计算机硬件的基本组成包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分。运算器和控制器集成在一起称为CPU。

1. 运算器(Arithmetic and Logic Unit,ALU)是对数据进行加工处理的部件，它既能完成算术运算又能完成逻辑运算，所以称为算术逻辑单元。
2. 控制器的主要功能是从主存中取出指令并进行分析，以控制计算机的各个部件有条不紊地完成指令的功能。
3. 存储器主要由称为内存和外存的存储部件组成，为了提高整个系统的运行速度，计算机中往往还要设置寄存器、高速缓存等存储器
4. 输入/输出设备是计算机系统与外界交换信息的装置,一般通过总线和接口将主机与 IO 设备有机地组合在一起。

1. 总线

总线是连接多个设备的信息传送通道，实际上是一组信号线。广义地讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。总线通常分为以下几类：

1. 芯片内总线。用于集成电路芯片内部各部分的连接。
2. 元件级总线。用于一块电路板内各元器件的连接。
3. 系统总线，又称内总线。用于计算机各组成部分(CPU、内存和接口等)的连接。
4. 外总线，又称通信总线。用于计算机与外设或计算机与计算机之间的连接或通信。

1.1 系统总线

系统总线(System Bus)是微机系统中最重要的总线，对整个计算机系统的性能有重要影响。CPU 通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过系统总线，实现将 CPU 内数据写入外设，或由外设读入 CPU。按照传递信息的功能来分，系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线。

系统总线的性能指标主要有带宽、位宽和工作频率等。

1. 系统总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每秒钟传送的最大稳态数据传输率。
2. 系统总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。
3. 总线的工作时钟频率以 MHz为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。
   之间关系：总线的带宽=总线的工作频率*总线的位宽/8。

常见总线类型：

1. ISA总线。ISA 总线主要包括 24 条地址线，16 条数据线，以及控制总线(内存读写、接口读写、中断请求、中断响应、DMA 请求和 DMA 响应等)，±5V、±12V 电源和地线等。
2. EISA总线。
3. PCI总线。
4. AGP（Accelerated Graphics Port,图形加速端口） 北桥芯片
5. PCI Express总线。

1.2 外总线

外总线的标准有七八十种之多，此处简单介绍几种。

1. RS-232C。RS-232C 是一种串行外总线，其主要特点是:传输线比较少，最少只需 3条线(一条发、一条收、一条地线)即可实现全双工通信。传送距离远，用电平传送为 15m,电流环传送可达千米。有多种可供选择的传送速率，具有较好的抗干扰性。
2. RS-485。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。
3. SCSI。小型计算机系统接口(Small Computer System Interface，SCSI)是一种并行外总线，广泛用于连接软硬磁盘、光盘和扫描仪等。该接口总线早期是 8位的，后来发展到 16位、32 位。Ultra320 SCSI 单通道的数据传输速率最大可达 320Mb/s，如果采用双通道 SCSI控制器可以达到 640Mb/s。
4. USB。通用串行总线是 1994年底由 Compag、IBM 和 Microsoft 等众多公司联合提出的，目前得到广泛应用，USB 接口已经成为计算机硬件系统的基本配置。USB1.0有两种传送速率:低速为 1.5Mb/s，高速为 12Mb/S。USB2.0 的传送速率为 480MbS。USB 最大的优点是支持即插即用并支持热插拔。
5. IEEE-1394。IEEE-1394也是一种串行数据传输协议，支持即插即用并支持热插拔，与USB 相比速度更快,主要用于音频、视频等数据的传输。EEE-1394 理论上可以连接 64 台设备，传输速率有 100Mb/s、400Mb/s、800Mb/s、1600Mb/s、3.2Gb/s 等规格。

2. 中央处理单元

CPU 是计算机工作的核心部件，用于控制并协调各个部件，其基本功能如下所述。

1. 指令控制。CPU 通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是 CPU 的重要职能。
2. 操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。
3. 时序控制。CPU通过时序电路产生的时钟信号进行定时，以控制各种操作按照指定的时序进行。
4. 数据处理。在 CPU 的控制下完成对数据的加工处理是其最根本的任务。另外，CPU 还需要对内部或外部的中断(异常)以及DMA 请求做出响应，进行相应的处理。

2.1 CPU组成

CPU主要由运算器、控制器（Control Unit, CU）、寄存器组和内部总线组成。

运算器

运算器(简称 ALU)主要完成算术运算和逻辑运算，实现对数据的加工与处理。不同的计算机的运算器结构不同，但基本都包括算术和逻辑运算单元、累加器(AC)、状态字寄存器(PSW)、寄存器组及多路转换器等逻辑部件。
IR:指令寄存器，保存当前正在执行的寄存器。
寄存器组：用于暂存操作数或数据的地址。
PSW（Program Status Word）:状态字寄存器，用于存放算术、逻辑运算过程中产生的状态信息。
AC：累加器，用于暂存运算结果以及向ALU提供运算对象。

