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Python基础教程

第一章: 环境搭建,安装Python

第二章: 挑选一款趁手的IDE

第三章: 计算机基础知识

第四章: 命令行基础知识

第五章: 从全局把握Python

第六章: Python语言基础

第七章: Python流程控制

第八章: Python数据类型与运算

第九章: Python字符串类型

第十章: Python列表类型

第十一章: Python元祖类型

第十二章: Python字典类型

第十三章: Python集合类型

第十四章: Python函数处理

第十五章: Python文件处理

第十六章: Python面向对象

第十七章: Python异常处理

第十八章: Python模块处理

第十九章: Python项目实战

首页 > Python基础教程 > 第三章: 计算机基础知识 > 3.2节: 计算机的组成结构

3.2节: 计算机的组成结构

薯条老师 2020-04-17 16:46:49 210066 3

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3.2.1 冯诺依曼体系

计算机本质是电子设备,它无法理解人类的语言指令,为了让这样的电子设备能按人的意志去执行某种计算,科学家们构思了不少理论。其中最著名的当属"冯诺依曼体系",在冯诺依曼体系中,计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。计算机处理的数据和指令用二进制数进行表示。冯诺依曼体系如下图所示:

image.png

现代计算机在冯诺依曼体系的基础上发展而来,了解其组成结构,有助于建立对计算机的整体认识。
(1) 输入设备与输出设备
输入和输出设备又称为I/O设备。
IO中的I是英语单词Input的首字母,有输入的意思,O则是英语单词Output的首字母,有输出的意思。IO合起来即为输入输出。
输入设备用于接收用户的输入,再将用户的输入传输给计算机。常见的输入设备有以下几种:
鼠标,键盘,摄像头
输出设备是计算机的终端设备,主要用于将数据进行输出显示。显示器是最常见的一种输出设备。
(2) 运算器与控制器
运算器与控制器构成了计算机的核心,现代计算机中的CPU同时包含了运算器与控制器。运算器用于执行算数计算和逻辑运算,控制器用于控制各部件进行协同工作。
基本的算数运算即加减乘除,逻辑运算又称布尔运算,在逻辑代数中,包含与、或、非三种基本的逻辑运算。
(3) 存储器
存储器,顾名思义,在计算机中用来进行信息的存储。计算机中的存储器按其作用可分为主存储器和外存储器。主存储器即通常所说的内存,用于存放当前活跃的程序和数据,读写速度快、容量较小。外存储器用于存储需长期保存的程序和数据,读写速度慢,容量大。主存储器不能对数据进行永久地保存,在机器断电以后,主存中的信息会全部丢失。如需进行持久地保存,需要将数据写至外部存储器中。常见的外部存储器设备:
硬盘,磁带,U盘和光盘

3.2.2 处理器的组成结构

计算机中的处理器,即通常所说的CPU。CPU是Central Processing  Unit的简写,意为中央处理单元,是计算机的运算核心和控制核心。CPU从逻辑上可划分为3个模块:控制单元、运算单元和存储单元。各单元由内部总线进行连接,CPU的逻辑结构如下图所示:

image.png

(1) 控制单元
控制单元是CPU的指挥控制中心,主要由程序计数器PC,指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制器OC等构成:

image.png

程序计数器包含即将执行的指令的地址,当指令被CPU获取时,程序计数器中的存储地址加一,程序计数器指向指令序列的下一条指令。
CPU的核心任务是执行程序中的指令,程序中的指令和数据存储在内存中。程序计数器一开始指向的是指
令序列的第一条指令,CPU从程序计数器中获取到第一条指令的地址后,再去内存中读取指令并且执行。

CPU在执行指令时,会同步地修改程序计数器中的内容,使程序计数器总是指向下一条将要执行的指令。
计算机程序即是以这样的方式被执行的。

CPU从内存中取出指令后,将其放在指令寄存器中,再通过译码器对指令进行译码,以确定该执行什么样的操作。
程序指令由操作码和地址码两部分组成,对指令进行译码,即取出指令中的操作码和地址码。
操作码指明了该执行哪种操作,地址码则指明了操作数存放的地址。
例如加法运算1+2,操作数为1和2,操作码指明了需要进行加法操作。

对指令进行译码以后,操作控制器根据指令的操作码和时序信号,产生各种操作控制信号,从而完成对指令获取和执行指令的控制。
(2) 存储单元
由CPU内的片内高速缓存和寄存器组构成,是CPU暂存数据的单元,里面存储着等待处理或已被处理过的数据。
(3) 运算单元
运算器的核心,用来执行算术运算和逻辑运算。

3.2.3 存储器的层次结构

寄存器是CPU的基本存储单元,CPU访问寄存器所花的时间远比内存访问的时间短。为减少从内存中读取指令和数据的次数,在CPU与内存之间引入了高速缓存。同样地,内存读写的速度远快于磁盘读写的速度,为减少磁盘的读写次数,在计算机内存中引入了读写缓冲区。这些存储器按其访问速度和容量大小,在计算机的逻辑结构中被组织成了下图所示的金字塔形状的层次结构:

image.png

从图可看出,寄存器的访问速度最快,外存储器的访问速度最慢。从容量的大小来看,寄存器的存储容量最小,而外储存器的存储容量最大。
存储器的层次结构可看出,快速存储设备虽然速度快,但容量小,慢速存储设备读写速度慢,
但存储的容量大。根据存储器层次结构的这种思想,可将快速存储设备作为慢速存储设备的缓存,
例如将高速缓存作为内存的缓存,将内存作为磁盘的缓存。

如何利用缓存来提高程序性能,是程序员必须掌握的一项核心技术,在后续的章节中会进行详细讲解。

3.2.4 知识要点

(1) 计算机本质是电子设备,它无法理解人类的语言指令

(2) 在冯诺依曼体系中,计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

(3) 主存储器即通常所说的内存,用于存放当前活跃的程序和数据,读写速度快、容量较小。外存储器用于存储需长期保存的程序和数据,读写速度慢,容量大。

(4) 计算机中的处理器,即通常所说的CPU。CPU是Central Processing Unit的简写,意为中央处理单元,是计算机的运算核心和控制核心。CPU从逻辑上可划分为3个模块:控制单元、运算单元和存储单元。

3.2.5 最具实力的小班培训

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已有3位薯条发表了看法:

  • py

    py  评论于 2020-05-04 16:10:06  回复

    类似存储器的层次结构 车啊 小车跑得快装的少 大卡跑的慢 装的多

  • py

    py  评论于 2020-05-04 16:13:54  回复

    从存储器的层次结构来分析缓存的必要性: 寄存器 速度快 没有缓存的话 一个指令执行完了 结果外存下个指令 还没进去(速度慢) 造成资源浪费 或者大量小指令执行完 外存储来不及存 造成数据拥堵

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