計算機的基本組成是什么樣子的？

• 前言
• 計算機的軟硬體概念
• 馮·諾依曼體系結構
• 總線
• 計算機為什么普遍采用二進制？
• 64位和32位CPU的區別
• 計算機性能
  • 儲存器的性能指標
  • CPU的性能指標
  • 系統整體的性能指標
• 計算機功耗

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云原生等概念火熱，還有各種各樣的新技術在不斷的涌現出來，但是計算機底層原理 這幾十年一直并沒有太大的變化，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范圍分類，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，還包括作業系統的補丁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、游戲軟體、管理軟體等都屬于應用軟體類，

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. 晶體管時代，速度每秒幾萬次~幾十萬次
3. 中小規模集成電路時代，速度每秒幾十萬次~幾百萬次
4. 大規模、超大規模集成電路時代，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，馮諾依曼和其他計算機科學家們 提出了計算機"存盤程式"的計算機設計理念，即將計算機指令進行編碼后存盤在計算機的存盤器中，需要的時候可以順序地執行程式代碼，從而控制計算機運行，還定義計算機基本結構為 5 個部分，分別是運算器、控制器、存盤器、輸入設備、輸出設備，這就是馮.諾依曼計算機，

實線箭頭表示 資料線，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、存盤器、控制器、輸入設備和輸出設備 五大部件組成， 側重于硬體抽象
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存盤器
3. 指令和資料均用 二進制數 表示
4. 指令和資料以同等地位存放于存盤器內，并可 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存盤器中的位置
6. 指令在存盤器內按順序存放，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，我們后文會對其，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. 存盤器

存盤器是用來存放資料和程式，存盤器 包含主存和輔存

• 主存：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：輔存可作為主存的后備存盤器，不直接與CPU交換資訊，容量比主存大，但速度比主存慢，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存，輔存是不直接與CPU交換資訊

2. 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，并將運算的結果送到記憶體儲器，

3. 控制器

控制器用來控制、指揮程式和資料的輸人、運行以及處理運算結果，計算機在作業時，控制器首先從記憶體儲器中按順序取出一條指令，并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，執行之后再取出第二條指令進行分析執行，如此反復，直到所有指令都執行完成，

4. 輸入設備

輸入設備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

5. 輸出設備

輸出設備可將機器運算結果轉換為人們熟悉的資訊形式，如列印機輸出、顯示幕輸出等，

6. 中央處理器(CPU)

由于運算器和控制器在邏輯關系和電路結構上聯系十分精密，特別是大型集成電路時代的到來，所以現如今往往會將運算器和控制器集成到同一個芯片上，統稱 在中央處理器(CPU)，其功能是從記憶體儲器中取出指令、解釋指令并執行指令，

7. 現代CPU內部 還有一個常見的組件，暫存器

暫存器是CPU內部用來存放資料的一些小型的存盤區域，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

總線

總線是貫穿整個系統的是一組電子管道，稱作總線，它攜帶資訊位元組并負責在各個計算機部件間傳遞，通常總線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么是4個位元組（32位），要么是8個位元組（64位），本文我們不對字長做任何固定的假設

另外計算機最小的存盤單位是位元組（byte），1 位元組等于 8 位（1Byte=8bit），而位/位元（bit）是計算機最小的資料傳輸單位，1 位元組等于 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，然后自增排列，最后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，

總線可分為 3 種：

• 地址總線，一般用于指定 CPU 將要操作的記憶體地址；
• 資料總線，一般用于讀寫記憶體的資料；
• 控制總線，一般用于發送和接收信號，比如中斷、設備復位等信號，CPU 收到信號后，通過控制總線進行回應；

計算機為什么普遍采用二進制？

這是一個很常識性但非常重要的問題，馮.諾依曼計算機也叫存盤程式 計算機，其中“存盤程式”的概念是 指將指令以二進制代碼的形式事先輸入計算機的主存盤器，然后按其在存盤器中的首地址執行程式的第一條指令，以后就按該程式的規定順序執行其他指令，直至程式執行結束，

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

采用二進制的原因：

1. 二進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. 計算機依靠電力作業，通過電子原件的電壓高低反應，很容易就表現出二進制的特性，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，這一點與二進制頗為相同，

64位和32位CPU的區別

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

• 32位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(bit)資料，
• 64位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(bit)資料，

CPU的位數越高也將會使它的尋址范圍、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CPU最大支持4G記憶體,這是怎么算出來的？ 2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,注意B和b的區別
"CPU中32位"中的"位"并不是 記憶體中的"位bit"的概念，對應到記憶體中其實是"位元組Byte"
由于32位最大記憶體尋址能力只能達到是4G左右，我們就算給32位的電腦裝8G的記憶體條，也無法提高其計算能力

計算機性能

接下來介紹一下關于計算機性能相關的基本概念：

儲存器的性能指標

儲存器的性能指標主要和以下3個方面有關：

1. 存盤容量：存盤單元個數 * 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

2. 單位成本：每位價格=總成本/總容量，
3. 存盤速度：資料傳輸率=資料的寬度/存盤周期

另外還有3個概念，再了解一下：

• **存取時間 **又稱存盤器訪問時間，是指從啟動一次存盤器操作到完成該操作所經歷的時間，
• **存盤周期 **又稱為讀寫周期或訪問周期，它是指存盤器進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間，即連續兩次獨立地訪問存盤器操作（讀或寫操作）之間所需的最小時間間隔，
• **存盤器帶寬 **是單位時間里存盤器所存取得資訊量，

CPU的性能指標

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 臺式機CPU

其中除了一下CPU的型號，5.0Ghz是表示CPU性能的一個重要的指標

CPU主頻：CPU內核的時鐘頻率，表示在CPU內數字脈沖信號震蕩的頻率，常用單位為Hz，平時我們打游戲常說的超頻，超的就是這個CPU主頻，
CPU時鐘周期：通常為節拍脈沖或T周期，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時鐘周期, 其中CPI表示 執行一條指令所需的時鐘周期數
一段程式的耗時=指令數*CPI * CPU時鐘周期， 如果我們想要提升CPU性能問題，其實就是要優化這三者，

系統整體的性能指標

計算機系統的性能主要受是下面3個指標

1. 資料通路帶寬

資料總線一次所能并行傳送資訊的位數（各硬體部件通過資料總線傳輸資料）

2. 吞吐量
   指系統在單位時間內處理請求的數量， 它取決于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設備，這些步驟中的每一步都關系 到主存，因此，系統吞吐量主要取決于主存的存取周期，

3. 回應時間
   指從用戶向計算機發送一個請求，到系統對該請求做出回應并獲得它所需 要的結果的等待時間， 通常包括CPU時間（運行一個程式所花費的時間）與等待時間（用于磁盤訪問、存盤 器訪問、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)在計算機上運行，然后根據運行需要 的時間，算出一個分數來評估計算機的性能，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時鐘周期，我們知道程式的 CPU 的性能 受到 指令數、CPI 以及 CPU 主頻 的影響， 指令數或者 CPI 工程師，由于影響條件復雜，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里的CPU,都是超大規模集成電路，實際上都是一個個晶體管組合而成的，通過電路的開關的"打開"和"關閉",來實作計算和儲存的能力，要想計算得更快，從硬體角度來說，就是單位體積多放一些晶體管，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，提升的性能效果日益衰弱，后面為了提升性能，不再依賴堆硬體方面，計算機采用了從單核CPU到多核CPU，將CPU執行任務流水線化，高并發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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