计算机系统的硬件组成

  在《深入理解计算机系统》中,第一章主要讲的就是hello程序代码如何在计算机中执行,肯定离不开计算机的硬件支持,这里写下计算机系统中的硬件组成,主要就是下面四个大的方面。

1、总线
贯穿整个系统的是一组电子管道,称作总线,它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块,也就是字(word)。字中的字节数(即字长)是一个基本的系统参数,各个系统都不尽相同。现在的大多数机器字长要么是是4个字节(32位),要么是8个字节(64位)。
2、I/O设备
I/O(输入/输出)设备是系统与外部世界的联系通道。我们的示例系统中包括四个I/O设备:作为用户输入的键盘和鼠标,作为用户输出的显示器,以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器(简单来说就是磁盘)。最开始,可执行的程序hello就存放在磁盘上。
每个I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于它们的封装方式。控制器是I/O设备本身或者系统的主印制电路板(通常称作主板)上的芯片组。而适配器则是一块插在主板插槽上的卡槽。无论如何,它们的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。
3、主存
主存是一个临时存储设备,在处理器临时执行程序时,用来存放程序和程序处理的数据。从物理来说,主存是由一组动态的随机存取存储器(DRAM)西片组成的。从逻辑上来说,存储器是一个线性的字节数组,每个字节都有其唯一的地址(数组索引),这些地址是从零开始的。一般来说,组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。
4、处理器
中央处理单元(CPU),简称处理器。是解释(或执行)存储在主存中的指令的引擎。处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备(或寄存器),称为程序计数器(PC)。在任何时刻,PC都是指向主存中的某条机器语言指令(即含有该条指令的地址)。
从系统通电开始,直到系统断电,处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令,再更新程序计数器,使其指向下一条指令。处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的,这个模型是由指令集架构决定的。在这个模型中,指令按照严格的顺序执行,而执行一条指令包括执行一系列的步骤。处理器从程序计数器指向的内存处读取指令,解释指令中的位,执行该指令的简单操作,然后更新PC,使其指向下一条指令,而这条指令并不一定是和内存中刚刚执行的指令相邻。
这样的简单操作并不多,他们围绕着主存、寄存器文件和算术/逻辑单元(ALU)进行。寄存器文件是一个小的存储设备,由一些单个字节的寄存器组成,每个寄存器都有唯一的名字。ALU计算新的数据和地址值。下面是一些简单操作的例子。CPU在指令的要求下可能会执行这些操作。
(1)加载:从主存复制一个字节或者一个字到寄存器,以覆盖寄存器原来的内容。
(2)存储:从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置,以覆盖这个位置上原来的内容。
(3)操作:把两个寄存器的内容复制到ALU,ALU对这两个字做算术运算,并将结果存放到一个寄存器中,以覆盖该寄存器中原来的内容。
(4)跳转:从指令本身中抽取一个字,并将这个字复制到程序计数器(PC)中,以覆盖PC中原来的值。

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