计算机组成原理[1]

发布于 6 天前  21 次阅读


上一篇推文咱简单讲了讲啥是信息,为啥使用二进制来存储信息,咱这一篇推文来讲讲啥是计算机,以及计算机的经典架构。

计算机

计算机就是咱们平时使用的智能手机,电脑啥的,大家肯定已经十分熟悉了。不过咱既然要研究它,还是得对它进行一点抽象的。

图灵机

大家或多或少都听过这个名词。以前没听过的话,至少现在听过了。图灵机就是计算机最早的思想原型了。对于图灵机的研究也有很多,有许多严谨的数学定义。为了便于理解,我就不展开叙述了。希望想要深入了解计算机的同学可以找些专业的书籍再研究下(比如《计算理论导引》)。

图灵认为思考的过程可以被这样认识:一个人拿着笔在纸上进行计算

眼睛看到纸上的符号,中有若干法则。然后指挥在纸上擦除或者写上一些符号,然后改变眼睛所看到的范围,重复上述行为直到认为计算结束

在上面的描述中,脑就是控制器,纸就是存储带,眼睛和笔是读写头,法则是转移函数。

再简单一点来说,就是图灵机有四个部分。输入输出存储带转移函数(也就是运算规则)

计算机也需要这几个部分,输入,输出,存储,以及控制的规则。看起来有点抽象,其实很好理解,平时咱用电脑的时候,使用键盘鼠标啥的就是给了自家电脑输入,然后自家电脑在屏幕上显示就是给了咱输出,大家买电脑不都会问硬盘多大嘛,这个硬盘就是存储带了,然后运算规则就是咱用电脑的人不知道的了,但是它是电脑里面运行的规矩嘛。有了规则才能保证你每次相同的操作都能得到相同的结果不是吗?

后来人们根据这种基本思想做了许多尝试,其中最成功的就是冯诺依曼的设计。也就是大家常说的存储程序概念,使用该思想的计算机被称作冯诺依曼型计算机,也是我们博客讨论的计算机。非冯诺依曼式计算机就需要读者在深入理解了冯氏计算机的组成原理之后自行学习了。(也许后面会开非冯计算机的新坑吧,不好说)

存储程序概念

存储程序概念其实就是以下三点:

  • 计算机由五大基本部件组成,分别为:运算器、控制器、输入设备、输出设备、存储器。
  • 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
  • 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中,然后再启动计算机工作。

五大部件都对应前面说的图灵机的四个部分,其中运算规则是由运算器和控制器对应的。毕竟运算规则,既有运算也有规则嘛。

那么冯氏计算机怎么工作呢?首先,我们事先将编好的程序存入存储器中(也就是大家装的操作系统啥的,是装在硬盘里的对吧,硬盘就是一个典型的存储器,操作系统也就是程序啦)。然后你开机,然后程序(你的操作系统)就开始运行了,然后可以接收你的输入,给你输出(这个过程就是你用电脑的过程)。直到程序运行完了(对于操作系统来说,无非就是你断电或是关机嘛)。

看完上面的描述是不是稍微清楚了一点呢?不是的话也没关系,慢慢就悟了(欸嘿)。

计算机的硬件组成

前面说过计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个基本部件组成。其中咱通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。CPU通常会被制造成一块小芯片。

中央处理器主存储器(内存储器,简称内存)合称为主机部分,除了主机以外都被称为外部设备(外设)

计算机基本组成

上面框框就是外设,下面框框就是主机。控制器为啥没连线呢?因为控制器所有人都管,所以它到其他人都有控制信号,而且由于程序是存在主存里的,所以控制器和主存储器有数据交流。

存储器

存储程序和数据的部件(因为程序本质上就是一串二进制串嘛,也就是数据)。至于为啥是二进制串,是怎样的二进制串,咱们以后的内容里慢慢讲。

运算器

就是用来运算的部件,可以进行算术运算和逻辑运算,所以又称为算术逻辑运算部件(Arithmetic and Logical Unit,ALU),至于这玩应怎么造,咱也是后面再说。

控制器

顾名思义用来控制整个系统正常运行的部分,怎么控制咱也是后面慢慢讲。

至于输入设备,输出设备,基本上没啥理解难度,后面碰到再说了。

几大部件之间要交流哇,那么这个交流通过啥进行呢?通过总线进行。

说到总线,还是后面慢慢讲,只要知道总线负责传递信息就好了。(哦,还有,总线不是一根线,一般是一揽子线)

今天就到这里吧,下次咱开始讲计算机的性能指标(学完就能自己挑电脑辣)。