例如加、减、乘、除、移位等），操作数用于指示操作对象（如加数、被加数、乘数、被乘数等）的内容或所在地址，操作数在大多数情况下是地址码。从地址码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的存放地，也可以是操作结果的存放地。为了能灵活存取数据和有较大的存取数范围，指令中设计了许多方法，根据地址码去找到操作数位置的方法称为“寻址方式”，一般有立即数、直接地址、间接地址、变址等方式。

① 立即数：是指令中“操作数”部分，就是参加运算的数据。

② 直接地址：是指令中的“操作数”部分指向参加运算的数的地址。

③ 间接地址：是指令中的“操作数”部分指向一个地址，该地址的内容再指向参加运算的数所在的寄存器号码，或者指向参加运算的数所在的地址。

④ 变址：指令中的“操作数”往往有两个部分，经过一定的运算之后才能得到参加运算的数的地址。

计算机每完成一个基本操作，都是执行一条相应指令的过程。计算机完成一项有实际意义的工作，一般需要执行一系列有序排列的指令，为解决某个问题而设计并且适合计算机处理的一系列有序排列的指令即程序。根据程序存储和顺序控制原理，将程序存储在计算机内，计算机在程序的控制下，逐一执行程序中的指令，最终完成预定的任务。一条指令在计算机内自动执行一般分为四个步骤：

① 取指令：首先要从计算机的程序中得到当前要具体执行的指令，才可能有后面的动作。这是实现每一条指令的第一步。

② 指令译码：这一步是分析取到的指令是做什么的，明确用到哪些原始的数据，要求什么样的结果等。例如加法指令，要求把内存的某号单元的内容和另一单元的内容相加，结果到第三个单元中去。

③ 执行指令：接下来计算机要取出原始操作数，并具体进行运算，这一步称为执行指令，前面都是准备工作，这一步是指令要做的主要的事情。

④ 存操作结果：计算机在计算出结果后，应该把它存起来，将以上的加法运算所得到的结果存到目的地，供后面的指令使用。

至此，计算机完成了一条指令，一般把这个过程所花费的全部时间称为1个指令周期。指令周期越短，指令就执行的越快。决定指令周期的最重要的参数是CPU的“时钟频率”，它是计算机运行时的基本节拍。

（3）流水线和平行处理

几十年来，计算机的体系结构发生了巨大的变化，为了提高计算机的运行速度，人们提出了并行计算的概念。实现并行计算的基本途径有两条：流水线并行方式和多处理机并行方式，前者是在时间上实现并行处理，后者是在空间上实现并行处理。

• 流水线：是指一种生产组织形式，它的基本特征是：生产过程被分成在时间上相等或成倍比的若干工序，并分别固定在按顺序排列的各个工位，加工对象按顺序“流”过工位进行加工。

为了提高计算机的工作效率，使机器能协调地快速工作，将流水线思想引入到计算机体系结构中，发明了计算机工作流程的流水线原理。

不用流水线时，计算机执行一条指令一般要经过4个步骤，完成后，第二条指令才进入取指令阶段，因此当指令在某一部件中被处理时，其他几个部件实际上处于空闲状态。采用流水线后，指令一旦进入下一个步骤的执行部件，本步骤的执行部件就允许接受下一条指令，4个不同的执行部件，可以同时处理4条不同的指令，在理想情况下，指令的执行速度被提高了4倍。

• 并行处理：几个人一起做某事总比一个人单独做来得快而且好。但是有一个前提，就是要配合得好，或者说要分工、协作好，不能相互拆台，也不能人浮于事。这就是并行处理的概念。

非流水线和指令流水线见表1-1和表1-2。

计算机专家从20世纪60年代开始就在努力开发并行处理计算机系统了。单个处理器的能力总是有限的，如果让多个处理器同时协同工作，应该可以提高计算机系统的性能。例如，要100个数相乘，用一个处理机、一个乘法器要做99步。如果50台计算机一起工作，第1步让每台计算机做乘法，100个数变50个，第2步让其中的25台计算机做乘法，50个数变成25个，依次类推，只要7个步骤就可以完成这100个数的乘法。如果用10个计算机一起工作，则用13步可完成这100个数的乘法。

