1.3.4 计算机的工作原理
计算机的工作就是顺序执行存放在内存储器中的一系列指令。
1．指令、指令系统与程序
指令是一组能被计算机识别并执行的二进制数据代码，是让计算机完成某个操作的命令。一条指令通常由两个部分组成，前面部分称为操作码，后面部分是操作数。操作码指明该条指令要完成的操作，如加、减、乘、除，逻辑运算等。操作数是指参加运算的数据或者数据所在的存储单元地址。
一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。指令系统与计算机的中央处理器 CPU 密切相关，反映、决定了计算机硬件系统的基本功能和主要性能。
无论是哪种类型的 CPU，其指令系统都应具有以下功能的指令：
⑴ 数据传送指令：将数据在内存与 CPU 之间进行传送。
⑵ 数据处理指令：对数据进行算术或逻辑运算。
⑶ 程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序，如：条件转移、无条件转移、调用子程序、返回、暂停、终止等。
⑷ 输入／输出指令：用于实现外部设备与主机之间的数据传输。
⑸ 其他指令：对计算机系统的其它管理功能。
用户根据解决某项问题所需的步骤，选择适当的指令，将它们一条一条的按照某种顺序进行有序的排列，计算机依次执行这些指令序列，便可完成预定的任务。按照一定要求组织构成的可完成若干项操作的指令序列就是程序。
2．计算机的工作原理
计算机的工作过程实际上就是执行指令的过程。计算机在执行指令的过程中，有两种数据在计算机系统的各部件之间流动，它们是数据流和控制流。数据流指的是计算机处理的原始数据、中间结果和最终结果数据、源程序代码等。控制流是控制器对指令代码进行分析、解释后向计算机系统的各部件发出的控制命令，指挥整个计算机系统协调地进行工作。
下面，以指令的执行过程介绍计算机的基本工作原理。指令的执行过程如图 1.15 所示。
计算机执行指令的过程可分为四个步骤：
⑴ 读取指令：根据控制器程序计数器中的地址（0100H），从内存储器中读取指令（070270H），传送到指令寄存器中。
⑵ 分析指令：对送到指令寄存器的指令（070270H）进行分析，由译码器对操作码（07H）进行译码，判断该条指令要做的操作，并将其转换成相应的控制电信号；操作数（0270H）则确定了被操作数据的存放地址。
⑶ 执行指令：操作控制电路根据译码结果向相关部件发出完成该项操作所需的一系列控制电信号，以完成该项指令所要求的操作。例如，若是做加法的指令，则将内存单元（0270H）中的数据与累加器中的数据相加，结果仍然放在累加器中。
⑷ 更新计数器：一条指令执行完后，程序计数器自动加 1，或将转移地址码送入程序计数器后，返回到⑴，进入下一条指令的执行过程。如此周而复始，CPU 不断的读取指令、分析指令、执行指令 …… 直到整个程序执行
完毕。这就是计算机的工作过程，程序的执行过程。
一般将计算机执行一条指令所需的时间称为一个指令周期。指令周期越短，执行速度越快。计算机系统的所有操作都是在一个统一的脉冲信号的控制下进行的。脉冲信号的频率越高，执行指令的速度就越快。通常所说的计算机工作频率，指的就是同步脉冲信号的频率。
1.4 微型计算机的硬件组成
1.4.1 主机
微型计算机硬件系统的基本组成结构也是属于冯·诺依曼型的，由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分构成。
1．主板
在微型计算机中，系统主板是最大的一块集成电路板。主板是微型计算机系统中各种设备的连接载体。所谓主板结构就是根据主板上各元器件的布局排列方式，尺寸大小，形状，所使用的电源规格等制定出的通用标准，所有的主板厂商都必须遵循。主板上的各个接口必须采用有色标识方便进行识别，保证安装时操作简便，能很容易的进行正常装配。
兼容 IBM-PC 台式计算机的主板采用了开放式的结构，板面上设置了 CPU 插座，内存插槽，扩展卡插槽，软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器接口，串行接口，并行接口，USB 接口，芯片组，电源插座等。通过主板将微型计算机的主机以及各种输入、输出硬件设备有机的连接在一起，构成一个完整的计算机硬件系统。常见系统主板如图 1.16 所示。
微型计算机主板在结构上主要有 AT、Baby-AT、ATX、MATX、LPX、Flex ATX、NLX、EATX、WATX、BTX 等类型。它们的主要区别在于主板的尺寸、形状，主板上各种电子元器件的布局和排列方式，电源的规格及控制方式等的不同。
2．控制芯片
又称芯片组（Chipset），是系统主板的灵魂，决定了主板的结构和性能。芯片组用于实现 CPU 与系统中所有设备的互相联系，在 CPU 和外设之间架起了一座桥梁。它就像人类的中枢神经系统一样，控制着整个主板的运作。
