计算机系统的组成

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。

  • 硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称。
  • 软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。

计算机系统性能的好坏，很大程度上是由软件的效率和作用来表征的，而软件性能的发挥又离不开硬件的支持。对某一功能来说，其既可以用软件实现，又可以用硬件实现，则称为软硬件在逻辑上是等效的。

在设计计算机系统时，要进行软/硬件的功能分配。通常来说，一个功能若使用较为频繁且用硬件实现的成本较为理想，则使用硬件解决可以提高效率。而用软件实现可以提高灵活性，但效率往往不如硬件实现高。

计算机系统的组成

计算机硬件的基本组成

早期的冯·诺依曼机

冯·诺依曼在研究 EDVAC 机 时提出了“存储程序”的概念，“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机，其特点如下：

  1. 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备 5 大部件组成。
  2. 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访。
  3. 指令和数据均用二进制代码表示。
  4. 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
  5. 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
  6. 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

注意：“存储程序”的概念是指将指令以代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

典型的冯·诺依曼机计算机结构如下图所示

典型的冯诺依曼计算机结构

现代计算机的组织结构

在微处理器问世之前，运算器和控制器分离，而且存储器的容量很小，因此设计成以运算器为中心的结构，其他部件都通过运算器完成信息的传递。

而随着微电子技术的进步，同时计算机需要处理、加工的信息量也与日俱增，大量 I/O 设备的速度和 CPU 的速度差距悬殊，因此以运算器为中心的结构不能够满足计算机发展的要求。现代计算机已发展为以存储器为中心，使 I/O 操作尽可能地绕过 CPU ，直接在 I/O 设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率，其结构如图所示。

以存储器为中心的计算机结构

目前绝大多数现代计算机仍遵循冯·诺依曼的存储程序的设计思想。

计算机的功能部件

传统冯·诺依曼计算机和现代计算机的结构虽然有所不同，但功能部件是一致的，它们的功能部件包括如下几种：

（1）输入设备

输入设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机。最常用也最基本的输入设备是键盘，此外还有鼠标、扫描仪、摄像机等。

（2）输出设备

输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。最常用、最基本的输出设备是显示器、打印机。计算机的输入/输出设备（简称 I/O 设备）是计算机与外界联系的桥梁，是计算机中不可缺少的重要组成部分。

（3）存储器

存储器是计算机的存储部件，用来存放程序和数据。存储器分为主存储器（简称主存，也称内存储器）和辅助存储器（简称辅存，也称外存储器）。

  • CPU 能够直接访问的存储器是主存储器。
  • 辅助存储器用于帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为 CPU 所访问。

主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一位二进制代码“0”或“1”。因此存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，称这串代码的位数为存储字长，存储字长可以是 1 B（8 bit）或是字节的偶数倍。

主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式（相联存储器是按内容访问的）。

主存储器的最基本组成如下图所示

主存储器逻辑图

  • 存储体存放二进制信息；
  • 地址寄存器（Memory Address Register，MAR）存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元；
  • 数据寄存器（Memory Data Register，MDR）用于暂存要从存储器中读或写的信息；
  • 时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。

MAR 用于寻址，其位数对应着存储单元的个数，如 MAR 为 10 位，则有 210 = 1024 个存储单元，记为 1 K。MAR 的长度与程序计数器（Program Counter，PC）的长度相等。

MDR 的位数和存储字长相等，一般为字节的二次幂的整数倍。

注意：MAR 与 MDR 虽然是存储器的一部分，但在现代 CPU 中却是存在于 CPU 中的。另外，高速缓存（Cache）也存在于 CPU 中。

（4）运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。

  • 算术运算是按算术运算规则进行的运算，如加、减、乘、除；
  • 逻辑运算包括与、或、非、异或、比较、移位等运算。

运算器的核心是算术逻辑单元（Arithmetic and Logical Unit，ALU）。

运算器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如累加器（Accumulator，ACC）、乘商寄存器（Multiple—Quotient Register，MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）等，其中前 3 个寄存器是必须有的。

