计算机系统的组成

近年来，随着 PC（ Personal Computer， 个人电脑） 在家庭中的广泛普及， 计算机对我们的生活产生了深远的影响。 如今， 不仅是 PC，与我们生活息息相关的手机、平板等也广泛应用了计算机。通过此文来介绍一下计算机系统的构成要素及其功能。

什么是计算机？

计算机是根据程序进行运算和数据处理的计算机器。 通常，计算机由以下几部分组成： 负责计算和处理数据的 CPU、 负责存储程序和数据的存储器，以及和外部进行数据交换的 I/O（ Input/Output，输入输出装置）。各部分通过总线连接就构成了一台计算机。

计算机的构成要素如图所示。以 PC 机的组成为例，一般使用 Intel 或 AMD 公司 的 CPU，DDR3 SDRAM 之类的内存，另 外还有键盘、鼠标、显示器等 I/O。 这些CPU、内存、I/O、总线并不局限于 PC，多数计算机都是由这四大要素组成。^[1]

什么是CPU？

中央处理器，简称 CPU（Central Processing Unit），中央处理器主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。中央处理器的功能主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。

根据执行的指令的特征，CPU 分为 RISC（ Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机）和 CISC（ Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）两种。

基于RISC指令集的CPU 的指令功能单纯，种类较少。相对应地，CISC 类 CPU 的指令功能复杂，种类繁多。RISC 指令精简的好处是 CPU 内部构造可以简化，适合高速操作。但是在进行相同操作时，由于每一条指令都功能单纯，所以与 CISC 相比，它需要使用更多的指令数量。 虽然 CISC 的内部构造复杂不适合高速操作，但进行相同处理时指令数比RISC 要少。

RISC 和 CISC 两种架构各有所长，孰优孰劣不能一概而论。在追求高速运作的CPU 的领域中，RISC 被认为更具优势。这些年，虽然 Intel 和 AMD 两家公司的 CPU指令集依然是 CISC 的，但内部却将复杂指令分解为简单指令，使得内部可以像 RISC一样工作。

什么是内存？

内存是用来存放运行时指令（ 程序） 和数据的存储器。 为了和计算机中长期保存数据和程序的存储器区别， 内存有时也称为主存（ Main memory）。

最近的计算机通常采用 DRAM（ Dynamic Random Access Memory， 动态随机存储器） 技术的内存。 DRAM 是通过在电容器中积蓄电荷来保存数据的存储元件。 电容器中充电状态是 1， 放电状态是 0， 以此来表示数值。 由于电容器中的电荷一段时间后会衰减， 所以 DRAM 需要定期进行重新写入数据的刷新（ Refresh） 操作。 根据访问方式和规格的不同，DRAM 分为 SDRAM（ Synchronous DRAM， 同步 DRAM） 和 DDRSDRAM（ Double Data Rate SDRAM， 双倍数据率 SDRAM） 等种类。

内存等存储器的特点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” 等多种存储器组合的混合型架构。 这种构造称为存储器层级。

在存储层面， 速度最快的是 CPU 中的寄存器。 CPU 比内存速度快很多， 由 CPU 直接访问内存效率较低。 为了提高内存访问速度， 在 CPU 和内存间增加了被称为缓存的高速小容量存储器。缓存可以暂时性地缓冲存储从内存中读取的数据。 CPU 在访问内存时， 如果需要的数据已经保存在缓存中， 则可直接从缓存中读取， 以提高访问效率。 根据容量和速度的不同， 缓存也分为多个层级， 通常为一级缓存、 二级缓存等多个级别。

什么是 I/O？

I/O（ Input/Output） 是进行数据输入输出的装置。 计算机通过 I/O 和外部实现数据交换。 计算机的处理操作按照从外部读取数据、 在内部处理数据、 再向外部输出结果的顺序进行。 以个人电脑为例， 如图所示， 它从鼠标或键盘输入数据， 处理器根据程序处理数据， 通过显示器等向外部输出结果。

什么是总线？

总线是 CPU、 内存和 I/O 之间交换数据的共同通道。 总线将一根信号线在多个模块间共享进行通信。

两个模块通过总线交换数据时， 发起访问的一侧称为总线主控， 接受访问的一侧称为总线从属。 下图示例中， CPU 为总线主控， 内存、 I/O 等为总线从属。

总线一般由数据总线、地址总线和控制总线构成。数据总线用来传输交换的数据，地址总线用来指定访问的地址，控制总线负责总线访问的控制。各个信号的时序、 进行交换的规则等称为总线协议。通过总线交换数据的整个过程称为总线传输。总线传输的示例见下图。

本文介绍了计算机的基本概念。多数计算机是由 CPU、 内存、 I/O 以及连接它们的总线构成。 计算机是通过 CPU 将存储在内存的指令读出并执行、 通过 I/O 进行数据的输入输出来实现处理的。