计算机中的核心硬件详解

计算机中的核心硬件详解

一、计算机的基本构成

1.1 冯·诺依曼结构

任何一台现代计算机，无论笔记本还是服务器，都遵循冯·诺依曼结构（Von Neumann Architecture）。该结构定义了计算机的五大核心部件：

1.2 现代计算机的物理组成

冯·诺依曼是逻辑架构，落实到现代计算机物理硬件上，对应为：

• 运算器 ALU：CPU 核心中的 算术逻辑单元（ALU）、浮点数运算单元（FPU）等
• 控制器 CU：CPU 核心中的 控制单元（CU）等
• 存储器：内部存储（寄存器、多级缓存、内存）、外部存储（硬盘、U 盘等）
• 输入设备：键盘/鼠标等
• 输出设备：显示器/打印机等

二、CPU

下面是一个双核的 CPU 结构：

算术逻辑单元

算术逻辑单元 ALU（Arithmetic Logic Unit），每个核心中单独一个。

CPU 里的「整数运算车间」，专门处理整数的加减乘除、逻辑运算（与、或、非、异或）、比较判断（大于、小于、等于）。

浮点数算术单元

浮点数算术单元 FPU（Floating Point Unit），每个核心中单独一个。

CPU 里的「小数 / 高精度运算车间」，专门处理浮点数。

控制单元

控制单元 CU（Control Unit），每个核心中单独一个。

CPU 的「指挥中心」，负责取指令、解码、生成控制信号等，指挥其他部件干活。

核心中断控制器

核心中断控制器 Local APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller），每个核心中单独一个。

每个核心的「中断管家」，负责处理外部设备发来的中断（比如硬盘读完数据了、键盘按下了）、定时中断（可以和操作系统搭配实现 CPU 时间片切换）。

寄存器组（Registers）

寄存器组（Registers），每个核心中单独一个。

CPU 里速度最快的存储单元，是 ALU/FPU 的 “工作台”。运算时，数据必须先加载到寄存器里，ALU/FPU 才能直接操作。分为通用寄存器（存数据 / 地址）、专用寄存器（存程序计数器、状态标志等）。平时常说的机器字长（32位机器，64位机器），就取决于通用寄存器能处理的数据位数。

L1/L2/L3

一级缓存（Level 1 Cache）/ 二级缓存（Level 2 Cache），每个核心中单独一个。

三级缓存（Level 3 Cache），所有核心共享一个。

填补 CPU 和内存的速度差距，等级编号越小的缓存，其物理位置离 ALU/FPU/CU 更近，读取速度越快，编号越大的缓存，容量越大。

集成内存控制器

集成内存控制器 IMC（Integrated Memory Controller），所有核心共享一个。

CPU 和内存条之间的「桥梁」，负责内存的读写控制。

PCIe 控制器

高速外设组件互连控制器 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express），所有核心共享一个。

CPU 与 高速外设之间的通信桥梁。主板上会有各种类型的 PCIe 插槽，当显卡、NVMe 固态硬盘等高速外设插入 PCIe 插槽后，就可以通过 PCIe 控制器 与 CPU 通信。

DMI 控制器

直接媒体接口 DMI（Direct Media Interface），所有核心共享一个。

CPU 与 慢速外设之间的通信桥梁。主板会搭载 PCH（平台控制器集线器，Platform Controller Hub） 芯片，前身是南桥，该芯片集成了多种功能控制器，外设数据均经由 PCH 转发。PCH 控制器分为两类：

• 对外接口型：USB 控制器、SATA 控制器等，通过 PCB 走线连接到主板上对应的物理端口
• 内部辅助型：DMA 控制器、I/O APIC 等，无外部端口，仅 PCH 内部使用

无论是对外接口型还是内部辅助型控制器，数据最终都通过 DMI 接口与 CPU 完成交互。

三、总线

现代计算机中各个部件之间通信的线路就叫总线（BUS），用来数据传递等。

总线可分为：

• 片内总线：用于 CPU 内部各个部件间的互连（如：ALU、寄存器、各级缓存等）。
• 内存总线：用于 CPU 中的 集成内存控制器 与 内存 的互连。
• PCIe 总线：用于 CPU 中的 PCIe 控制器 与 主板上各个 PCIe 插槽间的互连。
• DMI 总线：用于 CPU 中的 DMI 控制器 与 主板上的 PCH 芯片的互连。

早期计算机存在系统总线的概念，是连接 CPU、内存、I/O 设备的主干总线，核心为前端总线 (FSB Front-Side Bus)。早期的数据通路为：CPU → 前端总线 → 北桥芯片 → 再分别连接内存、显卡。

现代 CPU 已将 内存控制器、PCIe 控制器等集成至 CPU 内部，传统一体式系统总线被拆解为 内存总线、PCIe 总线、DMI 总线等多条专用总线。前端总线、北桥架构现已淘汰。

四、存储器

1. 存储介质和存储器

MOS 晶体管

MOS 晶体管，是数字电路的基础开关器件，属于半导体电控开关，它不是存储介质也不是存储器，但它是组成存储器的重要部分。晶体管可以控制是否给存储介质通电。存储器就是通过电的状态来判断所谓的 0 和 1。