运算器内还有程序状态寄存器（Program Status Word，PSW），也称标志寄存器，用于存放 ALU 运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息，如结果是否溢出、有无产生进位或借位、结果是否为负等。

（5）控制器

控制器是计算机的指挥中心，由其“指挥”各部件自动协调地进行工作。控制器由程序计数器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR）和控制单元（CU）组成。

PC 用来存放当前欲执行指令的地址，可以自动加 1 以形成下一条指令的地址，它与主存的 MAR 之间有一条直接通路。

IR 用来存放当前的指令，其内容来自主存的 MDR。

  • 指令中的操作码 OP(IR) 送至 CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列
  • 指令中的地址码 Ad(IR) 送往 MAR，用以取操作数。

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。CPU 和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置（外存、I/O 设备等）统称为外部设备，简称外设。

下图所示为冯·诺依曼结构的模型机。CPU 包含 ALU、通用寄存器组 GPRs、标志寄存器、控制器、指令寄存器 IR、程序计数器 PC、存储器地址寄存器 MAR 和存储器数据寄存器 MDR。图中从控制器送出的虚线就是控制信号，可以控制如何修改 PC 以得到下一条指令的地址，可以控制 ALU 执行什么运算，可以控制主存是进行读操作还是写操作（读/写控制信号）。

冯诺依曼结构的模型机

CPU 和主存之间通过一组总线相连，总线中有地址、控制和数据 3 组信号线。

  • MAR 中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元；
  • 控制线中有读/写信号线，指出数据是从 CPU 写入主存还是从主存读出到 CPU，根据是读操作还是写操作来控制将 MDR 中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到 MDR 中。

计算机软件的分类

系统软件和应用软件

软件按其功能分类，可分为系统软件和应用软件。

  • 系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件主要有操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序等。
  • 应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序，如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序等。

注意：数据库管理系统（DBMS）和数据库系统（DBS）是有区别的。DBMS 是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件，是系统软件；而 DBS 是指计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统、数据库管理员（DBA）和应用系统构成。

三个级别的语言

  1. 机器语言。又称二进制代码语言，需要编程人员记忆每条指令的二进制编码。机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
  2. 汇编语言。汇编语言用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。使用汇编语言编辑的程序，必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。
  3. 高级语言。高级语言（如C、C++、Java等）是为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。通常高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

计算机的工作过程

计算机的工作过程分为以下三个步骤：

  1. 把程序和数据装入主存储器。
  2. 将源程序转换成可执行文件。
  3. 从可执行文件的首地址开始逐条执行指令。

从源程序到可执行文件

在计算机中编写的 C 语言程序，都必须被转换为一系列的低级机器指令，这些指令按照一种称为可执行目标文件的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。

以 UNIX 系统中的 GCC 编译器程序为例，读取源程序文件 hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件 hello，整个翻译过程可分为 4 个阶段完成，如图所示。

源程序转换为可执行文件的过程

  1. 预处理阶段：预处理器（cpp）对源程序中以字符 # 开头的命令进行处理，例如将 #include 命令后面的 .h 文件内容插入程序文件。输出结果是一个以 i 为扩展名的源文件 hello.i
  2. 编译阶段：编译器（ccl）对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序 hello.s 汇编语言源程序中的每条语句都以一种文本格式描述了一条低级机器语言指令。
  3. 汇编阶段：汇编器（as）将 hello.s 翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个称为可重定位目标文件的 hello.o，它是一种二进制文件，因此在文本编辑器中打开它时会显示乱码。
  4. 链接阶段：链接器（ld）将多个可重定位目标文件和标准库函数合并为一个可执行目标文件，或简称可执行文件。本例中，链接器将 hello.o 和标准库函数 prinft 所在的可重定位目标模块 prinft.o 合并，生成可执行文件 hello。最终生成的可执行文件被保存在磁盘上。

