计算机系统组成

计算机硬件的组成

计算机系统是一个硬件和软件的综合体，可以把它看成按功能划分的多级层次结构。硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体。计算机基本硬件系统分为五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。运算器、控制器等部件集成在一起统称为中央处理单元（CPU）。

(1)控制器。控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。控制器的组成包含如下。

1. 程序计数器 PC：存储下一条要执行指令的地址；
2. 指令寄存器 IR：存储即将执行的指令；
3. 指令译码器 ID：对指令中的操作码字段进行分析解释；
4. 地址寄存器 AR：保存当前 CPU 访问的内存地址；
5. 时序部件：提供时序控制信号。

(2)运算器。运算器主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算。运算器的组成包含如下。

1. 算术逻辑单元 ALU：数据的算术运算和逻辑运算；
2. 累加寄存器 AC：通用寄存器，为 ALU 提供一个工作区，运算结果或源操作数的存放区；
3. 数据缓冲寄存器 DR：写内存时，暂存指令或数据；
4. 状态条件寄存器 PSW：保存指令运行结果的条件码内，如状态标志与控制标志（如溢出标志等）。

(3)主存储器。主存储器也称为内存储器(通常简称为“内存”或“主存”)。存储现场操作的信息与中间结果，包括机器指令和数据。

(4)辅助存储器。辅助存储器也称为外存储器，通常简称为外存或辅存。存储需要长期保存的各种信息。

(5)输入设备。输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。按输入信息的形态可分为字符输入、图形输入、图像输入及语音输入等。目前，常见的输入设备有键盘、 鼠标、扫描仪等。

(6)输出设备。输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。目前，最常用的输出设备是打印机和显示器。有些设备既可以是输入设备， 同时也可以是输出设备，例如，辅助存储器、自动控制和检测系统中使用的数模转换装置等。

计算机系统结构的分类

按处理机的数量可以分为单处理系统（一个处理单元）、并行处理系统（两个以上处理机）、分布式处理系统（物理上远距离松耦合的多计算机系统）。

根据不同的指令流-数据流组织方式，把计算机系统分成以下四类。

(1)单指令流单数据流(Single Instruction stream and Single Data stream，SISD)：就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。

(2)单指令流多数据流(Single Instruction stream and Multiple Data stream，SIMD)：以并行处理机(矩阵处理机)为代表，并行处理机包括多个重复的处理单元，由单一指令部件控制，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同数据。

(3)多指令流单数据流(Multiple Instruction stream and Single Data stream，MISD)：具有 n 个处理单元，按 n 条不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同的处理。 一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入。这类系统实际上很少见到。有文献把流水线看作多个指令部件，称流水线计算机是 MISD。

(4)多指令流多数据流(Multiple Instruction stream and Multiple Data stream，MIMD)：是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统。如多核处理器、多处理机属于 MIMD。

复杂指令集系统与精简指令集系统

增强指令的功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现，这种计算机系统称为复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer，CISC)。

CISC 指令系统的主要特点如下: 

1. 指令数量众多。指令系统拥有大量的指令，通常有 100~250 条。
2. 指令使用频率相差悬殊。最常使用的是一些比较简单的指令，仅占指令总数的 20%，但在程序中出现的频率却占 80%。而大部分复杂指令却很少使用。
3. 支持很多种寻址方式。支持的寻址方式通常为 5~20 种。
4. 变长的指令。指令长度不是固定的，变长的指令增加指令译码电路的复杂性。
5. 指令可以对主存单元中的数据直接进行处理，其执行速度较慢。
6. 以微程序控制为主。CISC 的指令系统很复杂，难以用硬布线逻辑(组合逻辑)电路实现控制器，通常采用微程序控制。

简化指令功能，只保留那些功能简单，能在单周期内执行完成的指令，指令格式力求一致，寻址方式尽可能
减少，较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统称为精简指令系统计算机 (Reduced Instruction Set Computer，RISC)。

RISC 指令系统的主要特点如下。

1. 指令数量少。优先选取使用频率最高的一些简单指令和一些常用指令，避免使用复杂指令。
2. 指令的寻址方式少。通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式和相对寻址方式。
3. 指令长度固定，指令格式种类少。因为 RISC 指令数量少、格式少、相对简单， 其指令长度固定，指令之间各字段的划分比较一致，译码相对容易。
4. 以硬布线逻辑控制为主。为了提高操作的执行速度，通常采用硬布线逻辑(组合逻辑)来构建控制器。
5. 单周期指令执行，采用流水线技术。因为简化了指令系统，很容易利用流水线技术，使得大部分指令都能在一个机器周期内完成。
6. 精简指令集使编译工作简单化。因为指令长度固定、格式少、寻址方式少，编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择，也不必为寻址方式的选择而费心，同时易于实现优化，从而可以生成高效率执行的机器代码。
7. CPU 中的通用寄存器数量多，一般在 32 个以上，有的可达上千个。

大多数 RISC 采用了 Cache 方案，使用 Cache 来提高取指令的速度。有的 RISC 使用两个独立的 Cache 来改善性能。一个称为指令 Cache，另一个称为数据 Cache。

总线

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路，是计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送；分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息。在同一时刻，允许多个部件同时从总线上接收相同的信息。

按总线相对于 CPU 或其他芯片的位置可分为内部总线和外部总线两种。在 CPU 内部，寄存器之间和算术逻辑部件 ALU 与控制部件之间传输数据所用的总线称为内部总线；外部总线是指 CPU 与内存 RAM、ROM 和输入/输出设备接口之间进行通信的通路。由于 CPU 通过总线实现程序取指令、内存/外设的数据交换，在 CPU 与外设一定的情况下，总线速度是制约计算机整体性能的最大因素。

按总线功能来划分，又可分为地址总线、数据总线、控制总线三类，人们通常所说的总线都包括这三个组成部分，地址总线用来传送地址信息，数据总线用来传送数据信息，控制总线用来传送各种控制信号。