2026年1月13日 15:17:55项目开发评论3阅读模式

计算机硬件系统原理:五大核心组件是如何协同工作的?

计算机硬件是一个有机整体，五大核心部分（CPU、存储器、输入设备、输出设备、其他硬件）协同工作，缺一不可。理解这些组成，能帮你更好地选择和使用电脑。下图是一张典型的硬件系统组成图：

CPU：中央处理单元；ALU：算术/逻辑单元；PC：程序计数器；USB：通⽤串⾏总线

1. 总线

贯穿整个系统的是⼀组电⼦管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是⼀个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。现在的⼤多数机器字长要么是4个字节（32位），要么是8个字节（64位）。

2. I/O设备

I/O（输⼈/输出）设备是系统与外部世界的联系通道。我们的⽰例系统包括四个1/0设备：作为⽤户输⼈的键盘和⿏标，作为⽤户输出的显⽰器，以及⽤于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单地说就是磁盘）。最开始，可执⾏程序he11o就存放在磁盘上。

每个I/O设备都通过⼀个控制器或适配器与I/O总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于它们的封装⽅式。控制器是I/O主板）上的芯⽚组。⽽适配器则是⼀块插在I/O总线和I/O设备之间传递信息。

设备本⾝或者系统的主印制电路板（通常称作在主板）上的芯片组。而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。⽆论如何，它们的功能都是I/O总线和I/O设备之间传递信息。

主存是⼀个临时存储设备，在处理器执⾏程序时，⽤来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存是由⼀组动态随机存取存储器（DRAM）芯⽚组成的。从逻辑上来说，存储器是⼀个线性的字节数组，每个字节都有其唯⼀的地址（数组索引），这些地址是从零开始的。

⼀般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。与C程序变量相对应的数据项的⼤⼩是根据类型变化的。⽐如，在运⾏Linux的x86-64机器上，short类型的数据需要2个字节，int和Eloat类型需要4个字节，⽽1ong和double类型需要8个字节。

中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释（或执⾏）存储在主存中指令的引擎。处理器的核⼼是⼀个⼤⼩为⼀个字的存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC）。在任何时刻，PC都指向主存中的某条机器语⾔指令（即含有该条指令的地址）。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器⼀直在不断地执⾏程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下⼀条指令。处理器看上去是按照⼀个⾮常简单的指令执⾏模型来操作的，这个模型是由指令集架构决定的。

在这个模型中，指令按照严格的顺序执⾏，⽽执⾏⼀条指令包含执⾏⼀系列的步骤。处理器从程序计数器指向的内存处读取指令，解释指令中的位，执⾏该指令指⽰的简单操作，然后更新PC，使其指向下⼀条指令，⽽这条指令并不⼀定和在内存中刚刚执⾏的指令相邻。

这样的简单操作并不多，它们围绕着主存、寄存器⽂件（registerfile）和算术/逻辑单元（ALU）进⾏。寄存器⽂件是⼀个⼩的存储设备，由⼀些单个字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯⼀的名字。ALU计算新的数据和地址值。下⾯是⼀些简单操作的例⼦，CPU在指令的要求下可能会执⾏这些操作。

处理器看上去是它的指令集架构的简单实现，但是实际上现代处理器使⽤了⾮常复杂的机制来加速程序的执⾏。因此，我们将处理器的指令集架构和处理器的微体系结构区分开来；指令集架构描述的是每条机器代码指令的效果；⽽微体系结构描述的是处理器实际上是如何实现的。

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