指令执行过程的描述

程序中第一条指令的地址置于 PC 中，根据 PC 取出第一条指令，经过译码、执行步骤等，控制计算机各功能部件协同运行，完成这条指令的功能，并计算下一条指令的地址。用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行，直到程序结束为止。

下面以取数指令（即将指令地址码指示的存储单元中的操作数取出后送至运算器的 ACC 中）为例进行说明，其信息流程如下：

1、取指令: PC → MAR → M → MDR → IR

根据 PC 取指令到 IR（指令寄存器）。将 PC 的内容送 MAR（地址寄存器），MAR 中的内容直接送地址线，同时控制器将读信号送读/写信号线，主存根据地址线上的地址和读信号，从指定存储单元读出指令，送到数据线上，MDR（数据寄存器） 从数据线接收指令信息，并传送到 IR 中。

2、分析指令: OP(IR) → CU

指令译码并送出控制信号。控制器根据IR中指令的操作码，生成相应的控制信号，送到不同的执行部件。在本例中，IR 中是取数指令，因此读控制信号被送到总线的控制线上。

3、执行指令：Ad(IR) → MAR → M → MDR → ACC

取数操作。将 IR 中指令的地址码送 MAR，MAR 中的内容送地址线，同时控制器将读信号送读/写信号线，从主存指定存储单元读出操作数，并通过数据线送至 MDR，再传送到 ACC 中。

此外，每取完一条指令，还须为取下一条指令做准备，形成下一条指令的地址，即 (PC)+1 → PC。

注意: (PC) 指程序计数器 PC 中存放的内容。PC → MAR 应理解为 (PC) → MAR，即程序计数器中的值经过数据通路送到 MAR，也即表示数据通路时括号可省略（因为只是表示数据流经的途径，而不强调数据本身的流动）。但运算时括号不能省略，即 (PC)+1 → PC 不能写为 PC+1 → PC。

计算机系统的多级层次结构

现代计算机是一个硬件与软件组成的综合体。由于面对的应用范围越来越广，因此必须有复杂的系统软件和硬件的支持。由于软/硬件的设计者和使用者都从不同的角度并用不同的语言来对待同一个计算机系统，因此他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提出的要求也就不同。

计算机系统的多级层次结构的作用，就是针对上述情况，根据从各种角度所看到的机器之间的有机联系，来分清彼此之间的界面，明确各自的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。

关于计算机系统层次结构的分层方式，目前尚无统一的标准，这里采用如下图所示的层次结构。

计算机系统的多级层次结构

第 1 级是微程序机器层，这是一个实在的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。

第 2 级是传统机器语言层，它也是一个实际的机器层，由微程序解释机器指令系统。

第 3 级是操作系统层，它由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的，这些广义指令是为了扩展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软件指令，所以这一层也称混合层。

第 4 级是汇编语言层，它为用户提供一种符号化的语言，借此可编写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。

第 5 级是高级语言层，它是面向用户的，是为方便用户编写应用程序而设置的。该层由各种高级语言编译程序支持和执行。

在高级语言层之上，还可以有应用层，它由解决实际问题和应用问题的处理程序组成，如文字处理软件、数据库软件、多媒体处理软件和办公自动化软件等。

通常把没有配备软件的纯硬件系统称为“裸机”。第 3 层至第 5 层称为虚拟机，简单来说就是软件实现的机器。虚拟机只对该层的观察者存在，这里的分层和计算机网络的分层类似，对于某层的观察者来说，只能通过该层次的语言来了解和使用计算机，而不必关心下层是如何工作的。