芯片组一般由两个超大规模集成电路组成。根据它们在主板的不同位置，通常把两个芯片分别称作北桥（North Bridge）芯片和南桥（South Bridge）芯片。
北桥芯片是位于主板上离 CPU 最近的一块芯片，负责与 CPU 的联系并控制内存、AGP、PCI 数据在北桥内部的传输。其作用是在 CPU 与 PCI 总线、DRAM、AGP 和 L2 高速缓存之间建立通信接口。因北桥芯片在主板中起着主导作用，所以人们习惯的将北桥芯片称之为
主桥（Host Bridge）。北桥芯片决定了主板的速度、性能、档次和质量。主板的名称往往就是以北桥芯片的型号命名的，例如在 Intel 875 主板的芯片组中北桥芯片的型号即为 Intel82875P。由于北桥芯片的发热量比较大，通常在芯片上会装有散热器甚至风扇。
南桥芯片也是主板芯片组的重要组成部分，一般位于主板上离 CPU 插座较远的地方，如在 PCI 扩展插槽的附近。这种布局是考虑到它所连接的 I/O 总线较多，离处理器远一点有利于布线。相对于北桥芯片来说，南桥芯片的数据处理量并不算大，所以南桥芯片一般都没
有覆盖散热片。南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式与北桥芯片相连。南桥芯片主要负责 I/O 总线之间的通信，如 PCI 总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。
3．CPU
中央处理器（Center Processing Unit CPU），又称微处理器（Micro Processing Unit），是微型计算机的核心部件。CPU 中集成了控制器和运算器两大部件，它的性能决定了整个微型计算机系统的各项关键指标的高低。通常习惯使用 CPU 的型号表征微型计算机的档次。
用于衡量 CPU 性能好坏的技术指标主要有以下几个：
⑴ CPU 字长。CPU 内部寄存器一次能够存储、传递的二进制数的位数，代表了 CPU一次处理的数据长度。
⑵ 总线宽度
① 数据总线宽度
数据总线控制整个系统数据流量的大小。而数据总线的宽度则决定了 CPU 与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次传输的数据位数。
② 地址总线宽度
地址总线的宽度决定了 CPU 可以访问的物理地址空间的大小，也就是决定了 CPU 能够使用的最大内存容量。如地址总线的宽度达到 32 位，则能够直接访问的物理空间可以达到4096MB(4GB)。
⑶ 工作频率与速度
① 主频、倍频和外频
主频指的是 CPU 内部的时钟频率，也就是 CPU 运算时的工作频率。通常主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU 的工作速度也就越快。因为各种 CPU 的内部结构不尽相同，所以并非时钟频率相同，工作速度就必然相同。
外频指的是系统总线的工作频率，而倍频则是指外频与主频相差的倍数。两者之间的关系是：主频=外频×倍频。
② 总线速度
总线速度又分为内存总线速度（Memory-Bus Speed）和扩展总线速度（Expansion-BusSpeed）。
CPU 所要处理的数据都是由内存储器提供的。存放在外存储器(如磁盘或者其它各种存储介质)中的数据都必须先存储到内存储器中，然后再传送到 CPU 进行处理。因为内存储器和 CPU 的运行速度存在较大差异，为了协调两者之间的速度差异，提高整个系统的工作效率，在 CPU 中内置了 L1（一级）和 L2（二级）高速缓存。内存总线速度指的就是二级高速缓存和内存储器之间数据的通信速度。二级缓存的容量是提高 CPU 性能的关键。一级缓存的容量一般在 4KB 到 64KB 之间，二级缓存的容量则可达到 2MB 到 4MB。
扩展总线指的是系统主板上连接扩展插槽的局部总线。扩展插槽上面可以插显卡、声卡、网卡之类的各种功能卡，而扩展总线就是 CPU 用以联系这些设备的桥梁。扩展总线的速度指的就是 CPU 与外部设备之间交换数据的速度。
知乎上有一篇文章《芯片里面有几千万的晶体管是怎么实现的？》，深入了解CUP内部结构。
https://www.zhihu.com/question/26998618/answer/37078247
4．内存储器
内存储器是微型计算机系统的一个重要的组成部分。内存储器和微处理器构成了微型计算机的主机。
内存储器中存放着控制计算机系统运行的程序和需要计算机处理的数据。CPU 只从内存储器中读取程序指令和数据。在微型计算机中，内存储器根据其功能特征可以分为三类：
⑴ 随机存取存储器
随机存取存储器（Random Access Memory）简称 RAM，是一种可以随意将数据写入和读出，包含了成千上万个数字存储单元电路的大规模集成电路。通常所说的计算机系统的内存容量指的就是 RAM 的容量，它也是衡量计算机系统性能的一个重要指标。
