计算机系统的硬件组成

总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。

通常总线被设计成传送定长的字节快，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数，各个系统都不尽相同。现在的大多数机器字长要么是 4 个字节（32 位），要么是 8 个字节（64 位）。

I/O 设备

I/O（输入/输出）设备是系统与外部世界的联系通道。上述图片中包含 4 个 I/O 设备：

1. 作为用户输入的鼠标和键盘；
2. 作为用户输出的显示器；
3. 用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单来说就是磁盘）；
4. 留待一些网络适配器一类设备使用的扩展设备槽。

每个 I/O 设备都通过一个控制器或适配器与 I/O 总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于它们的封装方式：

1. 控制器是 I/O 设备本身或者系统的主印制电路板（通常称作主板）上的芯片组；
2. 适配器则是一块插在主板槽上的卡。

无论如何，它们的功能都是在 I/O 总线和 I/O 设备之间传递信息。

主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。

• 从物理上来说，主存是有一组随机动态存取存储器（DRAM）芯片组成。
• 从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引），这些地址是从零开始的。
• 一般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。比如 C 语言，变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的。比如在运行 Linux 的 x86-64 机器上，short 类型的数据需要 2 个字节，int 和 float 类型需要 4 个字节，而 long 和 double 类型需要 8 个字节。

处理器

中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释（或执行）存储在主存中指令的引擎。

处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备（或寄存器），成为程序计数器（PC）。在任何时刻，PC 都指向主存中的某条机器语言指令（即含有该条指令的地址）。

从系统通电开始，直到系统通电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的，这个模型是由指令集架构决定的。在这个模型中，指令按照严格的顺序执行，而执行一条指令包含执行一系列的步骤。处理器从程序计数器指向的内存处读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的简单操作，然后更新 PC，使其指向下一条指令，而这条指令并不一定和在内存中刚刚执行的指令相邻。

寄存器文件是一个小的存储设备，由一些单个字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。

算术/逻辑单元（ALU） 计算新的数据和地址值。

CPU 在指令的要求下可能会执行如下操作：

• 加载：从主存复制一个字节或者一个字到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容；
• 存储：从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容；
• 操作：把两个寄存器的内容复制到 ALU，ALU 对这两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖该寄存器中原来的内容；
• 跳转：从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器（PC）中，以覆盖 PC 中原来的值。

处理器看上去是指令集架构的简单实现，但实际上现代处理器都使用了非常复杂的机制来加速程序的运行。

因此，我们将处理器的指令集架构和处理器的微体系结构区分：

1. 指令集架构描述的是每条机器代码指令的效果；
2. 微体系结构描述的是处理器实际上是如何实现的。