(新)计算机组成原理1什么是组成原理计算机组成原理是一门学习从本质

计算机组成原理

1什么是组成原理

计算机组成原理是一门学习从本质上了解计算机硬件工作原理的课程。在高中阶段，先从了解计算机硬件，及简单的计算机数制起，来认识这门课程。

2计算机系统

2.1购买计算机

✓思考1：现在人们购买计算机的时候，有些什么选择？

购买计算机的大方向选择：品牌机与组装机。

2.2计算机系统

计算机系统分为硬件系统和软件系统两大系统。

2.2.1硬件系统：特指计算机中看得见摸得着的实物，比如显示器，键盘，

鼠标，CPU，内存等硬件。

2.2.2软件系统：特指计算机中用户用来完成工作所使用的程序。可分为

系统软件和应用软件两种。

2.2.2.1系统软件：

✓操作系统：如Windows，Linux等。

✓数据库管理系统：如DB2，Oracle，Access等。

2.2.2.2应用软件：

✓为特定需要开发的软件，如驱动程序，应用、游戏软件等等。3计算机模型

3.1早期的计算机模型

图1-1 最早的计算机模型

如图1-1，在最早的计算机模型里，计算机只包含三个模块，输入/输出设备，用于输入计算数据，输出计算结果，计算过程由中央处理器完成。输入输出设备十分简陋，只能通过扳动计算机的庞大面板上的许多开关、按钮向计算机输入数据，经过加工处理后，再通过计算机面板上的信号灯把输出结果显示出来。

✓思考2：

在早期计算机模型里的中央处理器，是我们今天所说的CPU吗？

3.2现代计算机模型

图1-2 现代计算机模型

如图1-2，与早期计算机模型相比，现代计算机模型结构复杂了一些，其中主要是多了两个模块：内部存储器与外部存储器。

在现代计算机模型中，中央处理器不单只从输入设备获取要处理的数据，从内部存储器（即我们平常所说的内存）也可以获取所需的处理数据，同时处理结果也不仅仅输出到输出设备，也可以输出到内存中暂时存储。外部存储器的“外部”是相对于内部存储器来说的，中央处理器并不直接从外部存储器获取数据，处理过程中的临时信息都存放在内部存储器中，处理结束后的最终数据才从内部存储器中存放到外部存储器中。

扩展

冯·诺依曼计算机模型：从早期计算机模型到现代计算机模型的飞跃

冯·诺依曼（John Von Neumann，1903－1957），美籍匈牙利人，被誉为“计算机之父”。

冯诺依曼体系结构：从20世纪初，物理

学和电子学科学家们就在争论制造可以进行

数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们

被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所

以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和

有力。20世纪30年代中期，德国科学家冯诺

依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作

为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先

编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前

制定的计算顺序来执行数值计算工作。

以此体系结构理论的要点，冯诺依曼构建

出了具备五大基本组成部件的现代计算机的

图1- 3约翰·冯·诺依曼雏形：

输入数据和程序的输入设备- 把需要的程序和数据送至计算机中；

记忆程序和数据的存储器- 具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；

完成数据加工处理的运算器- 完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；

控制程序执行的控制器- 根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；

输出处理结果的输出设备-按照要求将处理结果输出给用户。

在早期计算机模型中的“中央处理器”，实际上只能称为“运算器”，而在现代计算机模型中，因为硬件技术的发展完善，可以把运算器和控制器整合在同一块芯片上组成了真正的“中央处理器”，也就是我们今天所说的CPU（Central Processing Unit）。

3.3认识硬件

3.3.1CPU –中央处理器

根据冯•诺依曼体系，现代CPU（Central Processing Unit）集合了计算机的运算器和控制器，是一台计算机的“大脑”。CPU的主要功能是

解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。它有如下性能指标：✓主频：时钟频率，单位是兆赫MHz或千兆赫GHz，表示CPU 的速度。在早期，计算机主频和实

际运算速度基本呈线性关系，即一

颗CPU的主频基本可以用来衡量

一台计算机的运算能力。但是在计

算机其他硬件高度发达的今天，

CPU的主频已经不能简单地体现

出整台计算机的运算能力了。

✓外频：外频是CPU的基准频率，

图1- 4 Intel的CPU

是指CPU与主板之间同步运行的

速度。在上世纪90年代起风靡DIY界的“超频”，就是指超CPU

的外频。

扩展

超频（OC，即Over Clock）

超频，就是人为地将CPU、显卡显示芯片等的工作频率提高，以达到提升硬件性能的目的的一种DIY技术。超频技术在DIY界非常盛行，有许多硬件玩家都以CPU的超频为DIY的乐趣，甚至于有些硬件玩家在电脑硬件的论坛、报纸上以超频的数据作为相互比较、DIY能力竞争的一种标准，同时超频能力强劲的CPU也受到硬件玩家的热捧。目前，世界各地频繁举行各种超频比赛，目前的45nm核心的酷睿构架处理器，曾被多次超到7Ghz以上，世界纪录为12Ghz。当前超频，也不只限于比拼超频的频率高低，而是比拼超频后的性能高低。

超频，通常是通过提高CPU的外频来提高CPU的频率。因为CPU 的主频=外频×倍频，当CPU的外频和倍频都没有锁定的时候，玩家可以通过跳线、BIOS设置等方式任意设置合适的外频和倍频来提高CPU 的主频。例如一块CPU的外频为100MHz,倍频为8.5,可以计算得到它的主频=外频×倍频=100MHz×8.5 = 850MHz。当它的外频提升到200MHz 的时候，则它的主频也相应地提升了一倍，到1700MHz。直到今天，许多CPU也仍然具有相当的超频能力，超频的手段也简化了许多，只需要通过主板的设置自定义合适的频率即可。

需要注意的是，超频虽然可能大幅提升CPU的运算能力，但是也具有一定风险，一是由于CPU的外频增加，主板与其同步的速度也相应增加，如果主板上其他硬件不能支持到这么高的频率，则容易损坏硬件；

二是CPU超频之后，温度大幅提升，如果没有准备好完善的散热措施，也会造成系统不稳定，蓝屏、死机甚至烧坏硬件等。

✓字长：电脑技术中对CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU

通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处

理字长为32位的二进制数据。对于不同的CPU，字长的长度也