计算系统概论

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冯诺依曼计算机组成部分：

  • 存储器（Memory）
  • 处理单元（ALU）
  • 控制单元（Control Unit）
  • 输入设备（Input）
  • 输出设备（Output）

存储器

存储器是一种能够存储信息的设备。需要注意的是，计算机内部的存储器通常指内存，计算机硬盘、移动硬盘、软盘、光盘、U 盘等都是外部存储设备。

存储器中存储的内容可以是组成程序的指令，也可以是程序执行所需要的数据。

  • 静态随机存取存储器（SRAM）
  • 动态随机存取存储器（DRAM）

SRAM 与 DRAM 的区别：

  • SRAM 速度快，价格高，集成度低。如 CPU 的高速缓存。
  • DRAM 速度慢，价格低，集成度高。如系统主存。

处理单元

处理单元用于完成计算机内信息的处理，现代计算机的处理单元可以包含许多复杂的功能单元，执行复杂的运算（例如除法、求平方根、矩阵运算等）。

处理单元可以只包含最简单的 ALU（Arithmetic and Logic Unit 算术和逻辑单元），可以进行最基本的算术运算（加法、减法）和逻辑运算（与、或、非）。

通常，计算机会在 ALU 附近提供少量具有非常高读写速度的寄存器（Register）,用于临时存储操作数和计算结果，这些存储被称为寄存器堆或寄存器文件（Reg File）。

控制单元

控制单元负责指挥信息的处理。

控制单元中有一个寄存器专门用于记录即将执行的指令所在的位置，被称为程序计数器（Program Counter, PC）。

控制单元可以根据当前指令的信息生成解码后的控制信息，用于控制 ALU 选择哪些操作数，执行何种运算

算法，即讲用自然语言描述的问题转换成一个无歧义的操作步骤，有下面的特点：

  • 有限性（Finiteness）：计算过程最终能够结束。
  • 确定性（Definiteness）：每个步骤都必须是明确的，不应存在歧义性。例如「A 与一个数相加」就是「不确定」的，因为不知道 A 与哪一个数相加。
  • 有效可计算性（Effective Computability）：每个步骤都能被计算机执行。例如「A 除以 0」就缺乏可计算性。