层次之间的关系紧密，下层是上层的基础，上层是下层的扩展。随着超大规模集成电路技术的不断发展，部分软件功能将由硬件来实现，因而软/硬件交界面的划分也不是绝对的。

这里主要讨论传统机器 M1 和微程序机器 M0 的组成原理及设计思想。

计算机的性能指标

计算机的主要性能指标

（1）机器字长

机器字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，通常与 CPU 的寄存器位数、加法器有关。因此，机器字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。计算机字长通常选定为字节（8 位）的整数倍。

注意：机器字长、指令字长和存储字长的关系

（2）数据通路带宽

数据通路带宽是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与 CPU 内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。

注意：各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路。

（3）主存容量

主存容量是指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，也可用字数 × 字长（如 512 K × 16位）来表示存储容量。其中，MAR 的位数反映存储单元的个数，MAR 的位数反映可寻址范围的最大值（而不一定是实际存储器的存储容量）。

例如，MAR 为 16 位，表示 216 = 65536，即此存储体内有 65536 个存储单元（可称为 64 K 内存，1 K = 1024），若 MDR 为 32 位，表示存储容量为 64 K × 32 位。

（4）运算速度

  • 吞吐量。指系统在单位时间内处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU 能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。几乎每步都关系到主存，因此系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。

  • 响应时间。指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。通常包括 CPU 时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O 操作、操作系统开销等的时间）。

  • CPU 时钟周期。通常为节拍脉冲或 T 周期，即主频的倒数，它是 CPU 中最小的时间单位，每个动作至少需要 1 个时钟周期。CPU时钟周期 = 1/主频，主频通常以 Hz（赫兹）为单位，1 Hz 表示每秒 1 次。

  • 主频（CPU 时钟频率）。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。例如，常用 CPU 的主频有 1.8 GHz、2.4 GHz、 2.8 GHz 等。

  • CPI（Clock cycle Per Instruction），即执行一条 指令所需的时钟周期数。

  • CPU 执行时间，指运行一个程序所花费的时间。

    CPU 执行时间 = CPU 时钟周期数 / 主频 = (指令条数 × CPI) / 主频。

    上式表明，CPU 的性能（CPU 执行时间）取决于三个要素：主频（时钟频率）；每条指令执行所用的时钟周期数（CPI）；指令条数。

    主频、CPI 和指令条数是相互制约的。例如，更改指令集可以减少程序所含指令的条数，但同时可能引起 CPU 结构的调整，从而可能会增加时钟周期的宽度（降低主频）。

  • MIPS（Million Instructions Per Second），即每秒执行多少百万条指令。

    MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 106) = 主频 / CPI

  • MFLOPS（Mega Floating point Operations Per Second），即每秒执行多少百万次浮点运算。

    MFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 × 106)

  • GFLOPS（Giga Floating point Operations Per Second），即每秒执行多少十亿次浮点运算。

    GFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 × 109)

  • TFLOPS（Tera Floating point Operations Per Second），即每秒执行多少万亿次浮点运算。

    TFLOPS = 浮点操作次数 / (执行时间 × 1012)

注意：在描述存储容量、文件大小等时，K、M、G、T 通常用 2 的幂次表示，如 1 Kb = 210 b；在描述速率、频率等时，k、M、G、T 通常用 10 的幂次表示，如 1 kb/s = 10 b/s。通常前者用大写的 K，后者用小写的 k，但其他前缀均为大写，表示的含义取决于所用的场景。

几个专业术语

  • 系列机。具有基本相同的体系结构，使用相同基本指令系统的多个不同型号的计算机组成的一个产品系列。
  • 兼容。指计算机软件或硬件的通用性，即使用或运行在某个型号的计算机系统中的硬件/软件也能应用于另一个型号的计算机系统时，称这两台计算机在硬件或软件上存在兼容性。
  • 软件可移植性。指把使用在某个系列计算机中的软件直接或进行很少的修改就能运行在另一个系列计算机中的可能性。
  • 固件。将程序固定在 ROM 中组成的部件称为固件。固件是一种具有软件特性的硬件，固件的性能指标介于硬件与软件之间，吸收了软/硬件各自的优点，其执行速度快于软件，灵活性优于硬件，是软/硬件结合的产物。例如，目前操作系统已实现了部分固化（把软件永恒地存储于只读存储器中）。

