1.1.2 计算机硬件

从20世纪40年代计算机诞生以来，尽管硬件技术经历了四个发展阶段，计算机体系结构也取得了很大的发展，但绝大部分计算机的硬件基本组成仍然具有冯·诺依曼结构计算机的特征。冯·诺依曼结构计算机的基本思想主要包括以下几个方面。

• 采用“存储程序”工作方式。

• 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。

• 存储器不仅能存放数据，也能存放指令，数据和指令在形式上没有区别，但计算机应能区分它们；控制器能自动执行指令；运算器能进行加、减、乘、除4种基本算术运算，并且也能进行逻辑运算；操作人员可以通过输入/输出设备使用计算机。

• 计算机内部以二进制形式表示指令和数据；每条指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址；由一串指令组成程序。

计算机硬件主要包括中央处理器、存储器、外部设备和各类总线等。

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）有时简称为处理器，是整个计算机的核心部件，主要用于指令的执行。CPU主要包含两个基本部分：数据通路和控制器。数据通路（Data Path）主要用来执行算术和逻辑运算，以及寄存器和存储器的读/写控制等，其中，算术逻辑部件用来进行基本的算术和逻辑运算，ALU中最基本的部件是加法器，所有算术运算都可以基于加法运算和逻辑运算来实现。控制器（Controller）用来对指令进行译码，生成相应的控制信号，以控制数据通路进行正确的操作。

存储器分为内存和外存。内存包括主存储器（Main Memory，简称主存）和高速缓冲存储器（Cache）。因为早期计算机中没有Cache，所以一般情况下并不区分内存和主存，两者含义相同，都是特指主存储器。外存包括辅助存储器和海量后备存储器。通常把系统运行时直接与主存交换信息的存储器称为辅助存储器，简称辅存，目前主要的辅助存储器是磁盘存储器和固态硬盘；而磁带存储器和光盘存储器的容量大、速度慢，主要用于信息的备份和脱机存档，因此它们被用作海量后备存储器。

外部设备简称为外设，也称为I/O设备，其中，I/O是输入输出（Input/Output）的缩写。外设通常由机械部分和电子部分组成，并且两部分通常是可以分开的。机械部分是外部设备本身，而电子部分则是控制外部设备工作的I/O控制器或I/O适配器。外设通过I/O控制器或I/O适配器连接到主机上，I/O控制器或I/O适配器统称为设备控制器。例如，键盘接口、打印机适配器、显示控制卡（简称显卡）、网络控制卡（简称网卡）等都是设备控制器，属于I/O模块。

总线（Bus）是传输信息的介质，用于在部件之间传输信息，CPU、主存和I/O模块通过总线互连，在CPU和I/O模块中都包含相应的存储部件，即缓存器。

图1-1是一个典型计算机系统的硬件组成示意图。从图1-1可以看出，CPU中包含控制器、算术逻辑部件（ALU）、寄存器堆（Register File，也称通用寄存器组或寄存器文件）、总线接口部件等，CPU、主存储器和I/O模块之间通过总线交换信息，例如，处理器总线用来传输与CPU交换的信息，存储器总线用来传输与主存储器交换的信息，I/O总线用来传输与设备控制器交换的信息，不同总线之间通过I/O桥接器（I/O Bridge）相连。CPU通过处理器总线、I/O桥接器等与主存储器和I/O模块交换信息；主存储器通过存储器总线、I/O桥接器与CPU和I/O模块交换信息；I/O设备通过各自的设备控制器或适配器连到I/O总线上，例如，可以把鼠标和键盘连接到USB控制器的插口上，将显示器连接到显示适配器的插口上。在一个I/O总线上也可以设置多个I/O扩展槽，以连接更多的外设。