控制器

控制器的主要功能是从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出的指令送入指令寄存器，启动指令译码器对指令进行分析，最后发出相应的控制信号和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊地工作，以完成指令所规定的操作。
控制器由程序计数器(简称 PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器、状态字寄存器(PSW)、时序产生器和微操作信号发生器组成，如图所示。

其主要作用：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件、状态字寄存器、微操作信号发生器。
执行指令的过程分为以下步骤：

1. 取指令。控制器首先按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令。
2. 指令译码。将指令的操作码部分送指令译码器进行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令。
3. 按指令操作码执行。根据指令译码器分析指令产生的操作控制命令以及程序状态字寄存器的状态，控制微操作形成部件产生一系列 CPU 内部的控制信号和输出到 CPU 外部的控制信号。在这一系列控制信号的控制下，实现指令的具体功能。
4. 形成下一条指令地址。若非转移类指令，则修改程序计数器的内容;若是转移类指令则根据转移条件修改程序计数器的内容。

寄存器组

寄存器是 CPU 中的一个重要组成部分，它是 CPU 内部的临时存储单元。寄存器既可以用来存放数据和地址，也可以存放控制信息或 CPU 工作时的状态。在 CPU 中增加寄存器的数量,可以使 CPU 把执行程序时所需的数据尽可能地放在寄存器中,从而减少访问内存的次数,提高其运行速度。但是，寄存器的数目也不能太多，除了增加成本外，寄存器地址编码增加还会增加指令的长度。CPU 中的寄存器通常分为存放数据的寄存器、存放地址的寄存器、存放控制信息的寄存器、存放状态信息的寄存器和其他寄存器等类型。

1. 累加器 AC
2. 通用寄存器组
3. 标志寄存器 PSW
4. 指令寄存器 IR
5. 数据缓冲寄存器 MDR
6. 地址寄存器 MAR
7. 堆栈寄存器、变址寄存器、段寄存器等

内部总线

CPU内部总线将运算器、控制器和寄存器组等连接在一起。

2.2 多核处理器

CPU 中最重要的组成部分称为内核或核心(Die)，核心是由单品硅以一定的生产工艺制造出来的，PU 中所有的计算、接收/存储命令、处理数据都由核心执行。
双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力。
CPU 制造商 AMD 和 Intel 的双核技术在物理结构上有很大不同。AMD 将两个内核做在一个品元上，通过直连架构进行连接，集成度更高。ntel则是将放在不同品元上的两个内核封装在一起，因此人们将 Imtel 的方案称为“双芯”，而将 AMD 的方案称为“双核”。

3. 存储系统

3.1 分类

按存储器所在位置可分为内存和外存；
按构成存储器的材料可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器；
按工作方式可分为读写存储器RAM和只读存储器ROM；
按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器；
按寻址方式可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

3.2 层次结构

不同的存储器，通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系。一般情况下，计算机的存储体系结构可用图 所示的三级结构进行描述。其中高速缓存(Cache)的速度最快，其次是主存储器(MM)，处于最底层的辅助存储器(外存储器)速度最慢。若将CPU内部的寄存器也看作存储器的一个层次，则可将存储系统分为 4层结构。

3.3 主存储器

主存储器简称为主存、内存，设在主机内或主机板上，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向 CPU 提供信息。相对于外存，其特点是容量小速度快。一般由RAM和ROM这两种方式的存储器组成。
主存储器主要由存储体、控制线路、地址寄存器、数据寄存器和地址译码电路等部分组成,如图所示。

对主存的操作分为读操作和写操作。读出时，CPU把要读取的存储单元的地址送入地址寄存器，经地址译码线路分析后选中主存的对应存储单元，在控制线路的作用下，将被选存储单元的内容读取到数据寄存器中，读操作完成;写入时，CPU将要写入的存储单元的地址送入地址寄存器，经地址译码线路分析后选中主存的对应存储单元，在控制线路的作用下，将数据寄存器的内容写入指定的存储单元中，写操作完成。

• 主要性能指标：内存容量、存储时间、带宽、可靠性。

3.4 高速缓存

高速缓存(Cache)用于对存储在主存中、即将使用的数据进行临时复制。Cache 的出现首先是由于 CPU 的速度和性能提高很快而主存速度较低且价格高,其次就是程序执行的局部性特点。即在一段较短的时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。具体表现为时间局部性和空间局部性。时间局部性是指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行;如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后。其附近的存储单元也将被访问。因此，将速度比较快而容量有限的静态存储器芯片构成 Cache,以尽可能发挥 CPU 的高速度，并且用硬件来实现 Cache 的全部功能。

