计算机系统概述

系统结构图：
计算机系统概述

系统硬件结构图：
计算机系统概述
上图取自《深入理解计算机系统》p42

1. 处理器
中央处理单元（CPU），主要由控制器，运算单元，寄存器组组成，现代处理器还集成了高速缓存存储器（cache）。

控制器：控制器是整个CPU的指挥控制中心，由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制器OC等组成。
运算器：主要负责各种运算，包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。
寄存器组：寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器，这部分在微机原理里有详细描述。它们主要负责存储数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。
高速缓存存储器：又称CPU片内缓存。因为寄存器的容量很少，所以加入了容量较寄存器大很多倍的cache，它主要存储CPU近期需要的数据，访问它的速度比访问寄存器慢，但较CPU访问主存的速度快很多。通过访问高速缓冲里存放可能经常访问的数据，大部分的内存操作都能在快速的高速缓存中完成。

2 . 主存
主存又常被称作内存，是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存是一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成的；从逻辑上来说，存储器是一个线性的数组，每个字节都有其唯一的地址。

3. I/O设备
I/O（输入输出）设备是系统与外部通信的通道。上图中示例包括四个I/O设备：分别是作为用户输入的键盘与鼠标，作为输出的显示器，以及长期用于存储数据和程序的磁盘。

CPU的运行原理：
下面以一个hello.c程序的执行过程例子说明CPU的运行原理：

#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("hello world!\n")
	return 0;
}

先说明一下程序生成可执行目标程序的过程：
hello.c源程序经过预处理，编译，汇编，链接后最终生成可执行的目标程序（二进制）。
运行原理：
当程序执行前，程序的目标代码和数据会先从磁盘被加载到内存中。一旦开始执行，CPU从程序计数器PC所指向的内存地址处读取机器指令到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据，CPU会把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来，然后命令运算单元对数据进行处理加工。当条指令执行完后，PC指向下一条指令，如此反复，一直到程序执行完成。
简言之就是以下四步：

取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器；
指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作(就是指令里的操作码)、操作数在哪里(操作数的地址)；
执行指令：分两个阶段“取操作数”和“进行运算”；
修改程序计数器，决定下一条指令的地址。

为什么要在CPU中加入高速缓存存储器

从上面我们可以看到，hello程序的执行先要将可执行目标程序从磁盘复制到内存，然后再将机器指令一条一条复制到指令寄存器中。程序执行完后，需要输出的内容（hello world!\n）先也是在磁盘上，然后被复制到内存，然后从主存复制到寄存器，再从寄存器复制到显示设备，最终显示在屏幕上。
这个实例揭示了一个重要的问题，即系统发费了大量的时间把信息从一个地方复制到另一个地方。

所以为了减少时间开销，要么加快内存的存储速度，要么加快处理器的运行速度，而加快处理器的运行速度比加快主存的运行速度容易和便宜得多，所以就提出了在CPU中加入高速缓存存储器（cache），这样就能将处理器近期需要的信息存放在其中，减少了CPU访问内存的次数。通常位于处理器芯片上的高速缓存存储器容量高达几万字节，它采用静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。它与CPU的关系如下图：
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后记：
本文参考了《深入理解计算机系统》第三版，其次是网上的一些博文，再加上自己的一些理解，整理出来，作为分享。作为一名不是计算机专业出来的程序猿，由于前期没有系统的接触过这些知识，积累的不够，如果存在错误还望大家批评指正，后面还会继续深入，坚持总结、更新博文。

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