计算机硬件结构概述

学习编程语言，首先需要需要了解计算机硬件组成结构，因为编程语言编写的程序，最终需要在计算机中运行。计算机与程序间属共生关系，二者相互依存，互利共赢，没有程序，计算机如同没有生命一堆废铜烂铁，没有计算机，程序像是无用武之地的英雄，失去存在的意义。所以，了解计算机硬件组成结构是学习编程语言的基础。

从数据的输入到处理完成后输出来看，计算机主要由 I/O 设备、总线、主存与*处理器组成：

1.I/O设备

I/O设备(Input/Output Device)是计算机用于输入和输出的设备，主要分为字符设备、块设备和网络通信设备。

(1)字符设备(Character Device)，又称为人机交互设备。用户通过这些设备实现与计算机系统的通信。它们大多以字符为单位传输数据，通信速度较慢。常见的有键盘、鼠标、显卡、显示器、打印机和扫描仪等，还有早期的卡片和纸带输入输出机。

(2)块设备(Block Device)，又称为外部存储器。用户通过这些设备实现程序和数据的长期保存。与字符设备相比，它们以块为单位进行传输，传输速度较快。常见的有磁盘、U盘、磁带和光盘等。

(3)网络通信设备。这类设备主要有网卡、调制解调器等，主要用于与远程设备间的通信。这类设备的传输速度比字符设备快，比块设备慢。

I/O设备是计算机与外界通信的通道，通过控制器或适配器与I/O总线连接。控制器与适配器的主要区别在于封装方式，控制器是I/O设备或计算机主板上的芯片组，用于翻译CPU指令为设备可识别的控制信号。而适配器是一个独立的外部设备，用于I/O设备与计算机间数据协议的转换。二者在功能上是相同的，通过I/O总线，实现I/O设备与计算机间的为通信。

通俗来讲，I/O设备与人体的某些器官很类似。人每天工作生活，其实很像计算机的工作过程，从外界获取信息、加工，然后作出反应。计算的工作过程也是如此，通过输入设备获取信息，计算处理后，将结果输出。所以，计算的鼠标、键盘、扫描仪，类似与人体的眼、鼻、耳，来获取信息，打印机类似于人体的手脚，将信息加工后塑造出来。比如画家看到一幅美丽的山水景色，用双手创作出惊艳的图画。

2.总线

总线(Bus)，又称为系统总线(System Bus)，是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，是由导线组成的传输线束。按照计算机所传输的信息种类，总线可以划分为数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)和控制总线(Control Bus)，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

总线是一种内部结构，它是CPU、内存、I/O设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。通俗来讲，如果将计算机主板比作一座城市，那么总线就是这座城市的交通线路，交通线路根据运行的不同类型的交通工具，可分为汽运公路、航运水路、铁路干线等。每条交通线路同时能够运行的交通工具的数量是有限的，比如拥有4个车道的公路，则同时并行运行的车辆最多为4辆，这种有限的运输能力类似于总线的位宽，总线的带宽(总线数据传输速率)等于“总线的工作频率*总线的位宽/8”，单位字节/秒(B/s)。比如数据总线的工作频率是1MHz，位宽64Bit，那么数据总线的带宽是8MB/s，即数据总线每秒最大可传输8MB的数据。

3.主存

主存又名主存储器(Main Memory)，是一个临时存储设备，用于存储程序和所需的数据，由*处理器(CPU)随机存取。物理构成上，主存由一组动态随机存储器(DRAM)芯片组成，逻辑上，主存是一个线性字节数组，每个字节有一个独立的地址。

现代计算机，为兼顾性能与成本，往往采用多级存储体系。即由CPU寄存器、高速缓冲存储器(Cache，存储容量小、存取速度快、成本高)、主存储器(容量、速度与成本折中)和磁盘(低价、容量大但速度较慢)，外加远程存储系统(速度慢但容量可以无限)，共同构成计算机的存储体系。

CPU寄存器是CPU的组成部分，存储一个字长的数据，字长表示CPU在一个时钟周期能够处理二进制数的位数。字长是由CPU中寄存器的位数决定，CPU可以在一个时钟周期内访问。高速缓存存储器一般会采用多级结构，基于SRAM构建，随着级数的递增，速度递减，容量递增，可以在多个时钟周期内访问。主存基于DRAM构建，容量大于缓存，低于磁盘，速度低于缓存，高于磁盘，可以在几十到几百个时钟周期内访问。接着是容量大但速度慢的磁盘，访问一次需要几十万到几百万个时钟周期。对于远程的存储系统，需要借助网络传输，速度会更慢。

4.*处理器

*处理器(CPU，Central Processing Unit)，是一块超大规模集成电路，是计算机的运算和控制核心，其作用类似于人脑，负责对数据的加工处理和各种控制信号的下发。功能主要是解释执行计算机指令来完成计算。

*处理器主要包括算术逻辑运算单元(ALU，Arithmetic Logic Unit)、程序计数器(PC，Program Counter)、寄存器组、高速缓冲存储器(Cache)以及用于传输数据、控制及状态的总线(Bus)。

算术逻辑运算单元，顾名思义，执行各种算术和逻辑运算操作的部件，基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或、移位位运算，以及关系运算和逻辑运算等操作。程序计数器是CPU控制部件中的寄存器，用于存放下一条指令的地址。寄存器组包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。高速缓冲存储器是由SRAM组成的高速低容量存储器，用于缓存常用的指令与数据，最重要的技术指标是它的命中率。总线用于CPU与其它设备间传输信息。

计算机从开机开始，不停地从程序计数器中获取指令、分析指令、执行指令，然后更新程序计数器，指向下一条指令。CPU常见的操作包括：

(1)加载：如从主存复制一个字节或一个字到寄存器，用于后续运算;

(2)存储：如从寄存器赋值一个字节或一个字到主存;

(3)操作：把两个寄存器的内容复制到ALU进行算术运算，并将结果存放到另一个寄存器中;

(4)从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器，完成更新。