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計算機的基本組成是什麼樣子的？

2022-10-11 18:10:07

目錄

作者：小牛呼嚕嚕 | https://xiaoniuhululu.com
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前言

軟體行業非常迅速，以前流行C,C++java,spring，現在springcloud,docker,微服務，k8s雲原生等概念火熱，還有各種各樣的新技術在不斷的湧現出來。但是計算機底層原理 這幾十年一直並沒有太大的變化，與其不斷去嘗試新技術，不如耐住性子，深入學習底層的知識，好好修煉「內功」。

計算機的軟硬體概念

計算機系統由"軟體"和"硬體"2大部分組成

其中軟體如果按應用範圍分類，一般分為系統軟體和應用軟體：

  1. 系統軟體是各類作業系統，如windows、Linux、UNIX等，還包括作業系統的修補程式程式及硬體驅動程式，都是系統軟體類。
  2. 應用軟體可以細分的種類就更多了，如工具軟體、遊戲軟體、管理軟體等都屬於應用軟體類。

其中計算機硬體經過發展歷程：

  1. 電子管時代，速度每秒幾千次~幾萬次
  2. 電晶體時代，速度每秒幾萬次~幾十萬次
  3. 中小規模積體電路時代，速度每秒幾十萬次~幾百萬次
  4. 大規模、超大規模積體電路時代，速度每秒上千萬次~萬億次

馮·諾依曼體系結構

1946年，第一臺計算機ENIAC誕生，人類進入計算機時代，馮諾依曼和其他電腦科學家們 提出了計算機"儲存程式"的計算機設計理念，即將計算機指令進行編碼後儲存在計算機的記憶體中，需要的時候可以順序地執行程式程式碼，從而控制計算機執行。還定義計算機基本結構為 5 個部分，分別是運算器、控制器、記憶體、輸入裝置、輸出裝置，這就是馮.諾依曼計算機。

實線箭頭表示 傳輸線，虛線箭頭表示 控制線和反饋線

馮·諾依曼計算機特點：

  1. 計算機由 運算器、記憶體、控制器、輸入裝置和輸出裝置 五大部件組成， 側重於硬體抽象
  2. 將計算機的計算和記憶分開，負責計算的部分由運算器和控制器組成，負責記憶的部分稱為記憶體
  3. 指令和資料均用 二進位制數 表示
  4. 指令和資料以同等地位存放於記憶體內，並可 按地址尋訪
  5. 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示運算元在記憶體中的位置
  6. 指令在記憶體內按順序存放。通常，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序
  7. 以運算器為中心

現代計算機系統與馮·諾依曼計算機差別不大，最大的區別馮·諾依曼計算機 是 以運算器為中心的，而現代計算機 以儲存器為中心：

這張圖很重要，大家得記住，我們後文會對其，進行講解和補充！

接下來，我們分別介紹一下這幾個重要組成部分

  1. 記憶體

記憶體是用來存放資料和程式。記憶體 包含主記憶體和輔存

  • 主記憶體：直接與CPU交換資訊，就是我們熟悉的記憶體。常見的有記憶體條
  • 輔存：輔存可作為主記憶體的後備記憶體，不直接與CPU交換資訊，容量比主記憶體大，但速度比主記憶體慢。比如機械硬碟、固態硬碟等
  • 我們得注意一下：能和CPU直接交換資訊的只有主記憶體，輔存是不直接與CPU交換資訊
  1. 運算器

運算器也叫算數邏輯單元，是進行算數運算和邏輯運算的部件，在控制器的控制下，對取自記憶體儲器的資料進行算術運算或邏輯運算，並將運算的結果送到記憶體儲器。

  1. 控制器

控制器用來控制、指揮程式和資料的輸人、執行以及處理運算結果。計算機在工作時，控制器首先從記憶體儲器中按順序取出一條指令，並對該指令進行譯碼分析，根據指令的功能向相關部件發出操作命令，使這些部件執行該命令所規定的任務，執行之後再取出第二條指令進行分析執行。如此反覆，直到所有指令都執行完成。

  1. 輸入裝置

輸入裝置用來將人們熟悉的資訊形式轉換為機器能識別的資訊形式，常見的有鍵盤、滑鼠等

  1. 輸出裝置

輸出裝置可將機器運算結果轉換為人們熟悉的資訊形式，如印表機輸出、顯示器輸出等。

  1. 中央處理器(CPU)

由於運算器和控制器在邏輯關係和電路結構上聯絡十分精密，特別是大型積體電路時代的到來，所以現如今往往會將運算器和控制器整合到同一個晶片上，統稱 在中央處理器(CPU)，其功能是從記憶體儲器中取出指令、解釋指令並執行指令。

