信息系统管理工程师考点：计算机系统组成

虽然自1946年世界上第一台计算机问世以来，计算机的硬件结构和软件系统都发生了很多变化，但是现在使用的各种计算机仍遵循着冯·诺依曼型，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。运算器与控制器一般又称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)是计算机的核心部分。

1.中央处理器（CPU）

⑴控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、脉冲源及启停控制线路、时序信号产生部件、操作控制信号形成部件、中断机构和总线控制逻辑组成。

控制器的主要功能有：

①从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

②对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。

③指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

⑵运算器

运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，是数据加工的处理部件。

运算器的主要功能有：

①执行各种算术运算。

②执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。

2.存储器

存储器是存放二进制形式信息的部件。它的主要功能是存放程序和数据。按存储器在计算机中的功能分类：

⑴高速缓冲存储器(Cache)。由双极型半导体组成，构成计算机系统中的一个高速小容量存储器。用来临时存放指令和数据。

⑵主存储器。由MOS半导体存储器构成。用来存放计算机运行时的大量程序和数据。

⑶辅助存储器。主要由磁表面存储器组成。特点是容量大，可存放大量的程序和数据。

3.I/O接口

⑴I/O接口功能

I/O接口一般应具备以下功能：

①实现数据缓冲和锁存

由于主机和外设速度的差异两者之间不能直接连接。在接口逻辑电路中一般设置一个或几个数据缓冲寄存器，当外设向CPU输入周期选通信号有效时才能将数据通过系统接口送上I/O总线进入主机。当通信信号无效时，数据缓冲寄存器呈高阻三态，与总线脱离，保证了主机和接口之间的互锁，I/O接口起到缓冲与隔离作用。

②实现信息变换

主机存储、处理的信息是以字为单位的二进制数字信息，外设提供的信息往往是模拟量的形式并以串行方式接收。I/O接口在完成信息传送的同时需要根据外设的情况进行数据格式的转换，比如进行并行数据和串行数据的转换，进行位与字节之间的装配与拆分，当输入输出信号是模拟量时，要求I/O接口具有模/数(A/D)、数/模(D/A)转换的能力。

③检测状态实现通信控制

在接口线路中设置外设状态寄存器，主机通过读取其中的内容了解外设和接口电路的工作状态，实现主机与外设之间通信控制。

④地址译码和设备选择

由于数据信息、状态信息、控制信息是不同性质的信息，进入主机时必须分别传送。

⑵I/O接口类型

从接口传送数据的宽度分，可以分为按字或字节各位同时传送的并行接口和按二进制依次传送的串行接口。从输入输出的信号分有数字接口和模拟接口;从数据传送的控制方式分有程序控制I/O接口、中断接口、DMA直接存储器存取接口;从应用角度可分为运行辅助接口、用户交互接口、传感接口和控制接口;从接口的智能化功能分为可编程接口(即智能接口)和不可编程接口;从主机规模来分，有微机接口、小型机接口、大中型机接口和分布式计算机接口。

4.常用I/O接口

输入设备的功能是把数据、命令、字符、图形、图像、声音和电流、电压等信息，变成计算机可以接收和识别的二进制数字代码，供计算机进行运算处理。输出设备的功能是把计算机处理的结果，变成人最终可以识别的数字、文字、图形、图像和声音等信息，打印或显示出来。

常用I/O接口按信息的传输方向来分可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。

5.计算机的系统结构

⑴CISC/RISC

CISC是复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer)的缩写。CISC体系结构的设计策略是使用大量的指令，包括复杂指令。因为每一项简单或复杂的任务都有一条对应的指令，所以在CISC中进行程序设计相对容易。程序设计者不需要写一堆指令去完成一项复杂的任务。

CISC体系结构中，CPU不直接执行机器语言指令，只执行被称为微操作的简单操作。复杂的指令被转化为一系列简单操作然后由CPU执行。这种执行机制需要一个被称为微内存的特殊内存，它负责保存机器集中的每个复杂指令的一系列操作。

RISC是精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer)的缩写。RISC体系结构的设计策略是使用少量的指令完成最少的简单操作。复杂指令用简单指令子集模拟。在RISC中进行程序设计比在其他设计中更难更长，因为大多数复杂指令都用简单指令来模拟。

⑵流水线操作

计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。

一条指令的执行过程可分为多个阶段(或子过程)，具体分法随计算机不同而不同，一条指令的执行过程可分成以下3个阶段：

①取指令。按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。

②指令分析。对指令操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数。

③指令执行。根据操作码的要求，完成指令规定的功能，即把运算结果写到通用寄存器或主存中。

⑶多处理机

多处理机的系统结构由若干台独立的计算机组成，每台计算机能够独立执行自己的程序。在多处理机系统中，处理机与处理机之间通过互连网络进行连接，从而实现程序之间的数据交换和同步。

⑷并行处理

并行处理机也称为阵列式计算机，将大量重复设置的处理单元按一定方式互连成阵列，在单一控制部件(Control Unit,CU)控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作，是操作并行的SIMD计算机。它采用资源重复的措施开发并行性，是以SIMD(单指令流多数据流)方式工作的。