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       软考程序员考试属于计算机软件水平考试（简称软考）中的一个初级计算机职称考试。对于软考程序员考试并无学历及资历条件限制，更无论年龄、专业与资历。一年可报考软考程序员考试两次，但一次考试只能报考一种资格，因此报考了程序员考试则无法再报考软考其他级别或科目的考试。同时软考程序员考试采用笔试形式，考试实行全国统一大纲、统一试题、统一时间、统一标准、统一证书的考试方式。下面的小编给大家提供的软考程序员教程重点精讲之计算机系统的硬件组成。

计算机系统的硬件组成

自从1946年世界上出现第一台计算机以来，计算机软件系统和硬件结构都已经发生了很大的变化，但大多数计算机仍然基于冯·诺依曼结构，其硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成，它们通过系统总线互相连接，如图1-2所示，完成计算机的基本功能。其中运算器、控制器、以及相关的寄存器组，构成中央处理器（CPU），它是计算机系统的核心。

图1-2  计算机的基本组成

1. 中央处理器

中央处理器主要由运算器、控制器和寄存器组三部分组成，其组成结构如图1-3所示。

　　图1-3  CPU组成结构图

（1）运算器。运算器是处理器的执行单元，主要包括算术逻辑部件（ALU）和一定数量的寄存器。加法是运算器的基本运算，在大多数中央处理器中，其它运算最终都可转化为加法运算。运算器的位数指的是运算器一次能对多少位数据作加法，是衡量中央处理器的一个重要指标。按照总线结构，运算器可以分成单总线结构运算器、双总线结构运算器和三总线结构运算器。

（2）控制器。控制器是中央处理器的核心。控制器每次从存储器中取出一条指令，对指令进行译码和测试，并产生相应的微操作控制信号，发给各个执行部件并控制它们，使整个计算机系统可以连续、有条不紊地工作。控制器的主要任务是控制CPU按照正确时序产生操作控制信号。

控制器通常由指令寄存器IR、指令译码器、程序计数器PC、时序电路、微操作信号发生器、状态\条件寄存器PSW、堆栈和堆栈指针、总线控制逻辑等部件组成，其组成图如图1-4所示。

图1-4  控制器组成结构图

· 指令寄存器IR:存放正在执行的指令，以便在整个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。

· 指令译码器ID:又称操作码译码器，它对指令寄存器IR中的指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式等，并产生相应的控制信号提供给微操作信号发生器。

· 程序计数器PC:又称指令计数器或指令指针（IP），在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地址；在大多数机器中则存放将要执行的下一条指令的地址。

· 时序电路：以时钟脉冲为基础，产生不同指令相对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号，确定各种微操作的执行时间，从而实现机器指令执行过程的时序控制。

· 微操作信号发生器：它根据指令译码器ID产生的操作信号、时序电路产生的时序信号，以及各个功能部件反馈的状态信号等，产生执行指令所需的全部微操作控制信号，形成特定的操作序列，从而实现对指令的执行控制。

· 状态\条件寄存器PSW:它保存指令执行完成后产生的条件码，记录了运算器、控制器、中断系统的重要状态或特征，例如运算结果是否溢出、是否被0除、是否有进位、是否关中断等。该寄存器每一位保存一个特征，其典型应用是作为跳转指令的判断条件。

· 堆栈和堆栈指针：堆栈是一组寄存器或者处于存储器内的特定区域，由于寄存器数量有限，所以大多数系统采用了存储器的软件堆栈，堆栈顶部的指针称为堆栈指针。

· 总线控制逻辑：接收各部件发送过来的总线请求信号，根据相应的仲裁措施，把总线的使用权分配给各个部件。总线是系统性能的瓶颈，一个好的总线控制逻辑，可以大幅提高总线利用率，充分发挥各个部件的功能。

指令的执行过程分为如下几个步骤：

· 取指令：控制器按照程序计数器PC中保存的地址从内存中取出将要执行的指令。

· 分析指令：把该指令送给指令译码器ID,ID对指令进行译码和测试，然后根据指令的功能产生相应的操作控制信号，向有关部件发出控制命令。

· 执行指令：根据译码器产生的操作控制信号以及状态/条件（PSW）寄存器的状态，由时序电路形成微操作时序信号，然后再由微操作信号发生器产生一系列CPU内部和外部控制信号，这些信号驱动相关部件运行，从而实现指令的具体功能。