所有需要计算机处理的程序指令和数据，都必须通过 I/O 接口输入到内存储器中才能由CPU 处理。CPU 既可以从 RAM 中读取程序指令和数据，也可以将处理后的数据写入到 RAM中。但一旦计算机系统断电，已存储在 RAM 中的所有数据将全部丢失。
为了扩充容量的方便，在微型计算机系统中 RAM 是以独立封装的内存条的形式出现，安装在内存插槽中使用。衡量内存条性能的主要指标是数据的存取速度和内存容量。目前常用内存条的容量主要有 512MB、1GB、2GB、4GB、8GB几种规格，即将推出的最高容量可达 12GB。支持的工作频率从 600MHz、800 MHz 到1333MHz 不等，最高的 DDR3 超频内存条的工作频率已达 2133MHz。
⑵ 只读存储器
只读存储器（Read Only Memory）简称 ROM。ROM 中的数据通常是由计算机的生产厂家写入并经过固化处理，一般用户在正常情况下是不能修改的。计算机系统正常工作时，CPU 只能从 ROM 中读取数据，而不能写入数据。即使计算机系统断电，保存在 ROM 中的信息也不会丢失。因此，ROM 中通常保存的是计算机系统的基本输入/输出系统 BIOS（BasicInput-Output System）。
BIOS 是面向硬件的底层软件，包括计算机系统中最重要的基本输入/输出程序、系统设置信息、开机上电系统自检程序和自举程序、系统类型和系统环境参数等。目前广泛使用的 BIOS 芯片中还增加了电源管理、CPU 参数调整、系统监控、即插即用（PnP）等功能。
⑶ 高速缓冲存储器
现今 CPU 的工作速度越来越快，它访问数据的速度达到了几个 ns（纳秒），而最快的内存储器访问数据的速度也需要几十 ns。CPU 执行程序所用的指令和需要处理的数据都是从内存储器中取得的，处理后的数据也要写入到内存储器中，因此计算机系统工作时 CPU 需要频繁地与内存储器交换数据。因为内存储器的工作速度较慢，内存储器在读取或者写入数据时，CPU 经常要等待，极大地影响了整个计算机系统的运行速度和工作效率。为有效的解决这一问题，采用的方案就是在 CPU 和内存储器之间设置高速缓冲存储器（Cache），以提高 CPU 和内存储器之间数据交换的速度。Cache 与 CPU 和 RAM的关系如图 1.20 所示。
Cache 的工作原理是根据程序的局部性原理而设计的。局部性原理指的是”一个程序90%的时间执行着 10%的代码”，即在一段时间内，整个程序的执行仅局限于程序中的某一部分，相应地，CPU 所访问的存储空间也局限于某个内存区域。根据这一局部性原理，在CPU 和内存储器之间设计了 Cache。当 CPU 在执行指令，处理存储在某一内存地址中的数据时，可以将该地址后续区域中存储的指令代码或数据也写入 Cache。CPU 执行后续指令或者处理其它数据时，首先访问 Cache，若 Cache 中已有所需要的指令或者数据，就直接从Cache 读取，不再访问内存储器；若没有，再去访问内存储器，读取数据并把相关内容也读取到 Cache 中，为下一次的访问做好准备。只要算法得当，在 Cache 中读取到所需指令或数据的命中率很高，平均可以达到 80%左右，因此可以大大提高访问速度和工作效率。
一般采用工作速度高的静态随机存取存储器 SRAM 作为 Cache。它通常被集成在 CPU中，构成一级（L1）Cache 和二级（L2）Cache。在酷睿 2 代双核、四核 CPU 中，为了进一步提高速度，甚至又增加了三级 Cache。CPU 中 Cache 的容量和速度是 CPU 的重要技术指标之一，它直接影响了 CPU 的工作速度，并在很大程度上决定了该 CPU 的价格。
5．系统总线
微型计算机主板上的 CPU、内存储器和连接外部设备的各个接口之间通过系统总线（System Bus）传递各种数据。也就是说系统总线是主板上各部分之间传递数据的通道。根据所传输信息和功能的不同，系统总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。微型计算机系统总线的基本结构框图如图 1.21 所示
⑴ 地址总线（AB）
地址总线 AB（Address Bus）用于传送内存储单元的地址或 I/O 接口的地址信息。地址信息的传输是单向的。地址总线的数量决定了计算机内存空间的大小。例如 32 位地址总线的寻址空间为：0~232-1，支持的最大内存储器的容量为 4GB。
⑵ 数据总线（DB）
数据总线 DB（Data Bus）用于在 CPU 与内存或者 I／O 接口之间进行数据的传递。其信息传送是双向的。它的数量取决于 CPU 的字长。
⑶ 控制总线 CB（Control Bus）
控制总线 CB（Control Bus）用于传送各种控制信号、时序信号和状态信息等。其中既有 CPU 向内存储器和 I／O 设备发出的信息，也有内存储器和 I／O 设备反馈到 CPU 的信息。CB 中的每一根线的方向是单向的，但在总体上则是双向的，因此在结构框图中的控制总线均以双向线表示。控制总线的数量取决于 CPU 的字长。