1.4.1　计算机系统的构成要素

读者都知道计算机用于代替人脑执行复杂的运算，通过输入设备和输出设备实现人机交互。例如，通过电脑上的键盘输入数据，通过显示设备（液晶显示器）显示运算的结果。

我们知道人的大脑是一个人最重要的器官，人类的大脑组织是一个复杂的结构，其可以实现“推理”和“记忆”的功能。人的“眼睛”“鼻子”“耳朵”“舌头”充当了光学、嗅觉、听觉和味觉传感器，用于获取大自然的“物理”信息，作用类似于电脑的“输入设备”。人们的“手”“脚”“嗓子”等充当了类似电脑的“输出设备”。首先，人们通过自己的“传感器”获取信息，并通过人体自身神经系统的传导将这些信息送到“大脑”中进行处理；然后，大脑在处理完信息后会发出“命令”，并通过人体自身神经系统的信息传导来控制自己的“输出设备”（手、脚和嗓子等）的行为。

读者感兴趣的是，人类处理信息的模型是如何与“电脑”对应的？

（1）人的大脑，对应于计算机的中央处理单元（CPU）和存储器系统。计算机中的CPU主要由控制器、运算器和辅助功能部件组成，其作用主要是完成信息的处理；计算机中的存储器系统负责“永久”记忆（保存）信息或“暂时”记忆（保存）信息，这就类似人类“大脑”中信息记忆的功能区域一样，它也可以永久保存一些信息或暂时保存一些信息。

很明显，人的大脑内部也有神经传导系统，将大脑中的不同功能区域连接在一起。类似的，CPU内用于将控制器、运算器和辅助功能部件连接在一起的连线，我们称之为“内部总线”（Internal Bus）。总线其实是一组电信号连线的集合，按功能将其划分为数据总线、地址总线和控制总线。

① 数据总线用于在处理器内部不同的功能单元之间传递数据信息。

② 地址总线用于指示处理器内的功能部件所访问存储器（“记忆”部件）的位置，其目的是从正确的位置中获取数据信息，然后将其放到数据总线上。

③ 控制总线用于控制读取/写入信息的顺序和方式。

（2）计算机中的键盘和鼠标等输入设备与人体的输入传感器作用类似，用于给计算机提供需要处理的“数据源”。众所周知，键盘和鼠标通过“有线”/“无线”的方式与计算机连接在一起。

计算机中的显示器与人体的输出设备功能类似，为了显示计算机处理数据的“结果”。

在计算机系统中，类似键盘和鼠标的输入设备，以及类似显示器的输出设备，统称为计算机的“外部设备”，简称外设。

外设的概念是随着集成电路的发展而发生变化的。在20多年前，当时半导体集成电路芯片的集成度不像今天这样这么高，因此外设都是在处理器芯片外部使用独立的其他芯片来实现的。例如，前面所介绍的8086处理器芯片就需要在该芯片的外部使用独立的8251、8255和8237等芯片来实现串口通信、并口通信与直接存储器访问的外设功能。所以，那个时代的计算机体积就会比较大，因为需要使用大量的芯片来充当CPU的外设，如图1.5所示。

随着半导体集成电路工艺的不断发展，芯片的集成度越来越高，以前需要在处理器芯片外面使用独立芯片实现的外设功能，都可以集成到一个“芯片”内部，这样就会显著减少所使用芯片的数量，从而使计算机的体积不断缩小。

最近20多年来，计算机的个头（体积）越来越小，功能越来越强，集成电路集成度的提高在其中起了非常重要的作用。因此，“外设”的定义也发生了变化。准确来说，存在于CPU芯片外部的外设称为“片外外设”；存在于CPU核外部而与CPU核共存于一个芯片内的外设称为“片内外设”。

（3）前面提到，处理器内部有用于连接处理器内部各个功能单元的“片内总线”。与连接大脑和输入/输出器官的神经传导系统类似，用于连接处理器核和“片外外设”/“片内外设”的总线，称为“外部总线”。如果外设与处理器核共存于一个芯片内，则称为“片内外设总线”；如果外设和处理器核处于不同的芯片，则称为“片外外设总线”。

片外外设总线存在于芯片外部，因此读者可以看到类似图1.5的电缆，片内外设总线存在于芯片内部，因此读者无法看到它，它在芯片内部以铜导线的方式存在。

不管是片内外设还是片外外设，要把处理器和外设连接在一起，也需要一组连线，这一组连线，从功能上划分为数据总线、地址总线和控制总线。也就是说，总线是一组数据总线、一组地址总线和一组控制总线的集合，本质上就是用于传输二进制电平信号的“电缆”。

应该说，随着半导体技术的不断发展，越来越多的外设都可以和处理器共存于一个芯片中，即朝着片上系统的方向发展。

（4）如果进一步细分，将处理器与存储器系统的连线称为存储器总线。当然，一个庞大的存储器系统，有一部分是和处理器核共存在一个芯片中的，我们将其称之为片内存储器。例如，片内高速缓存（Cache）和片内小容量的SRAM。此外，大容量的存储器一般使用独立的存储器芯片搭建，并不与处理器核共存在一个芯片内，我们将其称之为外部存储器。外部存储器分为易失性存储器和非易失性存储器两类。例如，同步动态存储器是易失性存储器，Flash存储器（闪存）是非易失性存储器。在计算机结构中，根据存储器系统与处理器的远近关系，又进一步的划分为常见的三级存储器系统结构，这将在本书后续内容中进行详细介绍。

思考与练习1-8：计算机系统中用于连接CPU内各个功能部件的总线称为________，用于连接CPU和外部设备的总线称为________。

思考与练习1-9：随着片上系统技术的发展，很多外设/外设控制器可以和CPU一起集成在单个芯片，此时将外部总线进一步细化分为________和________。

思考与练习1-10：总线是一组信号的集合，按功能将总线分为________、________和________。

思考与练习1-11：在计算机系统中，摄像头属于________（输入/输出）设备，二维码扫码器属于________（输入/输出）设备，显示器属于________（输入/输出）设备。

思考与练习1-12：处理器外部所使用的大容量存储器主要分为________和________。