计算机组成原理 01 1.2.1 软件和硬件 冯诺依曼结构和现代计算机结构 主机 指令

微型计算机

从1972年开始，集成电路得到了超大规模的发展，集成电路就是通过纳米级别的技术，将非常多的器件集成到一块小的电路板上，其中集成度非常高的就是CPU，CPU(中央处理器)通过集成技术将晶体管，运算器，控制器等一系列元件集成在电路板上，通常我们说的芯片和处理器一般都是指CPU这块集成电路板。也正式因为集成电路的存在，才有了CPU，现如今个人家庭使用的笔记本，台式机使用的处理器一般我们都称作是微处理器，这里微说明处理器的集成度非常高，并且芯片体积较小。而国家级别的科学计算机一般使用的处理器比较大，计算速度。但是需要注意的是，处理器并不等同于CPU，CPU(中央处理器)是处理器里的一部分，处理器内还包含gpu(图形处理器)等等辅助部件。一般来说，使用微型处理器的计算机称作微型计算机，简称微机。

集成电路的好处

集成电路使得部件之间距离非常近，这就导致了传输速度得到了质的提升，目前计算机中集成度最好的是CPU，主存之类的集成度还不是很好，现代工艺还很难将主存集成到CPU，即芯片上，如果可以这将是质的提升。

微型计算机典型题

因为集成电路的发展，才有了微处理器，才有了微型计算机这一说法，所以核心就是微处理器，答案选B。

计算机系统的组成

一个完整的计算机系统由硬件和软件构构成。

硬件：硬件是真实的物理设备，是计算机中物理设备的统称。

软件：软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。

系统软件和应用软件

软件可以分为系统软件和应用软件。

系统软件：系统软件是为了计算机更好的运行，其一般使用的都是系统的资源，为系统的运行而生，一般来说一台计算机想要正常运行，系统软件是不可缺少的，因此可以根据软件对于计算机的必要性来判断是系统软件还是应用软件。

常见的系统软件有操作系统，DBMS(数据库管理系统)，语言处理程序，分布式软件系统，网络软件系统，标准库程序，服务性程序，编译程序，解释程序，汇编程序，连接程序。

连接程序：连接程序是将不同的文件的代码收集到一个可执行文件中。连接程序是这类功能软件的一个总称，翻译阶段的链接程序也是其中的一种。

为什么编译程序，解释程序，汇编程序，连接程序是系统软件？

一台计算机的正常运行，是需要指令进行控制的，而高级语言和汇编语言是机器语言之上的产物，所以一台计算机如果想要正常的运行底层的硬件，就一定要能够处理高级语言，所以这些翻译的软件也是计算机必不可少的，所以属于系统软件。

应用软件：一般是为了人类解决问题而设计的，例如QQ，微信，数据统计程序，数据库系统DBS，文本处理程序。

文本处理程序为什么是应用软件？

文本处理程序简单理解就是对文字的替换，更改，删除，即使计算机没有这类程序其也是能够正常运行的。

软件和硬件的关系

软件和硬件的功能在逻辑上是等价的，对某一功能来说，既可以通过软件实现，又可以通过硬件实现，但是需要注意的是，虽然说可以通过软件实现，但是这个软件是在硬件的基础之上进行实现的，其不能脱离硬件。

例如当前要实现乘法运算:

硬件实现：只需实现乘法器。

软件实现：假设当前底层只有加法器，这时候软件层面就需要设计一个程序，程序的代码根据底层的加法器来不断的进行加法运算，从而完成乘法。

可以看出硬件实现的性能要优于软件实现的性能。

冯诺依曼结构

在冯诺依曼结构出现之前，计算机是通过拔插电缆的方式来进行工作的，即人操作一步，计算机对应进行一步操作，计算机的运行过程中必须不断有人在旁边。冯诺依曼结构的出现，弥补了这一缺点，冯诺依曼结构的中心思想为"存储程序“。

冯诺依曼机存在以下特点：
1.采用存储程序的工作方式

存储程序：将指令和数据预先存储在存储器中，一旦程序被启动执行，就无须工作人员的干预，计算机会自带逐条执行指令，直至程序结束。
2.计算机硬件系统由存储器，运算器，控制器，输入设备，输出设备5大部件组成
3.指令和数据以同等地位在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分指令和数据。
4.指令和数据均用二进制代码表示。

