1.2 计算机系统层次结构

1.2 计算机系统层次结构

　　计算机系统是一个由硬件与软件组成的综合复杂体，为了方便读者学习和对计算机的了解，可以把计算机系统看成是一个多层次结构的系统，从系统结构角度，可将计算机系统划分为如图1-1所示的层次结构。

　　第0级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。
　　第1级是微程序级。这一级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序一般是由硬件直接执行的。
　　第2级是传统机器级。这一级的机器语言是机器的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
　　第3级是操作系统级。从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。
　　第4级是汇编语言级。这一级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。
　　第5级是高级语言级。这一级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。
　　第6级是应用语言级。这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级的语言就是各种面向问题的应用语言。
　　把计算机系统划分成多级层次结构，有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件、硬件在计算机系统中的地位和作用。

1.2.1 计算机硬件的基本组成

　　计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入/输出设备5个部件组成，具体的组织结构如图1-2所示。

　　其中，中央处理器（Central Processing Unit，CPU）由运算器和控制器组成。在由超大规模集成电路构成的微型计算机中，往往将CPU制成一块芯片，称为微处理器。
　　中央处理器和主存储器（内存储器、主存）一起组成主机部分。除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）称为外围设备或外部设备。
　　1．中央处理器
　　中央处理器简称处理器，其先后经历了4位、8位、16位、32位、64位等的发展过程，处理器主要由运算器、控制器组成，另外还需要一些寄存器，其组成结构如图1-3所示。

　　（1）运算器。运算器是处理器的执行单元，是对信息进行处理和运算的部件。它需要经常进行算术运算和逻辑运算，所以运算器又称为算术逻辑运算部件（Arithmetic and Logical Unit，ALU）。加法是运算器的基本运算，在大多数中央处理器中，其他运算最终都可转化为加法运算。运算器的位数指的是运算器一次能对多少位数据做加法，是衡量中央处理器的一个重要指标。
　　（2）控制器。控制器是中央处理器的核心，是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。控制器从主存中逐条地取出指令进行分析，根据指令的不同来安排操作顺序，向各部件发出相应的操作信号，控制它们执行指令所规定的任务。控制器通常由指令寄存器（Instruction Register，IR）、指令译码器、程序计数器（Program Counter，PC）、时序电路、微操作信号发生器、状态/条件寄存器（Program Status Word，PSW）、堆栈和堆栈指针、总线控制逻辑等部件组成。
　　2．存储器
　　存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，是计算机能够实现存储程序控制的基础。存储器一般存放的都是二进制信息。一般情况下，可将存储器分为高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器三种类型。
　　（1）高速缓冲存储器。高速缓冲存储器（Cache）是位于CPU和主存DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器）之间的高速小容量存储器，通常由高速SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存储器）组成，集中保存当前CPU要调用的内存数据，其存取速度接近CPU的工作速度，用于临时存放指令和数据。引入Cache之后，可以缓解内存和CPU之间存在的速度瓶颈，加快程序运行速度。但这种存储器的价格较高。
　　（2）主存储器。主存储器又称为内存，可由CPU直接访问，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。主存一般由RAM（Random Access Memory，随机存储器）和ROM（Read Only Memory，只读存储器）两种工作方式的存储器组成。
　　（3）辅助存储器。辅助存储器又称为外存储器（外存），包括磁带存储器、磁盘存储器和光盘存储器。它用于存放当前不使用的信息，其特点是存储容量大、可靠性高、价格低，在脱机情况下可以永久地保存信息。
　　上述三种存储器都有各自的优缺点，在一般的计算机系统中是综合利用这三种类型的存储器，以求达到最好的性价比。
　　3．输入/输出设备
　　输入/输出设备是计算机系统与人或其他设备之间进行信息交换的装置，所谓的输入和输出都是相对于主机而言的，二者的区别是信息流向不同。输入设备的功能是把数据、命令、图形、图像和声音以及电流、电压等信息，转换成计算机可以接收和识别的二进制代码，输入到计算机存储器中，以便进行数据处理。输出设备的功能是把计算机处理的结果转换成为人最终可以识别的数字、文字、图形、图像和声音等信息，输出到外部存储介质上，并可以通过相关设备进行显示，以供人们分析和使用。
　　目前，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、手写板等，辅助存储器（磁盘、磁带）也可以看做是一种输入设备。另外，自动控制和检测系统中使用的模数（A/D）转换装置也是一种输入设备。
　　目前，最常用的输出设备是打印机和显示器，辅助存储器也可以看做是一种输出设备。另外，数模（D/A）转换装置也是一种输出设备。