探析计算机硬件的组成架构

【摘 要】计算机行业发展的越来越快，计算机技术在社会各行各业都得到了广泛的应用，给我们的生活带来的极大的便利。人们对于计算机的理解越来越多，对于计算机的要求也越来越高。对于掌握计算机基本的知识也至关重要。计算机分为软件和硬件两大板块，而硬件是保障软件实施的前提。在对于认识计算机硬件知识的基础上，将从计算机的工作原理，硬件组成和技术方法等三个方面对计算机硬件知识体系的组成架构进行分析。

【关键词】计算机硬件;硬件组成;组成架构

社会的发展，时代的进步，电子行业发展非常迅速。计算机的硬件水平也得到了快速发展，通过回顾计算机硬件的发展，由原来的电子管数字计算机，晶体管数字计算机，集成电路数字计算机再到大规模集成电路数字计算机。计算机硬件作为计算机技术的重要组成部分，不仅需要了解计算机硬件的基本组成及功能，更需要去理解。从计算机硬件组成以及组成架构，对计算机硬件作出深入的分析与诠释。

1 计算机基本硬件组成及简单介绍

计算机硬件的组成可分为：中央处理器、存储器、输入设备、输出设备。

1）中央处理器：它是计算机中的大脑，是计算机中的核心平配件，是由运算器和控制器组成，负责解释、执行计算机基本指令，完成计算机对各种信息的加工处理。

2）存储器：它是计算机系统内的最重要的记忆装置，它既能接受计算机内的数据和程序，又能保存数据和程序，还可以根据命令读取已保存的数据和程序。根据与CPU的接近程度，存储器还可以划分内存储与外存储，简称内存与外存。内存储器又被称为主存储器，属于计算机系统的组成部分;外存储器被称为辅助存储器，属于外部设备。

3）输入、输出设备：将信息输入到计算机中的设备叫做输入设备。比如：键盘，鼠标是最基本的输入设备。像数码相机，麦克风，摄像头等也属于输入设备。具有输出计算机结果和数据显示等功能的设备叫做输出设备。比如：显示器，打印机等。在有些特定的情况下计算机也可以作为输出设备，当计算机和网络连接后，它成网络终端，这个时候计算机就是输出设备。

2 计算机硬件知识的组成架构

计算机硬件架构指的是计算机硬件的程序执行处理结构，软件程序的运行是建立在硬件架构的基础上的。计算机硬件技术是依据的工作原理，包括计算机系统结构和组成原理的相关知识，计算机硬件技术核心是一系列的组成结构知识，包含了对于计算机组成原理，数字逻辑和计算机系统结构的有关知识。

实现从理论到现实的思想，计算模型这一理论概念，通过对计算过程的程序与驱动，过程表达的指令与执行等的认识，能够比较容易的对如何控制机器中的器件进行理解。组成结构的知识系列，构建这一系列依据的是从部分到整体的思想，机器系统中的最小的组成单元就是逻辑原件，通过对功能部件，逻辑原件等的组成结构和功能的认识，就能比较容易的理解整个及其系统的组成结构和功能设计。

总线：

计算机硬件之间的连接线路分为网状结构与总线结构，我们把计算机硬件分为CPU，内存条，鼠标，键盘，它们之间的工作关系是通过这些总线联系在一起的。

总线是连接计算机系统内不同组件的电子线路，在其传送着各种各样的信号。以此总线操作所能够传输的若干字节组成一个字，那么其位（bits）的数量就称为字长。

总线宽度是衡量计算机系统结构的重要指标，它的宽度越宽，一次总线操作所能传输的信息就越多，系统的性能也就也优良。通常的，越靠近CPU的总线，其速度也就越快，而远离CPU的，速度也就越慢。