如何深入理解指令和数据以同等地位存放在存储器中，形式上没有区别？

在冯诺依曼机中，指令和数据可以存放在任意的存储单元之中，例如20号存储单元，其既可以用来存储数据，也可以用来存储指令。也就是说在冯诺依曼机中，没有规定哪部分存储单元只能存储指令，哪部分存储单元只能存储数据，再深入理解来说，计算机无法根据存储单元本身来判断这个存储单元存储的是数据还是指令，需要利用其他手段来分别，例如指令周期。

存储程序思想的深入理解 控制流驱动方式和数据流驱动方式的出现

存储程序的思想本质上是将数据和指令以同等地位预先存储在存储器中，两者以同等地位存储，但是在实际运行过程中，指令的地位可以看作是高于数据的， 因为冯诺依曼机是根据取指令，分析指令，执行指令，取指令…从而完成一个程序的执行，而数据其实是指令执行过程中的一个伴随品，简单来说就是指令对数据有一个驱动作用，因为指令被取出来进行分析，后面才有了数据被取出使用。

数据驱动方式分为两种：

控制流驱动方式：冯诺依曼机的工作方式就是控制流驱动方式，即指令控制数据，指令告诉我们需要哪些数据。

数据流驱动方式：和控制流驱动方式相反，数据流驱动方式是数据控制指令。即先取出要使用的数据，然后再选择用什么指令来操作这些数据。

控制流驱动方式可以理解为：先选择工具，根据工具选择原材料
数据流驱动方式则为：先选择原材料，根据原材料选择工具

什么是指令？

指令的组成：指令由操作码和地址码组成，操作码指明操作的类型，例如：加法运算，逻辑与运算等等，地址码是数据的存储地址，例如主存储器的地址，寄存器的编号，地址码也可能是数据本身，在后面会详细了解指令。
早期的冯诺依曼机结构大致如下：

计算机是如何区别指令和数据的？

早期的冯诺依曼机大致可以划分为5个组成部分：
输入设备：将输入信息转换成机器能够识别的形式
输出设备：将输入输出信息转换成人们收悉的形式
运算器：进行算术运算或逻辑运算
控制器：控制运算器，存储器，输入输出等部件之间进行协同工作
存储器：存储指令和数据

早期冯诺依曼机的特点

冯诺依曼机以运算器为中心，从图中可以看出：
1.输入设备的数据需要先经过运算器中转，最后输入到存储器中。
2.存储器的数据同样需要通过运算器进行中转，最后输入到输出设备中。

早期冯诺依曼结构的缺点

我们可以将冯诺依曼结构看作是一个工厂：
在实际生活中，工厂的原材料一般都是先放到仓库进行存储不会立即送到加工部门进行加工的，但是在早期冯诺依曼机中，原材料需要通过加工部门进行中转，这样就会导致传输效率降低。
并且仓库中的原材料或者成品如果想要交给销售部门，也需要通过加工部分进行中转。

现代计算机结构

现代计算机结构的核心思想依旧是以冯诺依曼结构为主体，但是进行了部分的改进，其保留了”存储程序“的思想和五大重要组成部件，现代计算机的结构以存储器作为核心。

如图：

注：控制器和运算器的协同工作的场景非常多，所以在后来控制器和运算器被集成在一个部件中。由运算器和控制器组成的部件又称作CPU。

对于现代计算机结构我们可以使用一张图来进行简略的表示：

其中需要注意几个点：

主机和外部设备(外设)

1.运算器，控制器，主存储器组成的部件叫做主机，这个主机不是生活中电脑的机箱，除主机外的其他硬件装置(外存，I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。
2.输入设备和输出设备统称IO(input和output的简写)设备
3.存储器分为主存储器和辅存储器，主存指得是运行内存，辅存又叫做外存，一般指硬盘，U盘，光盘这类存储部件。

数据，地址，控制信号的传输

CPU和主存之间的联系(总线)

CPU和主存之间通过总线进行相连，总线用于连接部件，总线分为三种：
1.地址总线：传输地址
2.控制总线：传输数据
3.数据总线：传输控制信号

CPU内的数据传输

CPU内的数据传输似乎都是使用内部总线。