计算机硬件基本结构

L1i Cache250kb

I/O桥

L2 Cache 1MB

数

总线接口

数据

本地磁盘保存从远程服务器获取的文件

存储单元

CPU：中央处理单元

数据1

....

3.CPU执行指令，把结果写到高速缓存

段

磁盘控制器

图形适配器

键盘

本地磁盘

扩展槽，用于其它设备间I/O交互，如网络适配器

主存（DRAM）

ALU

core 1

进程

指令地址

L2高速缓存（SRAM）

4.中央处理器中央处理器（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。中央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。 

指令1

码

L2缓存保存从L3缓存获取的缓存行

4.高速缓存中的数据写回主内存

USB控制器

控

L1高速缓存（SRAM）

指令2

数据n

寄存器n

指令k

L2

制

寄存器

Thread 1

容量更小存储速度更快每个字节成本更高

CPU

L3 Cache6MB

2.指令和数据被加载到CPU的高速缓存

L1

容量更大存储速度更慢每个字节成本更低

元

L1d Cache250kb

CPU缓存通常分成三个级别：L1，L，L3；

代

主存保存从磁盘获取的磁盘块

core 0

寄存器1

USB：通用串行总线

L1缓存保存从L2缓存获取的缓存行

磁盘

CPU Cache

内存

指令n

每个核上有一个独立的L2缓存；L3缓存是容量最大最慢的一级被同一CPU上多核共享。

据

PC

ALU：算数/逻辑单元

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。 

CPU多级缓存结构

L1，是最接近CPU的，容量最小，每个核上拥有一个L1缓存，L1缓存分两类：数据存取L1d Cache(Data Cache)，指令存取L1i Cache(Instruction Cache)；

Thread 0

L3高速缓存（SRAM）

系统总线

CPU内部指令执行

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、主存与中央处理器组成，如下图所示：

远程存储系统（分布式系统、Web服务器、FTP服务器等）

PC：程序计数器

L3

CPU寄存器保存从缓存获取的字节

操作数地址

I/O总线

1.程序以及数据被加载到主存

数据2

显示器

寄存器文件

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。

带高速缓存CPU指令计算过程

控制指令

main memory

指令寄存器

总存储器

L3缓存保存从主存获取的缓存行

内存总线

CPU Intel(R) Core(TM) i5-8250U CPU @ 1.60GHz

指令计数器

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。

单

运算单元

鼠标

计算机硬件基本结构

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，由中央处理器（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。