并行处理的关键是如何把要解决的问题分解成能同时处理的一系列小问题；如何使各个部分能相互交换信息达到“协同”工作；如何使系统不至于太贵，有较高的性能价格比。有多种方法可以达到这些目的，一种是多处理机系统，一种是多计算机系统，还有阵列计算机系统，脉动阵列计算机系统，等等。

所谓多处理机系统，处理器和存储器并不一一对应，数量也不一定相等，每个存储器模块为各个处理器共享，即信息的交换要通过中间的内网连接。

所谓多计算机系统，每一对处理器和存储器组成一个计算机，存储器模块为对应的处理器所占用，信息的交换要通过跨接在计算机之间的内连网络进行。

（4）总线和接口

① 总线：总线（BUS）是许多信号线的集合，通过总线来实现相互的信息或数据交换。在微机中，各个有联系的部件不是单独地使用导线连接，而是一律连到总线上，这就使部件间的通信关系变成面向总线的单一关系。所以总线是各部件共用的。采用总线结构简化了连线，增加了可靠性，并便于部件和设备的扩充，尤其是制定了统一的总线标准后，可使不同设备之间易于实现互连。

根据总线上传递信息的不同，微机总线分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）三大类。

• 数据总线：一般是双向三态控制，用来实现CPU、存储器和I/O设备之间的数据交换。数据总线的宽度是指CPU一次能处理的二进制数据的位数，也称为字长。字长越长的CPU，处理能力就越强，运算精度也越高。计算机的字长有8位、16位、32位和64位等。

• 地址总线：一般是单向三态控制。地址信息由CPU发出，通过地址总线传送到存储器或I/O接口，指出相应的存储单元。地址总线的数量决定了CPU可访问的内存范围。

• 控制总线：它传送的是各种控制信号。主要用于传送由CPU发出的对存储器和I/O接口进行控制的信号以及这些接口芯片对CPU的应答、请求等的信号。

② 外部设备与接口

外设已成为计算机系统的重要组成部分，它们如何连接到系统中是一个复杂的问题，在解决这个问题的过程中形成了各种标准和协议。众多的外设制造厂商共同采用这些标准和协议，才使得外设具有通用性，用户在使用时也十分方便。

• 硬盘。现在，磁盘主要是指计算机硬盘，硬盘容量都达到几十GB、几百GB或者以上。硬盘的接口有IDE（Intelligent Device Electronics）、EIDE（Enhanced Intelligent Device Electronics）、SCSI（Small Computer System Interface）等类型。一般而言，SCSI接口的硬盘速度比IDE、EIDE接口的硬盘快，但价格比较贵。流行主板上一般缩减IDE接口而增加SATA接口。

• 光盘。光盘是近几年飞速发展起来的一种数据存储设备。光盘一般分为三种类型：只读光盘（CD-ROM）：数据只能被读取，不能存入新的数据；一次性写光盘（CD-R）：只能写入一次，然后可以多次读取数据，又称为WROM；可读写光盘（CD-RW）：在光盘未损坏的情况下，可任意次实行读写操作，又称为E-R/W。

常用的CD-ROM，容量一般为650～700MB。光盘驱动器的接口一般为IDE和SCSI接口。速度分为16倍速、24倍速、48倍速等。目前市场上出现了DVD数据存储设备。它的容量可达到4.5～17GB。容量是CD-ROM的8～25倍，速度是其9倍以上。因此CD-ROM有被DVD替代的趋势。

③ 显示器、显示卡

• 显示器：根据其特性有多种分类方法。按照其显示屏尺寸大小可分为14 英寸、15英寸17英寸等；按分辨率大小可分为640×480、800×600、1024×768、1280×1024、1600×1200等；按显示屏材料的类型可以分为阴极射线管（CRT）显示器、液晶（LCD）显示器、等离子显示器等。

