第3章 计算机体系结构及物理安全
3.1 计算机系统组成
3.1.1 图灵模型
1936年，阿兰·图灵提出了一种抽象的计算模型——图灵机（Turing Machine），见图3-1。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成。
图3-1 图灵模型
（1）一条无限长的纸带（Tape）。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号，表示空白。纸带上的格子从左到右依次被编号为0，1，2，…，纸带的右端可以无限伸展。
（2）一个读写头（Head）。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。
（3）一套控制规则（Table）。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。
（4）一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。
这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为，这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。
3.1.2 冯·诺依曼模型
20世纪30年代中期，美籍科学家冯·诺依曼大胆地提出：抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来进行数值计算工作。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构，也称为普林斯顿体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺依曼体系结构。所以冯·诺依曼是当之无愧的“电子计算机之父”。
冯·诺依曼结构处理器具有以下几个特点：①必须有一个存储器；②必须有一个控制器；③必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；④必须有输入设备和输出设备，用于进行人机通信。另外，程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作。
为了完成上述功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输入数据和程序的输入设备；记忆程序和数据的存储器；完成数据加工处理的运算器；控制程序执行的控制器；输出处理结果的输出设备。
3.1.3 计算机系统组成
计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件是指组成计算机的各种物理设备，由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图3-2所示。这五大部分相互配合，协同工作。
图3-2 五大功能部件
其工作原理为：首先由输入设备接收外界信息（程序和数据），控制器发出指令将数据送入（内）存储器，然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存储在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。
3.1.4 微型计算机结构
1．主机
主机指计算机用于放置主板及其他主要部件的容器（Mainframe），通常包括CPU、内存、硬盘、光驱、电源以及其他输入输出控制器和接口，如USB控制器、显卡、网卡、声卡等。位于主机箱内的部件通常称为内设，而位于主机箱之外的部件通常称为外设（如显示器、键盘、鼠标、外接硬盘、外接光驱等），见图3-3。
计算机主机的组成部分如下。
（1）机箱，装主机配件的箱子，没有机箱不影响使用。
（2）电源，主机供电系统，没有电源不能使用。
（3）主板，连接主机各个配件的主体，没有主板主机不能使用。
（4）CPU，主机的心脏，负责数据运算。不可缺少，属于重要设备。
图3-3 计算机主机
（5）内存，存储主机调用文件，不可缺少。
（6）硬盘，主机的存储器，独立主机不可缺少。
（7）声卡，某些主板集成。
（8）显卡，某些主板集成，显示器控制。
（9）网卡，某些主板集成，没有网卡计算机无法访问网络，是联络其他主机的渠道。
（10）光驱，没有光驱，主机无法读取光碟上的文件。
（11）一些不常用设备，如视频采集卡、电视卡、SCSI卡等。
2．外设
外部设备简称“外设”，是指连在计算机主机以外的硬件设备。对数据和信息起着传输、转送和存储的作用，是计算机系统中的重要组成部分。按照功能的不同，大致可以分为输入设备、显示设备、打印设备等，见图3-4。
图3-4 外部设备
（1）键盘、鼠标，是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入到计算机中。
（2）显示器，是计算机的输出设备之一，它可以显示操作和计算结果。目前计算机显示设备主要有CRT显示器、LCD显示、等离子显示器和投影机。
（3）打印机，也是计算机的输出设备之一，它将计算机的运算结果或中间结果以人所能识别的数字、字母、符号和图形等，依照规定的格式印在纸上的设备。