计算机系统的基本结构

一、计算机系统的基本结构

计算机系统由两大部分组成：

1. 主机部分（核心处理单元）

• CPU（中央处理器）

  • 包含：

    • 控制器：用于协调和控制各个部件的工作

    • 运算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）：用于执行算术和逻辑运算

  • 有的现代 CPU 还集成了缓存（L1/L2 Cache）、寄存器等模块

• 内存（主存储器）

  • 存放当前正在执行的程序和数据

2. 外设部分（输入/输出设备）

• 包括：

  • 硬盘、U盘（外存储器）

  • IO 设备：如鼠标、键盘、显示器、打印机等

二、存储系统的分层结构

现代计算机系统中，数据的存储和访问采用分层结构，按速度由快到慢、容量由小到大排列如下：

1. 寄存器（Register）

   • 位于 CPU 内部，访问速度最快，数量极少（几十个）

   • 直接参与指令执行，临时保存计算中间结果

2. 缓存（Cache）

   • 位于 CPU 内部或核心附近，分为 L1、L2、L3 三级

   • 存储近期频繁访问的数据，减少访问内存的次数，提高效率

3. 内存（Memory，RAM）

   • 也称主存，用于存放当前运行的程序和数据

   • 相比缓存速度慢，但容量大得多

4. 外存（External Storage）

   • 如硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、U盘等

   • 用于长期保存数据，速度远低于内存，但容量最大

✳️ 分层设计的意义：

• 平衡“访问速度”与“成本/容量”

• 寄存器和缓存虽然快但贵，适合存储临时数据

• 外存虽然慢但便宜，适合存储长期数据

• 整个系统通过“局部性原理”高效调度各级存储，提升整体性能

三、三类总线结构

计算机系统内部的各个部件通过“总线”进行连接和通信。

• 地址总线（Address Bus）：负责传送内存或IO设备的地址

• 数据总线（Data Bus）：传输数据本身

• 控制总线（Control Bus）：传递控制信号（如读写信号、中断信号等）

🟡 总线通信方式

• 单工（Simplex）：数据只能单向传输

• 半双工（Half Duplex）：数据可双向传输，但同一时间只能一个方向进行

• 全双工（Full Duplex）：可以同时进行双向传输

多数计算机总线是半双工的：即数据和控制信号轮流在总线上传输，以降低复杂度和成本。

四、数据传输控制方式

1. 查询（Polling）方式

• CPU 不断主动检查外设是否完成操作，效率低，占用 CPU 时间。

2. 中断方式（Programmed I/O with Interrupt）

• 当外设准备好后，通过“中断”通知 CPU，提高效率。

3. 直接内存访问（DMA, Direct Memory Access）

• 外设通过 DMA 控制器直接与内存进行数据传输，CPU 只需发起和结束指令，不参与过程。

• 极大提高了传输效率，是高性能设备常用方式。

五、处理器体系结构

1. 冯诺依曼结构（Von Neumann Architecture）

• 指令和数据共享同一个内存空间和总线

• 优点：设计简单，成本低

• 缺点：“冯诺依曼瓶颈”：数据和指令不能同时传输

• 大多数 PC、笔记本、服务器使用此结构

2. 哈佛结构（Harvard Architecture）

• 指令和数据各有独立的内存和总线

• 优点：可同时传输数据与指令，效率高

• 缺点：硬件复杂度高，成本高

• 主要用于嵌入式系统，如 DSP（数字信号处理器）等设备

哈佛结构常见于专用芯片和高实时性场景，例如音频编解码、信号处理等。

六、RISC vs CISC 架构对比

举例：

• ARM 处理器：采用 RISC 架构 → 注重能效与移动场景

• Intel x86 架构：采用 CISC → 强大灵活，但功耗较高