· 形成下一条指令地址：若是顺序执行指令，则程序计数器自动加"1",形成下一条指令的地址；若是转移指令，则根据转移条件确定是否把转移地址送入程序计数器。

程序由指令构成，通过逐一执行上述指令，计算机就可以完成程序指定的任务。

2. 寄存器组

寄存器组是CPU内部的临时存储单元，即可以存放数据和地址，又可以存放控制信息或CPU工作状态。在存储器体系结构中，寄存器组距离CPU最近，执行速度最快，适当增加寄存器数量，可以减少访问内存的次数，提高其运行速度。按照存放数据的不同，CPU中的寄存器可以分为以下类型：

（1）累加器：是一个数据寄存器，在运算过程中暂时存放被操作数和中间运算结果，它不能用于长时间地保存一个数据。

（2）通用寄存器组：CPU中的一组工作寄存器，运算时暂时存放操作数或地址，可以减少CPU与外部的数据交换，从而加快CPU的运行速度。

（3）标志寄存器：又称为状态寄存器，记录运算中产生的标志信息，它的每一位都可以单独使用，称为标志位。标志位反映了ALU当前工作状态，可以作为跳转指令的判断条件。常用的标志位包括以下几种：

·a 进位标志位（C）：当运算结果较高位产生进位时置"1".

·b 零标志位（Z）：当运算结果为零时置"1".

·c 符号标志位（S）：当运算结果为负时置"1".

·d 溢出标志位（O）：当运算结果溢出时置"1".

·e 奇偶标志位（P）：当运算结果中"1"的个数为偶数时置"1".

·f 方向标志位（D）：用于串处理，每次操作后若SI和DI减少，则置为"1",否则置为"0".

·g 中段标志位（I）：开中断时置为"1",否则置为"0".

（4）指令寄存器：存放正在执行的指令，在指令执行过程中，该寄存器中的内容保持不变。

（5）地址寄存器：存放指令、数据区、堆栈的相关地址，包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、段地址寄存器等，主要用于指令和数据的定位。

（6）其它寄存器：根据CPU结构特点还有一些其它寄存器，例如：控制寄存器CR0、CR1、CR2,它的作用是切换实模式和保护模式；调试寄存器D0、D1、D2、D3……，它们可以作为调试器的硬件支持来设置条件断点；测试寄存器TR3、TR4、TR5、TR6,它们可以用于某些条件测试。

3. 存储器

存储器是存放二进制形式信息的部件，它用二进制形式的"0"或"1"存放程序和数据。从功能的角度，存储器可以分为以下三种：

（1）高速缓冲存储器（cache）。位于CPU和主存DRAM之间的高速小容量存储器，通常由高速SRAM组成，集中保存当前CPU要调用的内存数据，其存取速度接近CPU的工作速度，临时存放指令和数据。引入cache之后，可以缓解内存和CPU之间存在的速度瓶颈，加快程序运行速度。

（2）主存储器。主存储器简称主存，又叫内存，用来存储计算机当前正在执行的程序和处理的数据，主存储器目前一般由MOS半导体存储器构成，其优点是存取速度快，存储体积小，可靠性高，价格低廉；缺点是断电后存储器不能保存信息。

（3）辅助存储器。辅助存储器又称外存储器，包括磁带存储器、磁盘存储器及光盘存储器。它用于存放当前不使用的信息，其特点是存储容量大、可靠性高、价格低，在脱机情况下可以一直地保存信息。

一般而言，存储器速度、容量和价格三者之间相互矛盾。若要求存储器速度很高，则其容量就不可能很大，价格也不可能很低；若要求存储器容量很大，则其存取速度就不可能很高，成本也不会很低。为了较好地满足上述三方面的要求，有效的办法是采用不同形式的存储器构成存储器层次结构，使得在该存储体系中，速度接近最快的那个存储器，容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。常用的存储器体系包括"寄存器-cache-主存-辅存-海量存储器"这五个层次。

4. 输入输出设备

计算机系统与人或其它设备之间进行信息交换的装置，所谓的输入和输出都是相对于主机而言的，二者的区别是信息流向不同。输入设备的功能是把数据、命令、图形、图像、声音以及电流、电压等信息，转换成计算机可以接收和识别的二进制代码，输入到计算机存储器中，以便进行数据处理。输出设备的功能是把计算机处理的结果，转换成为人最终可以识别的数字、文字、图形、图像和声音等信息，输出到外部存储介质上，并可以通过相关设备进行显示，以供人们分析和使用。

输入输出设备有多种分类方法，按照信息的传输方向来分，可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。

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