計算機系統(tǒng)是一個高度集成的復(fù)雜整體，其硬件部分構(gòu)成了整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。計算機硬件的基本組成通常可以歸納為五大核心部件，它們協(xié)同工作，共同完成信息的輸入、處理、存儲和輸出。
一、五大核心硬件部件
1. 運算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）：
運算器是計算機執(zhí)行算術(shù)運算（如加、減、乘、除）和邏輯運算（如與、或、非）的核心部件。它在控制器的指揮下，從存儲器或寄存器中取得數(shù)據(jù)，進(jìn)行運算，并將結(jié)果送回指定位置。
2. 控制器（Control Unit, CU）：
控制器是整個計算機系統(tǒng)的“指揮中心”。它從內(nèi)存中讀取指令，分析指令，然后向其他所有部件發(fā)出控制信號，指揮和協(xié)調(diào)各部件有條不紊地工作，確保程序得以正確執(zhí)行。運算器和控制器合稱為中央處理器（Central Processing Unit, CPU），是計算機的“大腦”。
3. 存儲器（Memory）：
存儲器是計算機的記憶裝置，用于存放程序和數(shù)據(jù)。根據(jù)其功能、速度和容量，主要分為兩大類：
- 主存儲器（Main Memory）：又稱內(nèi)存，用于暫時存放正在運行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)。其特點是存取速度快，但容量相對較小，且斷電后信息會丟失（如RAM）。
- 輔助存儲器（Auxiliary Storage）：又稱外存，如硬盤、固態(tài)硬盤（SSD）、光盤、U盤等。用于長期、大量地存儲程序和數(shù)據(jù)。其特點是容量巨大、成本低，但存取速度相對較慢，且信息斷電后不會丟失。
4. 輸入設(shè)備（Input Device）：
輸入設(shè)備負(fù)責(zé)將外界的原始數(shù)據(jù)、程序或命令轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別和處理的信息（二進(jìn)制形式），并送入計算機內(nèi)部。常見的輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、攝像頭、麥克風(fēng)等。
5. 輸出設(shè)備（Output Device）：
輸出設(shè)備的功能與輸入設(shè)備相反，它將計算機處理后的結(jié)果信息（二進(jìn)制形式）轉(zhuǎn)換成人或其他設(shè)備能夠識別和接受的形式（如文字、圖像、聲音），并呈現(xiàn)出來。常見的輸出設(shè)備包括顯示器、打印機、音箱、繪圖儀等。
二、系統(tǒng)集成與總線結(jié)構(gòu)
計算機硬件系統(tǒng)的高度集成體現(xiàn)在各部件并非獨立工作，而是通過一套高效的連接機制緊密耦合。這套機制的核心就是系統(tǒng)總線（System Bus）。系統(tǒng)總線是連接CPU、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備等主要部件的公共通信干線，負(fù)責(zé)在各部件間傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。
根據(jù)傳輸信息類型的不同，系統(tǒng)總線通常由三部分組成：
- 數(shù)據(jù)總線（Data Bus）：雙向傳輸，負(fù)責(zé)在部件間傳送數(shù)據(jù)信息，其寬度（位數(shù)）是衡量計算機性能的重要指標(biāo)之一。
- 地址總線（Address Bus）：單向傳輸（通常從CPU發(fā)出），用于傳送CPU要訪問的內(nèi)存單元或I/O端口的地址信息，其寬度決定了CPU的尋址能力。
- 控制總線（Control Bus）：傳輸各種控制信號，如讀寫命令、中斷請求、時鐘信號等，協(xié)調(diào)各部件的工作時序。
三、工作原理簡述：存儲程序原理
現(xiàn)代計算機硬件系統(tǒng)都遵循“存儲程序”的工作原理，這是由馮·諾依曼等人提出的核心思想。其要點包括：
- 計算機硬件由五大部件組成。
- 程序和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制形式存放在存儲器中。
- 計算機在控制器的指揮下，自動、逐條地從內(nèi)存中取出指令并執(zhí)行。
具體工作流程可簡述為：輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)送入內(nèi)存 → 控制器從內(nèi)存中取出指令并分析 → 根據(jù)指令要求，指揮運算器從內(nèi)存中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，或指揮輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作 → 處理結(jié)果送回內(nèi)存或通過輸出設(shè)備呈現(xiàn)。整個過程周而復(fù)始，直至程序結(jié)束。
計算機硬件的基本組成是一個以CPU為核心，以存儲器為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)總線將輸入/輸出設(shè)備有機連接起來的集成系統(tǒng)。五大部件各司其職，在“存儲程序”原理的指導(dǎo)下協(xié)同工作，共同實現(xiàn)了計算機強大的信息處理能力。理解這一基本組成結(jié)構(gòu)，是深入學(xué)習(xí)計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等后續(xù)知識的重要基石。