  1. 現代CPU內部 還有一個常見的元件，暫存器

暫存器是CPU內部用來存放資料的一些小型的儲存區域，用來暫時存放參與運算的資料以及運算結果。暫存器由電子線路組成，存取速度非常快，與CPU的速度相當，暫存器的成本較高，因而數量較少。在CPU中至少要有六類暫存器: 指令暫存器(IR)、程式計數器(PC)、地址暫存器(AR)、資料暫存器(DR)、累加暫存器(AC)、程式狀態字暫存器(PSW)。

大家對暫存器感興趣的話，可以看看我之前一篇文章： https://mp.weixin.qq.com/s/_udXTFH7Nkfg8wPsKKfG6A

匯流排

匯流排是貫穿整個系統的是一組電子管道，稱作匯流排，它攜帶資訊位元組並負責在各個計算機部件間傳遞。通常匯流排被設計成傳送定長的位元組塊，也就是字（word）。字中的位元組數（即字長）是一個基本的系統引數，各個系統中都不盡相同。現在的大多數機器字長要麼是4個位元組（32位元），要麼是8個位元組（64位元）。本文我們不對字長做任何固定的假設

另外計算機最小的儲存單位是位元組（byte），1 位元組等於 8 位（1Byte=8bit），而位/位元（bit）是計算機最小的資料傳輸單位。1 位元組等於 8 位(1Byte=8bit）這個換算規則大家需要牢記

我們順便把記憶體相關的知識串起來：計算機將8個bit歸為一組，為位元組，每一個位元組都對應一個記憶體地址。記憶體的地址是從 0 開始編號的，然後自增排列，最後一個地址為記憶體總位元組數 - 1。CPU只需要知道某個資料型別的地址, 就可以直接去到對應的記憶體位置去提取資料了。

匯流排可分為 3 種：

  • 地址匯流排，一般用於指定 CPU 將要操作的記憶體地址；
  • 資料匯流排，一般用於讀寫記憶體的資料；
  • 控制匯流排，一般用於傳送和接收訊號，比如中斷、裝置復位等訊號，CPU 收到訊號後，通過控制匯流排進行響應；

計算機為什麼普遍採用二進位制？

這是一個很常識性但非常重要的問題，馮.諾依曼計算機也叫儲存程式 計算機，其中「儲存程式」的概念是 指將指令以二進位制程式碼的形式事先輸入計算機的主記憶體儲器，然後按其在記憶體中的首地址執行程式的第一條指令，以後就按該程式的規定順序執行其他指令，直至程式執行結束。

我們更熟悉十進位制的運算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個數位，逢十進一。比如中國人從小背的「九九乘法表」其實就是十進位制變種。但是計算機中使用二進位制，只有0和1兩個數位，逢二進一。

採用二進位制的原因：

  1. 二進位制在自然界中最容易被表現出來。自然界中二值系統非常多，電壓的高低、水位的高低、門的開關、電流的有無等等都可以組成二值系統，都可以用來做計算機。
  2. 計算機依靠電力工作，通過電子原件的電壓高低反應，很容易就表現出二進位制的特性。從某種意義上說，中國古人的八卦是利用符號的二元形態來表示事物，這一點與二進位制頗為相同。

64位元和32位元CPU的區別

64位元、32位元指的是CPU暫存器的資料寬度，也叫 CPU 的位寬，他們最主要區別在於CPU一次能計算多少位元組資料

  • 32位元CPU，表明處理器 一次可以計算 4 個位元組(Byte)，即一次可以計算32位元(bit)資料。
  • 64位元CPU，表明處理器 一次可以計算 8 個位元組(Byte)，即一次可以計算64位元(bit)資料。

CPU的位數越高也將會使它的定址範圍、最大記憶體容量、資料傳輸和處理速度、數值精度等指標成倍增加，也就是CPU的處理能力得到大幅提升

我們都知道，32位元CPU最大支援4G記憶體,這是怎麼算出來的？ 2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,注意B和b的區別
"CPU中32位元"中的"位"並不是 記憶體中的"位bit"的概念，對應到記憶體中其實是"位元組Byte"
由於32位元最大記憶體定址能力只能達到是4G左右，我們就算給32位元的電腦裝8G的記憶體條，也無法提高其計算能力