一般来说，在总线上要传递三种类别的信息：控制信息，地址信息和数据信息，所以一般也就有控制总线，地址总线和数据总线的区分了。

I/O

为了在计算机系统中正确的驱动外设，单单给应控制器内寄存器编址是不够的，还需要考虑以何种策略去访问这些外设，以达到最佳的性能。从程序角度看，I/O操作也许只是数条I/O指令的执行。但其下隐藏着非常多的判断与等待。所以，I/O操作其实有它自己的复杂性，它会影响CPU对其他指令的执行。这种影响多半取决于外设操作数据的速度，以及所操作数据的多少。根据此两点有采用不同的策略。

1）程序轮询方式

指CPU在进行某个操作前，需要不断的查询外设的状态。若果外设没回应，就不断的询问，直到外设准备好为止。这种方式虽然处理上非常简单，但是浪费了很多的时间。

2）中断通知方式

和程序轮询方式不同，中断通知方式是在外设准备好后，主动给CPU发送一个电子信号，用来通知CPU。这种方式，将CPU从原来的不断的轮询中解放出来，这样CPU就可以做别的事情，同时也让总线不再服务于CPU的轮询而改之，服务于总线上的其他器件去了，所以这种方式比较好。

3）DMA方式

较之程序轮询方式，中断通知方式将CPU从无尽的查询中解脱出来，但是外设数据的输入输出也都还是经CPU控制来进行。比方要从外设读入是个字到内存，则一般是一个字一个字读，每次操作至少由两条指令构成：

1）一条指令将控制器内数据寄存器中的值读到CPU内部的寄存器中;

2）另一条指令负责将CPU寄存器中的值转存到主内存中去;

为了将CPU再一次的从繁重却不太重要的I/O操作中解脱出来，系统设计者设计了一种特殊的硬件逻辑：Direct Memory Access，即内存访问。所谓DMA，是指让外设有能力直接从主存中读取内容，或者直接将数据写入主存，而不需要CPU的从中协助。

物理地址空间：

计算机系统要想通过外设去和外界交互，CPU就必须访问各个外设控制器内的不同寄存器，所以谈论物理地址空间，可以包含两个部分，及内存物理地址空间和I/O地址空间。

不同架构处理器对物理地址空间的实现上，基本上有两种实现方式。

1）将物力内存单元和I/O寄存器统一编址形成一个单独的，完整的地址空间。

2）将物理内存单元和I/O端口分开编址，形成两个独立的，互不干涉的地址空间。

为了在计算机系统中正确的驱动外设，单单给对应控制器内寄存器编址是不够的，我们还需要考虑以何种策略去访问这些外设，达到最佳性能。程序是由一系列指令构成的。在这些指令中，做I/O的指令只占很少一部分，其它大部分指令的工作都是运算或者逻辑操作，所以考虑以什么策略去执行这些指令。考虑不好，就会影响其他大部分指令的执行，进而影响整个系统的效率。

外部设备：

外部设备则是整个计算机系统用于和外界交流的工具，在典型计算机系统中，控制器是一系列芯片，要么位于主板上，要么嵌在外设内部;而适配器则通常是插在主板PCI插槽中的设配卡。不管是控制器还是适配卡都是为了完成在I/O总线和外设之间完成数据的输入输出。在这些控制器内部，有三种类别的寄存器，用以完成输入输出功能：

1）状态寄存器用以表示外设的当前状态，如是（下转第113页）（上接第109页）否出错。

2）控制寄存器用以控制选择外设的不同操作模式。

3）数据寄存器用以暂存输入输出数据。

总线上每一个控制器的这些寄存器，都应该能被CPU所访问。

3 结束语

计算机的不断更新与发展，它的硬件设备也在逐渐的去完善，对它的技术要求也越来越精湛。只有对计算机硬件的组成有更加深入的了解和认识，才能去把握好计算机未来的走向，让计算机的性能和效率也可以得到更大的提高。

【参考文献】

[1]赵志瑛，张朝霞.《计算机组成原理》”任务驱动”模式教学改革探讨[J].山西教育，2010，11.

[2]余云会.计算机硬件技术的探讨[J].电脑编程技巧与维护，2012，10.

[责任编辑：杨玉洁]

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