常见问题和易混淆知识点

计算机由哪几部分组成？以哪部分为中心？

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备五大部分构成，现代计算机通常把运算器和控制器集成在一个芯片上，合称为中央处理器。

而在微处理器面世之前，运算器和控制器分离，而且存储器的容量很小，因此设计成以运算器为中心的结构，其他部件都通过运算器完成信息的传递。

随着微电子技术的进步，同时计算机需要处理、加工的信息量也与日俱增，大量 I/O 设备的速度和 CPU 的速度差距悬殊，因此以运算器为中心的结构不能满足计算机发展的要求。现代计算机已经发展为以存储器为中心，使 I/O 操作尽可能地绕过 CPU，直接在 I/O 设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率。

主频高的 CPU 一定比主频低的 CPU 快吗？为什么？

衡量 CPU 运算速度的指标有很多，不能以单独的某个指标来判断 CPU 的好坏。CPU 的主频，即 CPU 内核工作的时钟频率。CPU 的主频表示 CPU 内数字脉冲信号振荡的速度，主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为 CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线的各方面的性能指标（架构、缓存、指令集、CPU 的位数、Cache 大小等）。由于主频并不直接代表运算速度，因此在一定情况下很可能会出现主频较高的 CPU 实际运算速度较低的现象。

不同级别的语言编写的程序有什么区别？哪种语言编写的程序能被硬件直接执行？

机器语言和汇编语言与机器指令对应，而高级语言不与指令直接对应，具有较好的可移植性。其中机器语言可以被硬件直按执行。

什么是透明性？透明是指什么都能看见吗？

在计算机领域中，站在某类用户的角度，若感觉不到某个事物或属性的存在，即“看”不到某个事物或属性，则称为“对该用户而言，某个事物或属性是透明的”。这与日常生活中的“透明”概念（公开、看得见）正好相反。

例如，对于高级语言程序员来说，浮点数格式、乘法指令等这些指令的格式、数据如何在运算器中运算等都是透明的；而对于机器语言或汇编语言程序员来说，指令的格式、机器结构、数据格式等则不是透明的。

在 CPU 中，IR、MAR 和 MDR 对各类程序员都是透明的。

计算机体系结构和计算机组成的区别和联系是什么？

计算机体系结构是指机器语言或汇编语言程序员所看得到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术等，大都属于抽象的属性。

计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含对许多对程序员来说透明的硬件细节。例如，指令系统属于结构的问题，但指令的实现即如何取指令、分析指令、取操作数、如何运算等都属于组成的问题。因此，当两台机器指令系统相同时，只能认为它们具有相同的结构，至于这两台机器如何实现其指令，完全可以不同，即可以认为它们的组成方式是不同的。例
如，一台机器是否具备乘法指令是一个结构的问题，但实现乘法指令采用什么方式则是一个组成的问题。

许多计算机厂商提供一系列体系结构相同的计算机，而它们的组成却有相当大的差别，即使是同一系列的不同型号机器，其性能和价格差异也很大。例如，IBM System/370 结构就包含了多种价位和性能的机型。

基准程序执行得越快说明机器的性能越好吗?

一般情况下， 基准测试程序能够反映机器性能的好坏。但是，由于基准程序中的语句存在频度的差异，因此运行结果并不能完全说明问题。

机器字长、指令字长和存储字长的关系

  • 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
  • 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。
  • 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。

它们都必须是字节的整数倍。

指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的 2 倍，则需要 2 次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的 2 倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。

早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。

请注意 64 位操作系统是指特别为 64 位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用 64 位处理器的优势。但 64 位机器既可以使用 64 位操作系统，又可以使用 32 位操作系统。而 32 位处理器是无法使用 64 位操作系统的。