计算机结构中硬件有几部分_计算机硬件系统的五大基本构成「建议收藏」

计算机基本组成结构

1.冯诺·依曼结构

【1】冯诺·依曼结构的组成部分

• 输入、输出设备

• 输入设备：向计算机输入数据，比如通过摄像头、MIC，将图像/声音等转成二进制数据给计算机；从网卡输入数据给计算机等

• 输出设备：从计算机输出数据，比如通过显示器、扬声器，将二进制数据翻译成为图片/视频/声音等让人能够识别；或者通过网卡输出数据给别的计算机

• 存储器

• 实现程序和数据存储

• 运算器(ALU)

• 进行算术运算和逻辑运算

• 控制器

• 解释程序指令，将程序指令转为对应的一条一条的微指令，这些微指令会控制运算器等部件工作，进行比如数据的算术、逻辑运算；数据的搬移，比如从CPU的寄存器搬移到内存，或者从内存的某个位置搬移到内存的另一个位置。

【2】结构图

2.哈佛结构

与冯诺·依曼结构相对应的是哈佛结构，我们会在后面详细讲解这两种结构之间的异同和各自的优缺，为了便于讲解的方便，这边
还是以经典的冯诺·依曼结构为例，进行计算机组成结构的介绍。

3.计算机的详细结构

如果说我们将存储器划归到输入、输出设备里面去的话，计算机总体上可以分为三大块，即CPU，总线与接口、外部设备（输入输出设备）。

《一》详细结构图

《二》 各部分简述

CPU

【1】运算器：

• （ALU：Arithmetic Logic Unit），中文叫算术逻辑运算单元，进行算数运算和逻辑运算
• 作用：根据指令要求，对数字电信号的二进制数据，进行算术运算和逻辑运算，
• 运算器组成：

1.Ｃ标志位的应用举例：

• 计算13208　+　34535相加后的值；为了便于编程时好理解，我们先将这两个十进制的数，转为十六进制，即OX3398和0X86E7。
• 汇编实现这两个数的相加的大致步骤如下图所示。

2.Z标志位

• 比较两数是否相等，比如a=3，b=3，判断两数是否相等，写汇编程序实现时，实际上就是将两数相减(算术运算)，如果Z=1表示a-b的结果为零，说明a等于b，否则说明a不等于b。
• 但是有些同学可能会说，老师，我用C语言写的时候，是直接按照if(a == b)这种形式来写的，没有a-b的过程啊，这是高级语言的人性化的写法，但是编译器最后都会讲高级语言的程序编译成为汇编程序，汇编程序基本可以等价于机器指令了，汇编会按照之前描述的方式来判断两数是否相等。

3.V：溢出标志，有溢出，V=1，V=0

• 什么是溢出：
  比如一个32位的寄存器，自然只有32个bit，能装二进制数的最大情况就是32个1,即11111111 11111111 11111111 11111111，如果再往里面加一个1的话，就向第33位进位了，但是寄存器只有32位，不存在第33位，哪个进位并没有被记录，寄存器中的32个bit全都变成了是0，即00000000 00000000 00000000 00000000，这种类似的现象就是溢出。溢出会导致数值发生突变，这种数值的突变，可能会导致计算结果出现错误。

• 为什么要检查溢出？
  从上面的描述中，不难看出，溢出可能会带来一些不好的结果，因此溢出的检查是很有意义的，检查到溢出后就能提前准备应对措施。检查有无益处的方法就是检查V标志位，如果V被设置为了1,表示有溢出，否者就是没有溢出。

4.S标志位

• S：有时用N表示，意思是当两个有符号数进行运算时，如果结果为负数，S就被设置为1，如果结果为零或者正数的话，S就被设置为0。

• 应用举例：比较a、b两数的大小，写成程序的话，我们会让两个数做减法运算，然后检查标志位S，如果S=1：表示减法的结果是一个负数，说明a<b；S=0：则表明减法结果为0或者正数，说明a大于或者等于b，这个时候需要在查询Z标志位，如果Z标志位为1，表示a等于b，否则说明a大于b。

【2】 控制器

• 作用：最重要的功能就是进行指令译码，将指令转成微指令，再由微指令控制计算机各部件工作，比如控制ALU，让ALU进行数据的算术、逻辑运算；进行数据的移动，比如从CPU的寄存器移到内存中，或者从内存的某个位置搬移到内存的另一个位置等。

• 控制器是用于控制和协调整个计算机的动作控制中心，最核心的功能是将每条程序指令解释为微指令，再由微指令控制计算机各部件做要求的动作，从而让计算机按照程序安排的任务进行工作。

MOV
指令	101001   1001010101 
         操作码  地址码

总线与IO接口

总线与接口的作用就是，将CPU和外部设备连接在一起

【1】三大高速总线

• 作用：高速通信线路，相当于CPU的高速公路

• 同学疑问，三大高速总线干嘛不合成一个？

• 合在一起不是不行，但是合成一个的话会忙不过来的，通信的速率会非常低，分成三条总线就好比将高速公路分成三个车道，不同车走不同的车道，互不相干。为了提高通信的效率，三大高速总线是并行通信的

• 三大高速总线位于CPU内部，通过CPU引脚引出后，与外部的IO桥连接在一起。

• 地址、数据、控制线相互配合工作，地址、数据、控制线，在技术上是如何做到只操作想操作哪个字节就操作哪个字节，为什么其它没被选中的内存直接为高阻态是不受影响的，这就要涉及到我们数字电路里面所学的三态门的工作原理。

【2】外设IO接口

• 作用：负责连接各种的输入、输出外部设备

• 每一个设备都会对应有一个自己的外设IO接口

• 外设io接口也分为了地址、数据、控制线，只是不少设备IO接口的地址、数据、控制线是复用，比如以USB为例，有4根线，其中两根是正极和负极电源线，其它两根线被复用当作地址、数据、控制线使用，所谓复用就是一线多用。

• 不过内存不一样，为了能够提高内存的访问速度，因此内存io接口的地址、数据、控制线都是独立的，而且是还是并行的（上图解释有误，是并行不是串行）。

【3】IO桥

• 可以不用IO桥吗
  可以，如果没有IO桥，所有的“外设IO接口”都是直接挂接在三大高速总线上的，但是随着发展，挂接的外部设备越来越多，直接挂接在总线上，太多了，管理是一个麻烦，慢慢的才有了IO桥这个管理者。

• IO桥的好处
  设备的IO接口直接挂接在IO桥上，IO桥有效的管理着众多的外设IO接口，IO桥里面会有相应的控制芯片，控制IO桥的工作。

• 南桥和北桥
  IO桥分为了南桥和北桥，南桥由南桥芯片负责，北桥由北桥芯片负责，南北桥之间有线路将其连接在一起。

• 并不是计算机都需要IO桥
  IO桥是PC机特有的，并不是所有的计算机都有的，比如我们的ARM的开发板，就没有明显的IO桥这个东西。
• io桥所处的位置
  io桥指的就是南桥和北桥芯片，位于CPU芯片的外部，在电路板上。

外部设备

【1】哪些是外部设备

• 只要是挂接在外设IO接口上的都是外部设备，与设备所在计算机中的位置没有关系，外部设备大致分为三类。

【2】外部设备在计算机中所处的位置

• 片内外设：
  集成在芯片内部的就是片内外设，只是像PC这种计算机，所使用的CPU是一个独立芯片，很少集成片内外设，外设都在芯片的外部。

• 片外外设：
  芯片外部的就是片外外设。

【3】输入设备

【4】输出设备

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