计算机硬件

术语“ 硬件”涵盖计算机中所有有形的物理对象。电路、计算机芯片、图形卡、声卡、内存（RAM）、母板、显示器、电源、电缆、键盘、打印机和“鼠标”输入设备都是硬件。

通用计算机具有四个主要组件：算术逻辑单元（ALU），控制单元，存储器以及输入和输出设备（统称为I / O）。这些部件通过总线互连，这些总线通常由成组的电线组成。在这些部件的每个内部都有成千上万的小型电路，这些电路可以通过电子开关断开或接通。每个电路代表一个信息位（二进制数字），因此，当电路接通时，它代表“ 1”，而当电路断开时，它代表“ 0”（以正逻辑表示）。电路布置在逻辑门，以便一个或多个电路可以控制一个或多个其他电路的状态。

当借助输入设备将未处理的数据发送到计算机时，数据将被处理并发送到输出设备。输入设备可以是手动的或自动化的。处理的行为主要由CPU调节。输入设备的一些示例是：

• 计算机键盘
• 数码相机
• 数字视频
• 图形输入板
• 影像扫描仪
• 游戏杆
• 麦克风
• 老鼠
• 覆盖键盘
• 实时时钟
• 轨迹球
• 触摸屏

计算机提供输出的方式称为输出设备。输出设备的一些示例是：

• 电脑显示器
• 打印机
• 电脑音箱
• 投影机
• 声卡
• 显卡

控制单元（通常称为控制系统或中央控制器）管理计算机的各种组件。它读取并解释（解码）程序指令，将其转换为激活计算机其他部分的控制信号。高级计算机中的控制系统可能会更改某些指令的执行顺序，以提高性能。

所有CPU共有的关键组件是程序计数器，它是一种特殊的存储单元（寄存器），用于跟踪要从中读取下一条指令的存储器中的哪个位置。

控制系统的功能如下-请注意，这是一个简化的描述，其中某些步骤可以根据CPU的类型同时执行或以不同的顺序执行：

1. 从程序计数器指示的单元中读取下一条指令的代码。
2. 将指令的数字代码解码为每个其他系统的一组命令或信号。
3. 递增程序计数器，使其指向下一条指令。
4. 从内存中的单元（或从输入设备）读取指令需要的任何数据。该所需数据的位置通常存储在指令代码中。
5. 提供必要的数据到ALU或寄存器。
6. 如果指令需要ALU或专用硬件来完成，请指示硬件执行请求的操作。
7. 将结果从ALU写回到存储位置或寄存器或输出设备。
8. 跳回到步骤（1）。

由于程序计数器（从概念上来说）只是另一组存储单元，因此可以通过ALU中的计算来更改它。将100加到程序计数器将导致从程序下方100个位置读取下一条指令。修改程序计数器的指令通常称为“跳转”，它们允许循环（由计算机重复的指令）和有条件的指令执行（均为控制流示例）。

控制单元处理一条指令的操作顺序本身就像一个简短的计算机程序，实际上，在某些更复杂的CPU设计中，还有另一台更小的计算机称为微序列器，该计算机运行一个微代码程序，导致所有这些事件都会发生。

控制单元，ALU和寄存器统称为中央处理单元（CPU）。早期的CPU由许多单独的组件组成。自1970年代以来，CPU通常构建在称为微处理器的单个MOS集成电路芯片上。

ALU能够执行两类操作：算术和逻辑。^[96]特定ALU支持的一组算术运算可能仅限于加法和减法，或者可能包括乘法，除法，三角函数（例如正弦，余弦等）和平方根。有些只能对整数（整数）进行运算，而另一些只能使用浮点数来表示实数，尽管精度有限。但是，任何能够执行最简单操作的计算机都可以进行编程，以将更复杂的操作分解为可以执行的简单步骤。因此，可以对任何计算机进行编程以执行任何算术运算，尽管如果其ALU不直接支持该运算，则将花费更多时间。ALU也可以比较数字并返回布尔真值（真或假），具体取决于一个值是否等于，大于或小于另一个值（“ 64是否大于65？”）。逻辑运算涉及布尔逻辑：AND，OR，XOR和NOT。这些对于创建复杂的文件很有用条件语句和处理布尔逻辑。

超标量计算机可能包含多个ALU，使它们可以同时处理多个指令。具有SIMD和MIMD功能的图形处理器和计算机通常包含可以对矢量和矩阵执行算术运算的ALU 。

可以将计算机的内存视为可以放置或读取数字的单元格列表。每个单元都有一个编号的“地址”，并且可以存储一个数字。可以指示计算机“将数字123放入编号为1357的单元格中”或“将单元格1357中的数字添加到单元格2468中的数字并将答案放入单元格1595中”。存储在存储器中的信息实际上可以代表任何东西。字母，数字甚至计算机指令都可以轻松地放入内存中。由于CPU不会区分不同类型的信息，因此软件有责任对内存所看成的东西（除一系列数字外）赋予重要性。

