Linux —— 计算机体系结构

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分类专栏：操作系统文章标签： linux

于 2022-05-15 20:29:59 首次发布

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本文详细介绍了冯诺依曼结构，包括计算机的五大组件：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。阐述了存储器在计算机系统中的核心地位以及内存与外设的交互。此外，还深入讨论了控制器的功能，运算器的算术逻辑运算，以及存储器的层次结构。接着，解释了操作系统的作用，如进程管理、内存管理和文件系统，并概述了操作系统的主要功能。

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一，冯诺依曼结构

著名应用数学家冯·诺依曼（Von Neumann，1903/12/28-1957/2/8），提出了一个全新的存储程序的通用电子计算机方案；
此方案规定了计算机由五个组成部分，分别为运算器、控制器、存储器、输入和输出设备；
相较于ENIAC，其采用二进制方式而不是十进制，提出了“存储程序”的设计思想，使程序执行可自动一条指令一条指令的进行；程序预先存入存储器，计算机自动地从存储器中取出执行并加以执行；

存储器，即内存，以存储器为中心；
不考虑缓存情况下，CPU能且只能读写内存，不能访问外设；
外设的输入或输出，也只能读写内存；

二，计算机五大组件

计算机硬件的五大组件（运算器、控制器、存储器、输入和输出设备），每个组件都有相对独立的功能，分别完成各自不同的工作，且在控制器的控制下协调统一的工作；

首先，把程序和原始数据，在控制器输入命令控制下，通过输入设备送人存储器存储；
其次，当计算开始时，在取指令的作用下把程序指令逐条送入控制器；控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求向存储器和运算器发出存储、取数命令和运算命令，经过运算器计算把结果存放在存储器内；
最后，在控制器的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果；

控制器CU

控制器（Controller Unit），是计算机指挥系统，一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路、和控制电路组成；
其基本功能是从内存取指令和执行指令；指令是计算机如何工作的一步操作，由操作码（操作方法）和操作数（操作对象）两部分组成；
控制器通过地址访问存储器、逐条取出选中单元指令，分析指令，并根据指令产生的控制信号作用于其它个部件来完成指令要求的工作；上述工作周而复始，从而保证计算机自动连续的工作；
通常将控制器和运算器统称为CPU，是整个计算机的核心部件；

运算器 ALU

也称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），功能是完成算术运算和逻辑运算；在计算机中任何复杂运算都可转化为基本的算术和逻辑运算；
算术运算指“加减乘除"，及其复合运算；
逻辑运算指“与或非”等逻辑比较和逻辑判断；

存储器 Memory

是计算机的记忆装置，主要功能是存放程序和数据；程序是计算机操作的依据，数据是计算机操的对象；
程序和数据在计算机中是以二进制形式存放于存储器中的，以字节为单位；
- 位bit，计算机最小单位；
- 字节byte，是数据处理的基本单位，一个字节存储空间简称一个存储单元，1字节为8位；
- 字word，计算机处理数据时，一次存取、加工、和传递的数据长度位字；
- 字长 world long，CPU可同时处理的数据长度，字长决定了CPU寄存器和总线的数据宽度；现代计算机的字长有8位、16位、32位、64位；
存储器根据与CPU密切程度可分为内存储器和外存储器；
- 内存可直接与运算器、控制器交互信息，容量小、存取速度较快；一般存放些正在运行的程序和待处理的数据；
- 外存作为内存的延申，间接和CPU联系，用于存放一些必须使用但不急于使用的程序和数据，程序必须调入内存才可执行；外存存取速度慢，但容量大；
存储原理；
- 为更好的存放程序和数据，存储器通常被分为许多等长的存储单元，每个单元可存放适当单位的信息；全部存储单元按一定顺序编号，及存储单元的地址；存储单元和存储地址是一一对应的关系；
- 对存储器的操作及访问，有两种方法，一种是选定地址后向存储单元存入数据，称为”写“，一种是从选中存储单元中取数据，称为”读“；可见，无论是读还是写，都需存储单元的地址；来自地址总线的存储器地址，由地址译码器译码后，找到相应的存储单元，由读、写命令来确定对存储器的访问方式，完成读写操作；数据总线则用于传送写入内存或从内存取出的信息；