8、计算机功能与互连的高层视图

计算机功能与互连的高层视图

1. 计算机组件

从高层来看，计算机由 CPU（中央处理器）、内存和 I/O 组件组成，每种类型都可能有一个或多个模块。这些组件以某种方式相互连接，以实现计算机执行程序的基本功能。我们可以通过描述以下两点来表征计算机系统：
- 每个组件的外部行为，即它与其他组件交换的数据和控制信号。
- 互连结构以及管理该互连结构使用所需的控制。

这种对结构和功能的高层视图很重要，因为它有助于理解计算机的本质，还能帮助我们应对日益复杂的性能评估问题。掌握高层结构和功能可以让我们洞察系统瓶颈、备用路径、组件故障时系统故障的严重程度，以及添加性能增强功能的难易程度。在很多情况下，提高系统能力和实现故障安全功能的需求是通过改变设计来满足的，而不仅仅是提高单个组件的速度和可靠性。

几乎所有现代计算机设计都基于普林斯顿高等研究院的约翰·冯·诺伊曼提出的概念，这种设计被称为冯·诺伊曼架构，它基于三个关键概念：
- 数据和指令存储在同一个读写存储器中。
- 该存储器的内容可按位置寻址，而不考虑其中存储的数据类型。
- 执行按顺序进行（除非明确修改），从一条指令到下一条指令。

早期，为了执行特定计算，需要构建专门配置的逻辑组件，这相当于一种硬件编程，得到的“程序”是硬件形式，称为硬连线程序。现在，我们构建通用的算术和逻辑功能配置，通过控制信号来执行不同的功能。为每个可能的控制信号集提供唯一代码，并在通用硬件中添加一个能接受代码并生成控制信号的部分。这样，编程变得更加容易，只需提供新的代码序列，这些代码序列或指令被称为软件。

系统主要有两个组件：指令解释器和通用算术逻辑功能模块，它们构成了 CPU