【IT】我是计算机系统大师(一)——硬件基本组成

2021年9月7日 4点热度 0条评论 来源: AresCarry

一、开篇大话

      小编走火入魔了,突然想写一写计算机硬件的一些知识,这是第一篇,没有错,您会跟着小编进入一个翻天覆地的世界,去他妹的乱七八糟的知识点,小编从基础搞起,让大家和小编一起进步!!

二、正题开始

2.1 什么是计算机系统?

      相信大家肯定见过电脑,这个就统称为计算机。看到过电脑的显示器、主机、鼠标、键盘等,这些组装在一起就是我们所说的计算机了。


                                                    图一 计算机硬件

      计算机硬件分为:运算器、控制器、存储器、输入、输出。

      其中运算器和控制器等部件集成在一起统称为中央处理单元,又叫CPU。它对于一个计算机来说,就相当于人类的大脑,可以程序控制、操作控制、时间控制、数据控制等,它是由运算器、控制器、寄存器组和总线等部件组成。

2.2 运算器


                                                    图二 运算器

      作用:处理逻辑运算,处理算数运算

      组成:算数逻辑单元(ALU),累加寄存器,数据缓冲寄存器。

        算数逻辑单元:处理数据,处理逻辑运算+算数运算

        累加寄存器:运算时,为ALU提供一个空间

        数据缓冲寄存器:CPU、内存、外设之间数据中转站。

2.3 控制器

      前面介绍了运算器,他就是一个算数的。而控制器是一个控制整个CPU工作的部件,他可以控制先运行那个、后运行那个~~从而保证了计算机运行过程的自动化。他不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件

      组成:指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑。

        指令控制逻辑:取指令,分析指令,执行指令。

        时序控制逻辑:为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。

        总线控制逻辑:对多个部件提供信息通路。

        中断控制逻辑:控制中断请求。

      为了完成上面的功能,在硬件用就存在下面的一些硬件:


                                                    图三 控制器


                                                    图四 CPU指令分析图

      处理流程:当执行一条指令时,先把指令从内存取到运算器的缓冲寄存器中,再送到IR中此过程称为“取指令”。与此同时,PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令,执行指令。完成第一条指令的执行,而后根据PC取出第二条指令的地址,如此循环,执行每一条指令。

    指令寄存器:存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令。对用户完全透明。

    程序计数器:存放总是程序要执行的下一条指令。

    地址寄存器:CPU所访问的内存单元的地址。

    指令译码器:对指令操作码进行分析解释,识别操作,向控制器发送具体控制信号,控制各个部件完成功能。

2.4 寄存器组

      分类:专用寄存器+通用寄存器

    专用寄存器:控制器和运算器中的寄存器,作用固定。

    通用寄存器:用途广泛,程序员可以自己设定功能,数目可变。

2.5 总线


                                                    图五 总线

      一张图胜过千言万语,计算机硬件部分是通过总线方式互连的,可以很方便的扩充部件。

      定义:任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。

      分类有三:内部、外部、系统。

    内部总线:集成电路连接

    系统总线:插件板一级的连接,eg:主板,cpu,接口。

    外部总线:通信总线,用于设备之间的信息交换。

2.6 存储器


                                                图五  存储系统

      存储系统可以说是计算机组件中的一个老大哥的地位了,作用也十分的重要,可以说计算机如果没有了存储器,就等同于人类没有了记忆,这里指的记忆包括长期记忆、短期记忆、瞬间记忆等。由此可见,存储器对于一台计算机来说是多么的重要。

  • 按寻址方式分的三种情况:随机存储器、顺序存储器、直接存储器。

    ①随机存储器:对任何存储单元存入或读取数据,访问任何单元所需的时间是相同的。
    
    ②顺序存储器:存储时间与位置有关系。磁带~~
    
    ③直接存储器:磁盘,对磁道寻址是随机的,在磁道内寻址是顺序寻址。
    
  • 相联存储器:按内容存储;

  • 高速缓存:存放当前活跃的程序和数据,对程序员透明。

  • 虚拟存储器:主存和辅存之间的调度。

    管理方式:

    ①页式虚拟存储器
    
    ②段式虚拟存储器
    
    ③段页式虚拟存储器
    
  • 外存储器:存放暂时不用的程序和数据,eg:磁盘存储器、光盘存储器

  • 磁盘阵列技术:由多台存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。具体了解,请跳转《【IT技术】RAID,让几块机械硬盘战胜固态硬盘 》

2.7 输入输出


                                                    图六 输入输出
  • 内存与接口编址

            ①独立编址:内存地址和接口地址完全独立且互相隔离。方便使用辨认。
    
            ②统一编址:内存指令全部可以用于接口,增加了接口操作功能,不区分内存和接口指令。访问与访存类似。
    
  • 直接程序控制

            执行过程是由CPU执行程序控制的。
    
  • 中断方式

            CPU定期查询IO系统的状态,确认是否完成。
    
    方法:
    
            中断向量法:可以提供中断服务程序的入口地址。
    
            多中断信号线法
    
            中断软件查询法
    
            菊花链法:硬件查询法;
    
            总线仲裁法:一个设备要发出中断请求,要先获得总线控制权,有总线控制机制来裁定谁可以发出中断请求信号。
    
  • 直接存储器存取方式

            可以使得设备与主存间的数据库块传送无需CPU干预。
    

三、消化吸收

      这么多的知识,如何记忆呢?

  • 思维导图,小编力荐思维导图,可以帮助扩大自己的知识网,增强自己的视野。

  • 小组topic,进行头脑风暴,对一个知识点,很快的分析,评测来学习。

四、小结

      知识量很大,小编利用两个小时总结了这个博客,学习就要付出时间。另外要看到自己在这个过程中学到了什么,小编就更加深刻的了解了指令在CPU中的走动,剩下的就是要做题总结了。加油!

      下一篇博客讲给大家带来《【IT】我是计算机系统大师(一)——密码学安全》。

    原文作者:AresCarry
    原文地址: https://blog.csdn.net/kisscatforever/article/details/52987975
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