计算机硬件系统基本组成

1. 计算机硬件系统基本组成

下图是一种计算机硬件系统的简化结构模型示意图，其中包含CPU、存储器、输入/输出（IO）设备和接口等功能部件，各部件之间通过系统总线相连接。

(1) CPU

CPU 是计算机硬件系统的核心部件，CPU的主要工功能是读取并执行指令，在执行指令过程中，它通过总线向系统中的各部件发出各种控制信息，收集各部件的状态信息，与各部件交换信息。
CPU由运算部件、寄存器组和控制器组成，它们通过CPU内部的总线相互交换信息。运算部件完成算术运算（定点数运算、浮点数运算）和逻辑运算。寄存器组用来存放数据信息和控制信息。控制器提供整个系统工作所需的各种微命令，这些微命令可以通过组合逻辑电路产生，也可以通过执行微程序产生，相应分别被称为组合逻辑和微程序控制方式。

(2) 存储器

存储器用来存储信息，包括程序、数据文档等。如果存储器的存储容量越大、存取速度越快，那么系统的处理能力就越强，工作速度也就越高。但是一个存储器很难同事满足大容量、高速度的要求，因此常将存储器分为主存、外存和缓存三级存储体。
主存用来存放CPU需要使用的程序和数据。主存的每个存储单元都有固定的地址，CPU可以按地址直接访问他们。因此要求主存的存取速度很快，但目前因技术条件的限制其容量优先，一般仅为GB级。通常将CPU和主存合称为主机，因主存于主机之内，故主存又常被称为内容。
外存位于主机之外，用来存放大量的需要联机保存但CPU暂不使用的程序和数据。需要时，CPU并不直接按地址访问它们，而是按文件名将它们从外存调入主存。因此外存的容量很大，但存取速度比主存慢，如磁盘、光盘和U盘都是常用的外存。
告诉缓存是为了提高CPU的访问速度，在CPU和主存之间设置的一级速度很快的存储器，容量较小，用来存放CPU当前正在使用的程序和数据。告诉缓存的地址总是与主存某一区间地址相映射，工作时CPU首先访问告诉缓存，如果未找到所需的内容，再访问主存。在现代计算机中，缓存是集成在CPU内部的，一般集成了两级Cache，高端芯片甚至集成了三级缓存。

(3) 输入/输出设备

输入设备将各种形式的外部信息转换为计算机能够识别的代码形式送人主机。常见的输入设备有键盘、鼠标等。输出设备将计算机处理的结果转换为人们所能识别的形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机等。
输入设备和输出设备都与主机之间传输数据，只是传输方向不同，因此常将输入设备和输出设备合称未输入/输出(Input/Out, I/O)设备。它们在逻辑划分上位于主机之外，又称为外围设备或者外部设备，简称外设。磁盘、光盘等外存既看成可存储系统的一部分，也看成具有存储能力的输入/输出设备。

(4) 总线

总线是一组能为多个部件分时共享的信息传输线。现代计算机普遍采用总线结构，用一组系统系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来，各部件通过这组总线交换信息。注意：任一时间只能允许一个部件或者设备通过总线发送信息，否则会引起信息碰撞；但允许多个部件同时从总线上接收信息。
根据系统总线上传送的信息类型，系统总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用来传送CPU和外设发向主存的地址码。数据总线用来传送CPU、主存以及外设之间需要交换的数据。控制总线用来传送控制信号，如时钟信号、CPU发现主存或外设的读/写命令和外设送往CPU的请求信号等。

(5) 接口

计算机系统采用确定的总线标准，每种总线标准规定了其地址线和数据线的位数、控制信号线的种类和数量等。但计算机系统所连接的各种外部设备并不是标准的，在种类与数量上是可变的。为了将标准的系统总线与各具特色的I/O设备连接起来，需要再系统总线与I/O设备之间设置了一些部件，它们具有缓冲、转换、连接等功能，这些部件就被称为I/O接口。
计算机的各种操作都可以归结为信息的传输。信息在计算机中沿着什么途径传输直接影响硬件系统结构。
我们将信息在计算机中的传输途径称为数据通路结构。因此，硬件系统结构的核心是数据通路结构。

(5.1)微型计算机的"南-北"桥经典架构

该模型基于Intel平台经典的“南-北”桥布局结构，从整体架构上看，北桥芯片组主要担当内存控制、视频控制和与CPU的交互；南桥芯片组负责控制外部设备的输入/输出，如键盘、鼠标、硬盘、网络等，还承担BIOS(Basic Input/Output System)的管理任务。北桥（也称主桥）与南桥之间通过DMI（Direct Media Interface）即直接媒体接口标准的总线相互连接，以形成“CPU-北桥-南桥-外设”这种模式信息传输的控制方式。
该模型中可能存在多种不同的总线，如FSB、DMI、PATA、PCI-E、USB、SATA等。

(5.2) 小型计算机的硬件体系架构

小型计算机往往侧重于以较低的硬件代价实现较强的系统功能，因此常用多组系统总线作为系统中各个部件互联的集成，如连接CPU、存储器和I/O接口，再通过接口连接外部设备。下图是惠普的双处理器小型机

双处理器机架式服务器总，两个处理器之间通过QPI（Quick Path Interconnect）总线互连。主处理器通过DMI总线与IntelC600系列芯片组互联。此外，芯片组提供14路USB2.0接口、SM（系统管理）总线、GPIO(General Purpose Input Output)即通用输入/输出端口、TMP安全控制芯片、Super I/O总线、普通PCI总线和4/8路宽带为3Gb/3的SAS(Serial attached SCSI)磁盘接口，以及8路PCI-E 2.0总线和PCI Express 卡插槽、无线局域网接口和传统的音频输出接口等。
Intel 600系列芯片组提供的接口、插槽、总线能对存储系统和外围设备进行扩展，构建一个高性能的企业级专用小型计算机服务器。