淺析計算機系統的組成

近年來，隨著 PC（ Personal Computer， 個人電腦） 在家庭中的廣泛普及， 計算機對我們的生活產生了深遠的影響。如今， 不僅是 PC，與我們生活息息相關的手機、平板等也廣泛應用了計算機。通過此文來介紹一下計算機系統的構成要素及其功能。

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什么是計算機？

計算機是根據程序進行運算和數據處理的計算機器。通常，計算機由以下幾部分組成：負責計算和處理數據的 CPU、 負責存儲程序和數據的存儲器，以及和外部進行數據交換的 I/O（ Input/Output，輸入輸出裝置）。各部分通過總線連接就構成了一臺計算機。

計算機的構成要素如圖所示。以 PC 機的組成為例，一般使用 Intel 或 AMD 公司 的 CPU，DDR3 SDRAM 之類的內存，另 外還有鍵盤、鼠標、顯示器等 I/O。這些CPU、內存、I/O、總線并不局限于 PC，多數計算機都是由這四大要素組成。

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什么是CPU？

中央處理器，簡稱 CPU（Central Processing Unit），中央處理器主要包括兩個部分，即控制器、運算器，其中還包括高速緩沖存儲器及實現它們之間聯系的數據、控制的總線。電子計算機三大核心部件就是CPU、內部存儲器、輸入/輸出設備。中央處理器的功能主要為處理指令、執行操作、控制時間、處理數據。

根據執行的指令的特征，CPU 分為 RISC（ Reduced Instruction Set Computer， 精簡指令集計算機）和 CISC（ Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）兩種。

基于RISC指令集的CPU 的指令功能單純，種類較少。相對應地，CISC 類 CPU 的指令功能復雜，種類繁多。RISC 指令精簡的好處是 CPU 內部構造可以簡化，適合高速操作。但是在進行相同操作時，由于每一條指令都功能單純，所以與 CISC 相比，它需要使用更多的指令數量。雖然 CISC 的內部構造復雜不適合高速操作，但進行相同處理時指令數比RISC 要少。

RISC 和 CISC 兩種架構各有所長，孰優孰劣不能一概而論。在追求高速運作的CPU 的領域中，RISC 被認為更具優勢。這些年，雖然 Intel 和 AMD 兩家公司的 CPU指令集依然是 CISC 的，但內部卻將復雜指令分解為簡單指令，使得內部可以像 RISC一樣工作。

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什么是內存？

內存是用來存放運行時指令（ 程序） 和數據的存儲器。為了和計算機中長期保存數據和程序的存儲器區別， 內存有時也稱為主存（ Main memory）。

最近的計算機通常采用 DRAM（ Dynamic Random Access Memory， 動態隨機存儲器） 技術的內存。DRAM 是通過在電容器中積蓄電荷來保存數據的存儲元件。電容器中充電狀態是 1， 放電狀態是 0， 以此來表示數值。由于電容器中的電荷一段時間后會衰減， 所以 DRAM 需要定期進行重新寫入數據的刷新（ Refresh） 操作。根據訪問方式和規格的不同，DRAM 分為 SDRAM（ Synchronous DRAM， 同步 DRAM） 和 DDRSDRAM（ Double Data Rate SDRAM， 雙倍數據率 SDRAM） 等種類。

內存等存儲器的特點是速度越快成本越高。因此通常使用“高速小容量”、“中速中等容量” 到“低速大容量” 等多種存儲器組合的混合型架構。這種構造稱為存儲器層級。

在存儲層面， 速度最快的是 CPU 中的寄存器。CPU 比內存速度快很多， 由 CPU 直接訪問內存效率較低。為了提高內存訪問速度， 在 CPU 和內存間增加了被稱為緩存的高速小容量存儲器。緩存可以暫時性地緩沖存儲從內存中讀取的數據。CPU 在訪問內存時， 如果需要的數據已經保存在緩存中， 則可直接從緩存中讀取， 以提高訪問效率。根據容量和速度的不同， 緩存也分為多個層級， 通常為一級緩存、 二級緩存等多個級別。

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什么是 I/O？

I/O（ Input/Output） 是進行數據輸入輸出的裝置。計算機通過 I/O 和外部實現數據交換。計算機的處理操作按照從外部讀取數據、 在內部處理數據、 再向外部輸出結果的順序進行。以個人電腦為例， 如圖所示， 它從鼠標或鍵盤輸入數據， 處理器根據程序處理數據， 通過顯示器等向外部輸出結果。

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什么是總線？

總線是 CPU、 內存和 I/O 之間交換數據的共同通道?？偩€將一根信號線在多個模塊間共享進行通信。

兩個模塊通過總線交換數據時， 發起訪問的一側稱為總線主控， 接受訪問的一側稱為總線從屬。下圖示例中， CPU 為總線主控， 內存、 I/O 等為總線從屬。

總線一般由數據總線、地址總線和控制總線構成。數據總線用來傳輸交換的數據，地址總線用來指定訪問的地址，控制總線負責總線訪問的控制。各個信號的時序、 進行交換的規則等稱為總線協議。通過總線交換數據的整個過程稱為總線傳輸?？偩€傳輸的示例見下圖。

本文介紹了計算機的基本概念。多數計算機是由 CPU、 內存、 I/O 以及連接它們的總線構成。計算機是通過 CPU 將存儲在內存的指令讀出并執行、 通過 I/O 進行數據的輸入輸出來實現處理的。