在几乎所有现代计算机中，每个存储单元都设置为以八位为一组（称为字节）存储二进制数。每个字节能够代表256个不同的数字（2 ⁸ = 256）；从0到255或-128到+127。为了存储更大的数字，可以使用几个连续的字节（通常为两个，四个或八个）。当需要负数时，它们通常以二进制补码表示。其他安排也是可能的，但通常不会在特殊应用程序或历史背景之外看到。如果可以用数字表示，则计算机可以将任何种类的信息存储在内存中。现代计算机具有数十亿甚至数万亿字节的内存。

CPU包含一组称为寄存器的特殊存储单元，与主存储区相比，该存储单元的读写速度更快。根据CPU的类型，通常有两个到一百个寄存器。寄存器用于最常需要的数据项，以避免每次需要数据时都必须访问主存储器。随着数据的不断处理，减少访问主存储器的需求（与ALU和控制单元相比，访问速度通常很慢）xxx提高了计算机的速度。

计算机主内存有两个主要种类：

• 随机存取存储器或RAM
• 只读存储器或ROM

RAM可以在CPU命令时随时对其进行读写，但是ROM中预加载了永不更改的数据和软件，因此CPU只能从中读取RAM。ROM通常用于存储计算机的初始启动指令。通常，关闭计算机电源会擦除RAM的内容，但ROM会无限期地保留其数据。在PC中，ROM包含一个称为BIOS的专用程序，该程序可在每次打开或重置计算机时将其操作系统从硬盘驱动器加载到RAM中。在通常没有磁盘驱动器的嵌入式计算机中，所有必需的软件都可以存储在ROM中。ROM中存储的软件通常称为固件，因为从概念上讲它更像是硬件而不是软件。闪存模糊了ROM和RAM之间的区别，因为闪存在关闭时会保留其数据，而且还是可擦写的。但是，它通常比常规的ROM和RAM慢得多，因此它的使用仅限于不需要高速的应用。

在更复杂的计算机中，可能存在一个或多个RAM 高速缓存存储器，它们比寄存器慢，但比主存储器快。通常，具有这种缓存的计算机被设计为自动将经常需要的数据自动移入缓存，而无需程序员的任何干预。

I / O是计算机与外界交换信息的方式。为计算机提供输入或输出的设备称为xxx设备。在典型的个人计算机上，xxx设备包括诸如键盘和鼠标之类的输入设备，以及诸如显示器和打印机之类的输出设备。硬盘驱动器、软盘驱动器和光盘驱动器同时用作输入和输出设备。计算机网络是I / O的另一种形式。I / O设备本身就是带有计算机和CPU的复杂计算机。一个图形处理单元可能包含五十台或更多的小型计算机，这些计算机进行显示3D图形所需的计算。现代台式计算机包含许多较小的计算机该辅助主CPU在执行I / O。2016年代的纯平显示器包含其自己的计算机电路。

虽然一台计算机可能被视为运行着存储在其主存储器中的一个巨大程序，但在某些系统中，有必要同时运行多个程序。这是通过多任务实现的，即让计算机在依次运行每个程序之间快速切换。完成此操作的一种方法是使用称为中断的特殊信号，这可能会导致计算机定期停止执行指令，而执行其他操作。通过记住中断之前执行的位置，计算机可以稍后返回该任务。如果多个程序“同时”运行。则中断生成器可能每秒造成数百次中断，从而每次导致程序切换。由于现代计算机通常执行指令的速度比人类感知的速度快几个数量级，因此即使在给定的瞬间只有一个程序正在执行，许多程序可能同时运行。这种多任务处理方法有时被称为“分时”，因为依次为每个程序分配了一个“时间片”。

在廉价计算机时代来临之前，多任务处理的主要用途是允许许多人共享同一台计算机。看起来，多任务处理将使在多个程序之间切换的计算机运行得更慢，这与它正在运行的程序数量成正比，但是大多数程序会花费大量时间等待缓慢的输入/输出设备完成任务。如果程序正在等待用户单击鼠标或按键盘上的键，则它将不会花费“时间片”，直到发生了它正在等待的事件。这样可以腾出时间执行其他程序，以便可以同时运行许多程序而不会造成不可接受的速度损失。

一些计算机被设计为在多处理配置中跨多个CPU分配其工作，该技术曾经仅在大型计算机中使用，例如超级计算机、大型计算机和服务器。多处理器和多核（在单个集成电路上具有多个CPU）的个人和膝上型计算机现已广泛可用，并且因此在低端市场中得到越来越多的使用。

特别是超级计算机通常具有高度独特的体系结构，这些体系结构与基本的存储程序体系结构和通用计算机显着不同。它们通常具有数千个CPU，定制的高速互连和专用的计算硬件。由于需要一次成功地成功利用大多数可用资源的大规模程序组织，此类设计仅对特殊任务有用。超级计算机通常会在大规模仿真，图形渲染和加密应用程序以及其他所谓的“ 令人尴尬的并行 ”任务中使用。