計算機效能

接下來介紹一下關於計算機效能相關的基本概念：

儲存器的效能指標

儲存器的效能指標主要和以下3個方面有關：

  1. 儲存容量：儲存單元個數 * 儲存字長（如1M*8bit）

其中：

  • MAR位數反映儲存單元的個數，即最多能表示多少個不同的狀態

n個2進位制位能表示 2^n個狀態，
2^10=1 K,2^20=1 M,2^30=1 G,2^40=1 T

  • MDR位數=儲存字長=每個儲存單元的大小
  1. 單位成本：每位價格=總成本/總容量。
  2. 儲存速度：資料傳輸率=資料的寬度/儲存週期

另外還有3個概念，再瞭解一下：

  • **存取時間 **又稱記憶體存取時間，是指從啟動一次記憶體操作到完成該操作所經歷的時間。
  • **儲存週期 **又稱為讀寫週期或存取週期。它是指記憶體進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間，即連續兩次獨立地存取記憶體操作（讀或寫操作）之間所需的最小時間間隔。
  • **記憶體頻寬 **是單位時間裡記憶體所存取得資訊量。

CPU的效能指標

當我們去京東淘寶上去買，CPU的時候，商家一般會寫下面的資訊：

12代 酷睿 i7-12700KF 處理器 12核20執行緒 單核睿頻至高可達5.0Ghz 25M三級快取 桌上型電腦CPU

其中除了一下CPU的型號，5.0Ghz是表示CPU效能的一個重要的指標

CPU主頻：CPU核心的時脈頻率，表示在CPU內數位脈衝訊號震盪的頻率，常用單位為Hz。平時我們打遊戲常說的超頻，超的就是這個CPU主頻。
CPU時鐘週期：通常為節拍脈衝或T週期，即主頻的倒數，它是CPU中基本時間單位。
執行一條指令的耗時 = CPI * CPU時鐘週期, 其中CPI表示 執行一條指令所需的時鐘週期數
一段程式的耗時=指令數*CPI * CPU時鐘週期， 如果我們想要提升CPU效能問題，其實就是要優化這三者。

系統整體的效能指標

計算機系統的效能主要受是下面3個指標

  1. 資料通路頻寬

資料匯流排一次所能並行傳送資訊的位數（各硬體部件通過資料匯流排傳輸資料）

  1. 吞吐量
    指系統在單位時間內處理請求的數量。 它取決於資訊能多快地輸入記憶體，CPU能多快地取指令，資料能多快地從記憶體取出或 存入，以及所得結果能多快地從記憶體送給一臺外部裝置。這些步驟中的每一步都關係 到主記憶體，因此，系統吞吐量主要取決於主記憶體的存取週期。

  2. 響應時間
    指從使用者向計算機傳送一個請求，到系統對該請求做出響應並獲得它所需 要的結果的等待時間。 通常包括CPU時間（執行一個程式所花費的時間）與等待時間（用於磁碟存取、儲存 器存取、I/O操作、作業系統開銷等時間）

跑分軟體，像魯大師等，就是把多個預設好的程式(基準程式)在計算機上執行，然後根據執行需要 的時間，算出一個分數來評估計算機的效能，以便和其他計算機進行比較。

計算機功耗

通過上文CPU 執行時間 = 指令數*CPI * CPU時鐘週期，我們知道程式的 CPU 的效能 受到 指令數、CPI 以及 CPU 主頻 的影響， 指令數或者 CPI 工程師，由於影響條件複雜，沒法直接干預，或者可能反向干預。主要手段是提高CPU的主頻， CPU 變得更快，程式的執行時間自然就會縮短 ，主頻越高越好？答案是否定的
由本文一開始，我們知道現在的計算機裡的CPU,都是超大規模積體電路，實際上都是一個個電晶體組合而成的。通過電路的開關的"開啟"和"關閉",來實現計算和儲存的能力。要想計算得更快，從硬體角度來說，就是單位體積多放一些電晶體。從軟體角度，手動將CPU的主頻提升。但這2種手段，會增加CPU的耗電和散熱，即功耗增加。
雖然可以通過降低電壓來緩解功耗的問題，但是一味地提升主頻，提升的效能效果日益衰弱。後面為了提升效能，不再依賴堆硬體方面，計算機採用了從單核CPU到多核CPU，將CPU執行任務流水線化，高並行多執行緒等等更多的手段

參考資料：
深入理解計算機系統
計算機組成原理
計算機組成原理(第2版)-唐朔飛
深入淺出計算機組成原理
https://blog.csdn.net/ZCMUCZX/article/details/80026508
https://www.zhihu.com/question/309983509
https://cpu.zol.com.cn/445/4453295.html

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