近年來，隨著 PC（ Personal Computer， 個人電腦） 在傢庭中的廣泛普及， 計算機對我們的生活產生瞭深遠的影響。 如今， 不僅是 PC，與我們生活息息相關的手機、平板等也廣泛應用瞭計算機。通過此文來介紹一下計算機系統的構成要素及其功能。
什麼是計算機？
計算機是根據程序進行運算和數據處理的計算機器。 通常，計算機由以下幾部分組成： 負責計算和處理數據的 CPU、 負責存儲程序和數據的存儲器，以及和外部進行數據交換的 I/O（ Input/Output，輸入輸出裝置）。各部分通過總線連接就構成瞭一臺計算機。
計算機的構成要素如圖所示。以 PC 機的組成為例，一般使用 Intel 或 AMD 公司 的 CPU，DDR3 SDRAM 之類的內存，另 外還有鍵盤、鼠標、顯示器等 I/O。 這些CPU、內存、I/O、總線並不局限於 PC，多數計算機都是由這四大要素組成。[1]
計算機構成要素
什麼是CPU？
中央處理器，簡稱 CPU（Central Processing Unit），中央處理器主要包括兩個部分，即控制器、運算器，其中還包括高速緩沖存儲器及實現它們之間聯系的數據、控制的總線。電子計算機三大核心部件就是CPU、內部存儲器、輸入/輸出設備。中央處理器的功能主要為處理指令、執行操作、控制時間、處理數據。
CPU的處理流程
根據執行的指令的特征，CPU 分為 RISC（ Reduced Instruction Set Computer， 精簡指令集計算機）和 CISC（ Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）兩種。
兩種架構的比較
基於RISC指令集的CPU 的指令功能單純，種類較少。相對應地，CISC 類 CPU 的指令功能復雜，種類繁多。RISC 指令精簡的好處是 CPU 內部構造可以簡化，適合高速操作。但是在進行相同操作時，由於每一條指令都功能單純，所以與 CISC 相比，它需要使用更多的指令數量。 雖然 CISC 的內部構造復雜不適合高速操作，但進行相同處理時指令數比RISC 要少。
RISC 和 CISC 兩種架構各有所長，孰優孰劣不能一概而論。在追求高速運作的CPU 的領域中，RISC 被認為更具優勢。這些年，雖然 Intel 和 AMD 兩傢公司的 CPU指令集依然是 CISC 的，但內部卻將復雜指令分解為簡單指令，使得內部可以像 RISC一樣工作。
什麼是內存？
內存是用來存放運行時指令（ 程序） 和數據的存儲器。 為瞭和計算機中長期保存數據和程序的存儲器區別， 內存有時也稱為主存（ Main memory）。
最近的計算機通常采用 DRAM（ Dynamic Random Access Memory， 動態隨機存儲器） 技術的內存。 DRAM 是通過在電容器中積蓄電荷來保存數據的存儲元件。 電容器中充電狀態是 1， 放電狀態是 0， 以此來表示數值。 由於電容器中的電荷一段時間後會衰減， 所以 DRAM 需要定期進行重新寫入數據的刷新（ Refresh） 操作。 根據訪問方式和規格的不同，DRAM 分為 SDRAM（ Synchronous DRAM， 同步 DRAM） 和 DDRSDRAM（ Double Data Rate SDRAM， 雙倍數據率 SDRAM） 等種類。
內存等存儲器的特點是速度越快成本越高。 因此通常使用“高速小容量”、“中速中等容量” 到“低速大容量” 等多種存儲器組合的混合型架構。 這種構造稱為存儲器層級。
存儲器層級示例
在存儲層面， 速度最快的是 CPU 中的寄存器。 CPU 比內存速度快很多， 由 CPU 直接訪問內存效率較低。 為瞭提高內存訪問速度， 在 CPU 和內存間增加瞭被稱為緩存的高速小容量存儲器。緩存可以暫時性地緩沖存儲從內存中讀取的數據。 CPU 在訪問內存時， 如果需要的數據已經保存在緩存中， 則可直接從緩存中讀取， 以提高訪問效率。 根據容量和速度的不同， 緩存也分為多個層級， 通常為一級緩存、 二級緩存等多個級別。
什麼是 I/O？
I/O（ Input/Output） 是進行數據輸入輸出的裝置。 計算機通過 I/O 和外部實現數據交換。 計算機的處理操作按照從外部讀取數據、 在內部處理數據、 再向外部輸出結果的順序進行。 以個人電腦為例， 如圖所示， 它從鼠標或鍵盤輸入數據， 處理器根據程序處理數據， 通過顯示器等向外部輸出結果。
什麼是總線？
總線是 CPU、 內存和 I/O 之間交換數據的共同通道。 總線將一根信號線在多個模塊間共享進行通信。
兩個模塊通過總線交換數據時， 發起訪問的一側稱為總線主控， 接受訪問的一側稱為總線從屬。 下圖示例中， CPU 為總線主控， 內存、 I/O 等為總線從屬。
總線一般由數據總線、地址總線和控制總線構成。數據總線用來傳輸交換的數據，地址總線用來指定訪問的地址，控制總線負責總線訪問的控制。各個信號的時序、 進行交換的規則等稱為總線協議。通過總線交換數據的整個過程稱為總線傳輸。總線傳輸的示例見下圖。
本文介紹瞭計算機的基本概念。多數計算機是由 CPU、 內存、 I/O 以及連接它們的總線構成。 計算機是通過 CPU 將存儲在內存的指令讀出並執行、 通過 I/O 進行數據的輸入輸出來實現處理的。
參考
- ^CPU自制入門，作者：水頭一壽，米澤遼，藤田裕土，譯：趙謙；2012版
