计算机系统的硬件组织详细概述

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为了解在计算机系统中,程序是如何运行的,首先需要了解计算机系统的硬件组织。

计算机系统的硬件组织详细概述

1、总线

总线是贯穿整个系统一组电子管道,它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送特定长的字节块,也就是字(word)。字中的字节数是一个基本的系统参数,各个系统中都不尽相同。如32位操作系统一个字长是4个字节,64位操作系统一个字长是8个字节。

位(bit),音译为“比特”,表示二进制位。位是计算机内部数据储存的最小单位。

字节(byte) ,计算机中数据处理的基本单位,通常情况下一字节等于8位。

字 (word),计算机进行数据处理时,一次存取、加工和传送的数据长度称为字。一个字通常由一个或多个(一般是字节的整数位)字节构成。

I/O(输入/输出)设备是系统与外部世界的联系通道,通常包括:

用户输入的键盘和鼠标;

用户输出的显示器;

长期存储数据和程序的磁盘驱动器(磁盘);

网络设备等。

每个I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连。控制器和适配器的区别主要在于它们的封装方式。控制器是I/O设备本身或者主板上的芯片组;适配器则是一块插在主板槽上的卡。它们的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。

3、主存

主存是一个临时存储设备,在处理器执行程序时,用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说,主存是由一组动态随机存取存储器(DRAM)芯片组成;从逻辑上来说,存储器是一个线性的字节数组,每个字节都有其唯一的地址(数组索引),这些地址是从零开始的。

一般来说,组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。与C程序变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的,比如在x86-64机器上 ,short类型的数据需要2个字节,int和float类型需要4个字节,而long和double类型需要8个字节。

计算机系统的硬件组织详细概述

4、处理器

处理器CPU是解释或执行存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备(或寄存器),成为程序计数器(PC)。在任何时刻,PC都指向主存中的某条机器语言指令(即含有该条指令的地址)。

从系统通电开始,直到系统断电,处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令,再更新程序计数器,使其指向下一条指令。处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的,这个模型是由指令集架构决定的。在这个模型中,指令按照严格的顺序执行,而执行一条指令包含执行一系列的步骤。处理器从程序计数器指向的内存处读取指令,解释指令中的位,执行该指令指示的简单操作,然后更新PC,使其指向下一条指令,而这条指令并不一定和内存中刚刚执行的指令相邻。

这样的简单操作并不多,它们围绕着主存、寄存器文件和算数/逻辑单元进行。寄存器文件是一个小的存储设备,由一些单个字长的寄存器组成,每个寄存器都有唯一的名字。算数/逻辑单元计算新的数据和地址值。CPU在指令的要求下可能会执行下面这些操作。

加载:从主存复制一个字节或一个字到寄存器,以覆盖寄存器原来的内容。

存储:从寄存器复制一个字节或一个字到到主存的某个位置,以覆盖这个位置上原来的内容。

操作:把两个寄存器的内容复制到ALU,ALU对这两个字做算术运算,并将结果存放到一个寄存器中,以覆盖该寄存器原来的内容。

跳转:从指令本身中抽取一个字,并将这个字复制到程序计数器中,以覆盖PC中原来的值。

处理器看上去是它的指令集架构的简单实现,但实际上现代处理器使用了非常复杂的机制来加速程序的执行。

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