計算機系統的硬件組織詳細概述

為了解在計算機系統中，程序是如何運行的，首先需要了解計算機系統的硬件組織。

1、總線

總線是貫穿整個系統一組電子管道，它攜帶信息字節并負責在各個部件間傳遞。通?？偩€被設計成傳送特定長的字節塊，也就是字（word）。字中的字節數是一個基本的系統參數，各個系統中都不盡相同。如32位操作系統一個字長是4個字節，64位操作系統一個字長是8個字節。

位（bit），音譯為“比特”，表示二進制位。位是計算機內部數據儲存的最小單位。

字節（byte） ，計算機中數據處理的基本單位，通常情況下一字節等于8位。

字 （word），計算機進行數據處理時，一次存取、加工和傳送的數據長度稱為字。一個字通常由一個或多個（一般是字節的整數位）字節構成。

2、I/O設備

I/O（輸入/輸出）設備是系統與外部世界的聯系通道，通常包括：

用戶輸入的鍵盤和鼠標；

用戶輸出的顯示器；

長期存儲數據和程序的磁盤驅動器（磁盤）；

網絡設備等。

每個I/O設備都通過一個控制器或適配器與I/O總線相連?？刂破骱瓦m配器的區別主要在于它們的封裝方式?？刂破魇荌/O設備本身或者主板上的芯片組；適配器則是一塊插在主板槽上的卡。它們的功能都是在I/O總線和I/O設備之間傳遞信息。

3、主存

主存是一個臨時存儲設備，在處理器執行程序時，用來存放程序和程序處理的數據。從物理上來說，主存是由一組動態隨機存取存儲器（DRAM）芯片組成；從邏輯上來說，存儲器是一個線性的字節數組，每個字節都有其唯一的地址（數組索引），這些地址是從零開始的。

一般來說，組成程序的每條機器指令都由不同數量的字節構成。與C程序變量相對應的數據項的大小是根據類型變化的，比如在x86-64機器上 ，short類型的數據需要2個字節，int和float類型需要4個字節，而long和double類型需要8個字節。

4、處理器

處理器CPU是解釋或執行存儲在主存中指令的引擎。處理器的核心是一個大小為一個字的存儲設備（或寄存器），成為程序計數器（PC）。在任何時刻，PC都指向主存中的某條機器語言指令（即含有該條指令的地址）。

從系統通電開始，直到系統斷電，處理器一直在不斷地執行程序計數器指向的指令，再更新程序計數器，使其指向下一條指令。處理器看上去是按照一個非常簡單的指令執行模型來操作的，這個模型是由指令集架構決定的。在這個模型中，指令按照嚴格的順序執行，而執行一條指令包含執行一系列的步驟。處理器從程序計數器指向的內存處讀取指令，解釋指令中的位，執行該指令指示的簡單操作，然后更新PC，使其指向下一條指令，而這條指令并不一定和內存中剛剛執行的指令相鄰。

這樣的簡單操作并不多，它們圍繞著主存、寄存器文件和算數/邏輯單元進行。寄存器文件是一個小的存儲設備，由一些單個字長的寄存器組成，每個寄存器都有唯一的名字。算數/邏輯單元計算新的數據和地址值。CPU在指令的要求下可能會執行下面這些操作。

加載：從主存復制一個字節或一個字到寄存器，以覆蓋寄存器原來的內容。

存儲：從寄存器復制一個字節或一個字到到主存的某個位置，以覆蓋這個位置上原來的內容。

操作：把兩個寄存器的內容復制到ALU，ALU對這兩個字做算術運算，并將結果存放到一個寄存器中，以覆蓋該寄存器原來的內容。

跳轉：從指令本身中抽取一個字，并將這個字復制到程序計數器中，以覆蓋PC中原來的值。

處理器看上去是它的指令集架構的簡單實現，但實際上現代處理器使用了非常復雜的機制來加速程序的執行。