计算机体系架构概述

1、图灵机

图灵机,又称图灵计算、图灵计算机,是由数学家阿兰·麦席森·图灵(1912~1954)提出的一种抽象计算模型,即将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象,由一个虚拟的机器替代人们进行数学运算。它有一条无限长的纸带,纸带分成了一个一个的小方格,每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态,还有一些固定的程序。在每个时刻,机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息,然后结合自己的内部状态查找程序表,根据程序输出信息到纸带方格上,并转换自己的内部状态,然后进行移动。

图灵机工作原理

根据图灵机的构思,我们可以对计算机进行定义:一种用来进行计算的特殊的机器。

图灵机模型

2、冯诺依曼机

1945年6月,冯•诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念(Stored Program Concept),这是所有现代电子计算机的范式,称为冯• 诺依曼体系结构。按照该结构建造的计算机称为存储程序计算机(Stored Program Computer),又称为通用计算机。有时也把冯• 诺依曼体系结构称为冯• 诺依曼体计算机。

冯•诺依曼计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成,具有以下几个主要特点:

用二进制表示数据和指令;

指令和数据存储在内部存储器中,

按顺序自动依次执行指令;

由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成基本硬件系统;

由控制器来控制程序和数据的存取及程序的执行;

以运算器为核心。

冯•诺依曼计算机有三个关键点,一是采用二进制,二是存储程序的思想,三是逻辑上把计算机分为五大部分。采用二进制的原因是,数制中二进制是最简单的,最易用电路来实现存储和运算。如果采用十进制,在早期制造计算机时,几乎是不可能实现的事情。

冯诺依曼机模型

冯•诺依曼体系结构广泛用于数据处理的各个领域。至今为止,绝大多数计算机遵循冯•诺依曼计算机的基本结构,即使有一些改进,也没有革命性的变化。

以存储器为核心的冯诺依曼机模型

冯•诺依曼体系结构也存在一些局限性,指令和数据共享同一存储的方式,使得数据传送受到一定的制约,影响指令运行的速度,并且难以实现并行处理。因此,在某些领域提出了哈弗结构模型。哈弗结构则与冯•诺依曼体系结构略微不同,也是比较常见的一种计算机体系结构。哈弗结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储结构,解决了访问冲突问题。两个存储器有四组总线:程序的数据总线和地址总线,数据的数据总线和地址总线。这使得取指令和取数据能够并行执行,提高了程序的执行速度。许多计算,例如多数据的流水线处理和DSP处理等,采用哈弗结构都能够提高数据处理速度。我们常见的哈弗结构CPU包括ARM公司的ARM9、ARM10、ARM11等处理器。

哈佛结构的计算机由CPU、程序存储器和数据存储器组成,程序存储器和数据存储器采用不同的总线,从而提供了较大的存储器带宽,使数据的移动和交换更加方便,尤其提供了较高的数字信号处理性能

哈弗结构

3、现代PC硬件组成框图

我们常用的个人电脑硬件组成包括CPU、主板、硬盘、电源、显示器五大部件。

电脑硬件组成框图

现在如果我们配置一台家用或者办公电脑的话,我们需要购买的硬件包括:

1、CPU

2、主板

3、内存条

4、硬盘

5、ATX电源

6、显示器

7、机箱

8、键盘、鼠标

9、显卡(Intel在CPU内部集成了GPU,所以如果不对电脑有较高的图形处理要求,可不需要配置独立显卡)

硬盘配置说明:为了更快的开机速度,可采用固态硬盘+机械硬盘混合方式进行配置,当然,也可采用全部固态硬盘配置,固态硬盘有与机械硬盘采用一样的SATA接口,也有NGFF接口、PCIE接口。

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