• 显示卡：（有时简称显卡）必须与显示器相配，按总线类型分为ISA显卡、EISA显卡、VISA显卡和PCI显卡，它们决定着显卡和主机交换数据用的总线的宽度，目前流行的PCI显卡总线速度为64位，交换数据的速度也是最快的。

显示卡中的显示内存的类型和容量对显示质量有很大影响，常用的有DRAM、EDODRAM、VRAM、WRAM等。WRAM最好，VRAM次之。容量一般分为几兆至几十兆等。容量越大，能显示的颜色数和屏幕分辨率也越高。

④ 打印机

常用的打印机分点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机三中。打印质量和速度由高到低依次是：激光、喷墨、点阵。它们共同的性能指标是打印分辨率和打印速度。目前彩色打印机也已经开始普及，它的另一个指标是颜色数，颜色数越多，打印出来的色彩效果越好。

⑤ 扫描仪

扫描仪用于把图像、图形或文字以点阵图像的格式输入到计算机内部，以便于进行各种处理。扫描仪的主要技术指标有：分辨率、色彩位数、扫描幅面和扫描速度。

⑥ 从RS-232到USB

作为通用串行断口，最有名的要算RS-232端口，也称为COM1、COM2…端口。通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是一种新型接口标准，目前已是主流规范。USB接口是为解决PC与外围设备的连通而设计的。USB接口具有即插即用功能，可以以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外部设备。USB1.0最大传输速率为12Mbps，USB2.0的数据传输速率可达到480Mbps。USB3.0标准也已经发布，理论速率可达到4.8Gbps。

另一种用于高速传输数据的串行接口标准IEEE 1394的数据传输速率可达到400Mbps，最高可达到3.2Gbps。

⑦ 其他设备和接口（声卡、调制解调器、网卡等）

如果要让计算机播放声音，声卡是必不可少的，它用来录音和放音，带有扬声器的插口（俗称喇叭）和接话筒（俗称麦克风）的插口。声卡的技术指标有：声音采样的位数、声音采样可达到的最高频率、是否采用数字信号处理器（DSP）、除了FM合成外，是否带有波表合成、是否带有内置混响效果的芯片和功率放大的芯片。

如果想通过普通电话线上网，则必须有调制解调器。一般PC上用的调制解调器有内置式和外置式两种，便携式计算机使用PCMCIA接口的内置式调制解调器。

如果想连接校园网或者其他局域网，必须配置网卡。网卡的型号与所要连的局域网类型有关。从速度看，有32位网卡和64位网卡之分。

⑧ 个人计算机的扩展总线

各种个人计算机的主板都有两个问题要解决，一是如何与外围设备进行高速数据交换，二是如何扩展计算机功能。解决问题的方式是采用各种类型的扩展总线。个人计算机的发展是与扩展总线的不断改进分不开的。

• PCI总线系统

目前最广泛使用的总线系统是于1993年推出的PCI（Peripheral Computer Interconnect）扩展总线系统。PCI总线并未与微处理器直接相连，而是通过所谓的PCI桥相连，解决了由总线直接联入CPU所引起的芯片发热问题。PCI桥式一个复杂的管理层，加上高速的读/写缓冲器，可解决加入管理层而引起的数据交换延迟问题。PCI总线标准还支持64 位数据传输，其中32位传输时数据传输率可达到133MB/s，64位传输时可达267MB/s。

• PCMCIA总线系统

笔记本电脑已经越来越普及，而常规的总线系统由于体积过大而不适用。以做IC卡为首的厂商联合起来成立了一个协会，名为PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association，个人计算机存储卡国际联盟）。其本来目的在于研究开发具有大存储容量的计算机卡，后变为向多个领域发展，做出硬盘卡、网卡等式样新颖而且功能强大的卡。这种卡只有火柴盒大小，厚度仅2～3毫米。