专升本第二讲（计算机的“五脏六腑”）

本文主要是介绍专升本第二讲（计算机的“五脏六腑”），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、计算机系统组成

二、冯·诺依曼计算机

　　冯·诺依曼（John von Neumann，1903~1957），20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一，被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。

　　冯·诺依曼计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成，

它的的特点是：

1、程序以二进制代码的形式存放在存储器中；

　　　　 2、所有的指令都是由操作码和地址码组成；

3、指令在其存储过程中按照执行的顺序；

4、以运算器和控制器作为计算机结构的中心等。

三、计算机硬件系统

三-1、中央处理器CPU

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

它与内部储存器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。

　 CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。其中控制器和运算器是计算机的核心。

　　1、运算器

　　运算器：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。

　　2、控制器

　　控制器（Control Unit）是计算机的指挥中枢，用于控制计算机各个部件按照指令的功能要求协同工作。其基本功能是从内存取指令、分析指令、向其他部件发出控制信号。

　　3、CPU主要性能指标

　　主频：

　　主频指CPU时钟频率，也可说是CPU工作频率，单位Hz。主频不是唯一决定CPU性能的指标，不能单一说主频越高CPU性能越强。

　　睿频：

　　睿频也称为睿频加速，是一种CPU超频技术。当开启睿频加速后，CPU会根据当前任务量自动调整CPU主频，关闭一些不重要的核心，从而发挥最大的性能。

　　QPI带宽:

　　QPI（quick path interconnect ）总线是用于CPU内核与内核之间、内核与内存之间的总线，是CPU内部总线。QPI带宽越高意味着CPU数据处理能力越强。QPI总线可以实现多核处理器内部直接互联，而无需像以前一样必须经过芯片组。

　　QPI总线的特点是数据传输延迟短、传输速率高。QPI每次传输2B,而且是双向的，即发送的同时也能接收。

　　字长：

　　在计算机中，作为一个整体参与运算、处理和传送一串二进制数称为一个“字”，组成“字”的二进制位数称为字长，字长等于通用寄存器的位数。通常说的CPU位数就是CPU字长，也是CPU中通用寄存器的位数。例如：64位CPU是指CPU的字长64位，也是CPU的通用寄存器为64位。

　　高速缓存储存器容量：

　　高速缓存存储器（Cache）是位于CPU与内存之间的高速存储器，运行频率极高，一般是和CPU同频运作。在同等条件下增大Cache的容量就能减小CPU的等待时间。CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存上寻找，因此提高效率。

　　由于CPU芯片面积和成本因素，Cache都很小。目前CPU中的Cache一般分成三级：L1 Cache （一级缓存）L2 Cache（二级缓存） L3 Cache（三级缓存），缓存级别并不是越多越好，命中率越高才是越好。而实际二级缓存以后，增加缓存的级数带来的命中率提高越来越少。

　　多核和多线程：

　　多核技术的开发是因为单一提高CPU的主频无法带来相应的性能提高反而会使CPU产生更多的热量，在短时间内就会烧毁CPU。所以在一个芯片上集成多个核心，通过提高程序的并发性从而提高性能。多核处理器需要一个控制器来协调多个核心之间的任务分配、数据同步工作。

　　多线程是利用超线程技术，把一个物理内核模拟成两个逻辑单元，像两颗内核一样同时执行两个线程。

　　超线程技术就是在屋里内核里增加一个逻辑处理单元，共享其余部件如：ALU（算数逻辑单元）、FPU（浮点运算单元）、Cache（缓存），超线程技术减少了CPU的闲置时间，提高了CPU的运行效率，但是要发挥这种效能除了操作系统支持之外，还必须要软件支持。

三-2、存储器

　　储存器（Memory）是计算机系统中用于保存信息的记忆设备，存放计算机中所有数据的场所。根据储存器和CPU的关系，可以分为内存储器（主存储器、内存）、外储存器（辅助储存器、外存）。

　　1、内储存器

　　内储存器直接与CPU相连接，储存容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内储存器由许多储存单元组成，每个单元能存放一个二进制数或一条由二进制编码表示的指令。内储存器是由随机储存器和只读储存器构成的．

　　按照读写分类：随机储存器（RAM）Random Access Memory 、只读储存器(ROM) Read Only Memory.

　　RAM random access memory

　　RAM就是我们常说的内存。RAM中的内容可以按期地址随时进行存取，RAM主要特点是数据存取速度快，掉电数据丢失。

　　按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器（英文：Static RAM，SRAM)和动态随机存储器（英文Dynamic RAM，DRAM)。

　　ROM Read Only Memory

　 ROM 主要用于存放计算机启动程序。与RAM相比，ROM的数据只能被读取而不能写入，如果要更改，就需要紫外线来擦除。另外RAM中的数据掉电丢失，而ROM就不会。

　　在计算机开机的时候，CPU加电并开始准备执行程序。此时，由于电源关闭时。RAM中没有程序和数据，所以ROM就可以发挥作用了。

　　BIOS( Basic Input Output System,基本输入输出系统)实际上就是被固化到主板的ROM芯片上的程序。它是一组与主板匹配的基本输入输出系统程序，能够识别各种硬件，还可以引导系统，这些程序指示计算机如何访问硬盘、加载操作系统并显示启动信息。

　　Cache

　　Cache是一种高速小容量的临时存储器，集成在CPU内部，存储CPU即将访问的指令或数据。在计算机中，CPU的速度很快而内存的速度相对很慢，为了解决一个矛盾，在CPU和内存之间放置Cache，来减少速度不对称之间的等待。Cache是CPU中的SRAM储存芯片

　　2、外储存器

　　外储存器是指计算机内存以及CPU缓存以外的储存器，此类储存器暂时或者长期保存数据、程序、并随时提供计算机处理加工，一般断电后数据仍然保存。注意：CPU不能直接与外存打交道。常见的外储存器有：U盘、硬盘、光盘、固态硬盘（SSD)。

四、输出输出设备

　　输入输出设备又称之为I/O设备，都属于计算机外部设备

　　1、输入设备：将用户输入的程序、数据、操作指令等信息变成计算机能执行的二进制信息，并输入到内存中，以便计算机进行处理。常用设备有：键盘、鼠标、扫描仪、语音输入设备、点触式设备、条形码识别器、读卡器。

　　2、输出设备：将计算机的处理结果转化为人或其他设备能识别和接受的形式，并将其表现出来。常用的设备有显示器、打印机、投影仪、绘图仪。

五、总线（Bus）

　　总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

数据总线（Data Bus）：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。 数据总线决定CPU的字长。
地址总线（Address Bus）：用来指定在RAM（Random Access Memory）之中储存的数据的地址。计算机的位数反映了计算机的 直接寻址能力，即计算机系统支持的最大内存容量。
控制总线（Control Bus）：将微处理器控制单元（Control Unit）的信号，传送到周边设备，一般常见的为 USB Bus和1394 Bus。