Cache 的主要特点为:

1. Cache 位于 CPU 和主存之间，容量较小，一般在几千字节到几兆字节之间。
2. 速度一般比主存快 5~10 倍，由快速半导体存储器制成。
3. 其内容是主存内容的副本(频繁使用的RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址),对程序员来说是透明的。

由控制部分和存储器部分组成。

3.5 外存储器

1. 磁盘存储器
2. 硬盘
3. 光盘
4. USB移动硬盘

3.6 云存储

云存储是一种服务，是在云计算概念上延伸和发展出来的，是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。

4. 输入/输出技术

输入/输出(Imput/Output，I0)系统是计算机与外界进行数据交换的通道。主机和 IO 设备间不是简单地用系统总线连接起来就可以，还需要进行控制。随着计算机技术的发展，IO设备的种类越来越多，其控制方式各不相同，很难做到由 CPU 来统一控制和管理，各设备的数据格式和传输率差异较大，所以需要一个 IO 系统负责协调和控制 CPU、存储器和各种外部设备之间的数据通信。

4.1 接口的功能和分类

接口是指两个相对独立子系统之间的相连部分，也常被称为界面。由于主机与各种 IO 设备的相对独立性，它们一般是无法直接相连的，必须经过一个转换机构。用于连接主机与 IO 设备的这个转换机构就是 IO 接口电路，简称 IO 接口，如图所示。

• 接口功能：

1. 地址译码功能。由于一个计算机系统中连接有多台 IO 设备，相应的接口也有多个，为了能够进行区别和选择，必须给它们分配不同的地址码，这与存储器中对存储单元编址的道理是一样的。
2. 在主机与 IO 设备间交换数据、控制命令及状态信息等。
3. 支持主机采用程序查询、中断和 DMA 等访问方式。
4. 提供主机和 IO 设备所需的缓冲、暂存和驱动能力，满足一定的负载要求和时序要求。
5. 进行数据的类型、格式等方面的转换。

• 分类：并行接口和串行接口；同步接口和异步接口；程序查询接口、中断接口、DMA接口等

4.2 主机和外设间的连接方式

在不同的计算机系统中，主机与 IO 设备之间的连接模式可能不同，常见的有总线型、星型、通道方式和 IO 处理机方式等，其中总线方式是互连的基本方式，也是其他连接模式的基础。

4.3 编址方式

1. 与内存单元统一编址。将IO 接口中有关的寄存器或存储部件看作存储器单元，与主存中的存储单元统一编址。这样，内存地址和接口地址统一在一个公共的地址空间里，对IO接口的访问就如同对主存单元的访问一样。
2. IO 接口单独编址。通过设置单独的 IO 地址空间，为接口中的有关寄存器或存储部件分配地址码,需要设置专门的 IO 指令进行访问。这种编址方式的优点是不占用主存的地址空间,访问主存的指令和访问接口的指令不同，在程序中很容易使用和辨认。

4.4 交换数据的方式

• 直接程序控制
  直接程序控制方式的主要特点是 CPU 直接通过 IO 指令对 IO 接口进行访问操作,主机与外设之间交换信息的每个步骤均在程序中表示出来，整个的输入/输出过程是由 CPU 执行程序来完成的，具体实现时可分为两种方式:立即程序传送方式和程序查询方式。

• 中断方式
  中断是这样一个过程:在 CPU 执行程序的过程中，由于某一个外部的或 CPU 内部事件的发生，使 CPU 暂时中止正在执行的程序，转去处理这一事件，当事件处理完毕后又回到原先被中止的程序，接着中止前的状态继续向下执行。这一过程就称为中断。
  引起中断的事件就称为中断源。若中断是由 CPU 内部发生的事件引起的，这类中断源就称为内部中断源;若中断是由 CPU 外部的事件引起的，则称为外部中断源。

• 直接存储器存取方式
  直接存储器存取(Direct Memory Access，DMA)方式的基本思想是通过硬件控制实现主存与 IO 设备间的直接数据传送，数据的传送过程由 DMA 控制器(DMAC)进行控制，不需要 CPU 的干预。在 DMA 方式下，由 CPU 启动传送过程，即向设备发出“传送一块数据”的命令，在传送过程结束时，DMAC通过中断方式通知CPU进行一些后续处理工作。

• 通道控制方式
  通道是一种专用控制器，它通过执行通道程序进行 I0 操作的管理，为主机与 IO 设备提供一种数据传输通道。用通道指令编制的程序存放在存储器中，当需要进行 IO 操作时，CPU只要按约定格式准备好命令和数据，然后启动通道即可，通道则执行相应的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成较复杂的 IO 管理和预处理，从而在很大程度上将 CPU 从繁重的 IO 管理工作中解脱出来，提高了系统的效率。