近年來，隨著 PC（ Personal Computer， 個人電腦） 在家庭中的廣泛普及， 計算機(jī)對我們的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。如今， 不僅是 PC，與我們生活息息相關(guān)的手機(jī)、平板等也廣泛應(yīng)用了計算機(jī)。通過此文來介紹一下計算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成要素及其功能。

01

什么是計算機(jī)？

計算機(jī)是根據(jù)程序進(jìn)行運算和數(shù)據(jù)處理的計算機(jī)器。通常，計算機(jī)由以下幾部分組成：負(fù)責(zé)計算和處理數(shù)據(jù)的 CPU、 負(fù)責(zé)存儲程序和數(shù)據(jù)的存儲器，以及和外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的 I/O（ Input/Output，輸入輸出裝置）。各部分通過總線連接就構(gòu)成了一臺計算機(jī)。

計算機(jī)的構(gòu)成要素如圖所示。以 PC 機(jī)的組成為例，一般使用 Intel 或 AMD 公司 的 CPU，DDR3 SDRAM 之類的內(nèi)存，另 外還有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等 I/O。這些CPU、內(nèi)存、I/O、總線并不局限于 PC，多數(shù)計算機(jī)都是由這四大要素組成。

02

什么是CPU？

中央處理器，簡稱 CPU（Central Processing Unit），中央處理器主要包括兩個部分，即控制器、運算器，其中還包括高速緩沖存儲器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。電子計算機(jī)三大核心部件就是CPU、內(nèi)部存儲器、輸入/輸出設(shè)備。中央處理器的功能主要為處理指令、執(zhí)行操作、控制時間、處理數(shù)據(jù)。

根據(jù)執(zhí)行的指令的特征，CPU 分為 RISC（ Reduced Instruction Set Computer， 精簡指令集計算機(jī)）和 CISC（ Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計算機(jī)）兩種。

基于RISC指令集的CPU 的指令功能單純，種類較少。相對應(yīng)地，CISC 類 CPU 的指令功能復(fù)雜，種類繁多。RISC 指令精簡的好處是 CPU 內(nèi)部構(gòu)造可以簡化，適合高速操作。但是在進(jìn)行相同操作時，由于每一條指令都功能單純，所以與 CISC 相比，它需要使用更多的指令數(shù)量。雖然 CISC 的內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜不適合高速操作，但進(jìn)行相同處理時指令數(shù)比RISC 要少。

RISC 和 CISC 兩種架構(gòu)各有所長，孰優(yōu)孰劣不能一概而論。在追求高速運作的CPU 的領(lǐng)域中，RISC 被認(rèn)為更具優(yōu)勢。這些年，雖然 Intel 和 AMD 兩家公司的 CPU指令集依然是 CISC 的，但內(nèi)部卻將復(fù)雜指令分解為簡單指令，使得內(nèi)部可以像 RISC一樣工作。

03

什么是內(nèi)存？

內(nèi)存是用來存放運行時指令（ 程序） 和數(shù)據(jù)的存儲器。為了和計算機(jī)中長期保存數(shù)據(jù)和程序的存儲器區(qū)別， 內(nèi)存有時也稱為主存（ Main memory）。

最近的計算機(jī)通常采用 DRAM（ Dynamic Random Access Memory， 動態(tài)隨機(jī)存儲器） 技術(shù)的內(nèi)存。DRAM 是通過在電容器中積蓄電荷來保存數(shù)據(jù)的存儲元件。電容器中充電狀態(tài)是 1， 放電狀態(tài)是 0， 以此來表示數(shù)值。由于電容器中的電荷一段時間后會衰減， 所以 DRAM 需要定期進(jìn)行重新寫入數(shù)據(jù)的刷新（ Refresh） 操作。根據(jù)訪問方式和規(guī)格的不同，DRAM 分為 SDRAM（ Synchronous DRAM， 同步 DRAM） 和 DDRSDRAM（ Double Data Rate SDRAM， 雙倍數(shù)據(jù)率 SDRAM） 等種類。

內(nèi)存等存儲器的特點是速度越快成本越高。因此通常使用“高速小容量”、“中速中等容量” 到“低速大容量” 等多種存儲器組合的混合型架構(gòu)。這種構(gòu)造稱為存儲器層級。

在存儲層面， 速度最快的是 CPU 中的寄存器。CPU 比內(nèi)存速度快很多， 由 CPU 直接訪問內(nèi)存效率較低。為了提高內(nèi)存訪問速度， 在 CPU 和內(nèi)存間增加了被稱為緩存的高速小容量存儲器。緩存可以暫時性地緩沖存儲從內(nèi)存中讀取的數(shù)據(jù)。CPU 在訪問內(nèi)存時， 如果需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)保存在緩存中， 則可直接從緩存中讀取， 以提高訪問效率。根據(jù)容量和速度的不同， 緩存也分為多個層級， 通常為一級緩存、 二級緩存等多個級別。

04

什么是 I/O？

I/O（ Input/Output） 是進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出的裝置。計算機(jī)通過 I/O 和外部實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。計算機(jī)的處理操作按照從外部讀取數(shù)據(jù)、 在內(nèi)部處理數(shù)據(jù)、 再向外部輸出結(jié)果的順序進(jìn)行。以個人電腦為例， 如圖所示， 它從鼠標(biāo)或鍵盤輸入數(shù)據(jù)， 處理器根據(jù)程序處理數(shù)據(jù)， 通過顯示器等向外部輸出結(jié)果。

05

什么是總線？

總線是 CPU、 內(nèi)存和 I/O 之間交換數(shù)據(jù)的共同通道。總線將一根信號線在多個模塊間共享進(jìn)行通信。

兩個模塊通過總線交換數(shù)據(jù)時， 發(fā)起訪問的一側(cè)稱為總線主控， 接受訪問的一側(cè)稱為總線從屬。下圖示例中， CPU 為總線主控， 內(nèi)存、 I/O 等為總線從屬。

總線一般由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線構(gòu)成。數(shù)據(jù)總線用來傳輸交換的數(shù)據(jù)，地址總線用來指定訪問的地址，控制總線負(fù)責(zé)總線訪問的控制。各個信號的時序、 進(jìn)行交換的規(guī)則等稱為總線協(xié)議。通過總線交換數(shù)據(jù)的整個過程稱為總線傳輸。總線傳輸?shù)氖纠娤聢D。

本文介紹了計算機(jī)的基本概念。多數(shù)計算機(jī)是由 CPU、 內(nèi)存、 I/O 以及連接它們的總線構(gòu)成。計算機(jī)是通過 CPU 將存儲在內(nèi)存的指令讀出并執(zhí)行、 通過 I/O 進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出來實現(xiàn)處理的。