静态随机存储器

静态随机存储器 SRAM（Static Random Access Memory），由 6 颗 MOS 晶体管 为一组构成一个存储单元来存放 1 位二进制数据。不需要储存电荷，通过持续供电来保存信息，高电平是代表二进制 1，低电平时代表二进制 0。

寄存器、L1、L2、L3 缓存 都属于静态随机存储器，因为 6 个晶体管才能构成 1 个二进制位，所以不适合太大容量，造价太高。

动态随机存储器
动态随机存储器 DRAM（Dynamic Random Access Memory），1 位二进制数据，由 1 个 MOS 晶体管 搭配 1 个微型电容组成，依靠电容内部储存电荷区分数据。

电容存有电荷代表1、放空电荷代表0。电容天然存在漏电现象，存放的电荷会随时间慢慢损耗流失，为了避免数据丢失，需要经常进行充电刷新。

内存属于动态随机存储器，因为电容会漏电所以需要持续供电来刷新电荷，从而保证数据不流失，所以不能作为永久存储。

NAND 闪存颗粒
NAND Flash，固态硬盘的核心存储原料。

电荷被密封禁锢在晶体管中间的绝缘栅夹层里，外层绝缘材料隔绝电荷外泄，断电后电荷依旧保存在夹层内部，数据不会丢失。受自身物理硬件规则约束，新数据写入时，需要先将一大块原电荷擦除（不是简单的释放电荷），然后再写入，擦除动作存在物理损耗，所以闪存颗粒拥有固定擦写寿命，达到上限后存储单元损坏报废。

固态硬盘属于 NAND 闪存颗粒实现，适合当作永久存储，但因为其读写特点，所以性能远低于内存。

磁介质

不靠晶体管、不靠电荷，依靠盘片表面磁性涂层保存数据，通过改变磁粒的磁极方向记录 0 和 1，一种磁极代表 0，反向磁极代表 1，断电后磁性不会消失，数据永久保留。

机械硬盘就属于磁介质实现。依靠马达旋转盘片、机械臂上的磁头前后移动寻道读写，机械运动速度远慢于电子信号，全存储体系最慢。

2. 缓存

计算机硬件中的缓存就是用来弥补处理速度的。

比如，CPU 处理太快，而内存读写太慢，这就会导致 CPU 大部分时间都在 “等内存”，这就是所谓的内存墙。

为了弥补处理速度的差距，就需要用一个读写更快的存储介质来和 CPU 交互，这个存储介质就称为缓存（L1、L2、L3）。 但前文说过，L1、L2、L3 属于 SRAM，需要 6 个晶体管来构成 1 个二进制位，所以不适合做成大容量，一方面是因为晶体管太多造价太高，另一方面物理摆放上也占地方。

缓存会通过局部性原理（Locality Principle）从内存中读入数据：

• 时间局部性（Temporal Locality）：刚访问过的地址，很可能马上再访问（如循环变量）
• 空间局部性（Spatial Locality）：刚访问过的地址附近的地址，也很快会被访问（如数组遍历）

五、I/O 设备

能向 CPU 发送数据（输入）或接收 CPU 数据（输出）的设备，统称为 I/O 输入输出设备，如：鼠标、键盘、网卡、显示器、打印机等。

5.1 I/O 交互方式

I/O 设备和 CPU 交互时，有三种方式，程序查询方式、纯中断驱动方式、DMA 方式（现代 I/O 设备几乎都是这种方式）。

程序查询方式

程序查询方式（Polling）， CPU 用轮询的方式，不停访问 I/O 设备，等待数据就绪期间，CPU 被完全占用，无法做其他事情。当 I/O 设备把数据全部准备好后，才会读取并把数据写入内存。

中断驱动方式

中断驱动方式（Interrupt-driven I/O），用事件驱动的方式交互。

CPU 发送命令给 I/O 设备，然后 CPU 就可以去做其他事情，当 I/O 设备准备就绪后，高速设备通过 PCIe 控制器向 CPU 中的 Local APIC（核心中断控制器）发送中断信号。低速设备通过 PCH 中的 I/O 中断控制器，向 CPU 中的 Local APIC（核心中断控制器）发送中断信号。

当 CPU 中的 Local APIC 收到中断信号后，CPU 会暂停当前任务，并保存上下文，然后读取 I/O 设备已准备好的数据，并写入内存。

虽然在 I/O 设备准备数据期间，CPU 可以去做其他事，但数据从 I/O 设备 到 内存 的搬运仍然由 CPU 完成。如果传输大量数据，会不断的触发中断，然后 CPU 会不断的切换上下文，将 I/O 设备中的数据读取并写入到内存，在大数据量下效率极低。

DMA 方式

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问），可以分担 CPU 对 I/O 数据的搬运工作。DMA 有两种存在形式：

• 低速设备时：通过 PCH 中的 DMA 控制器实现
• 高速设备时：PCIe 自身就有 DMA 功能

CPU 将源地址、目标地址、传输长度告诉 DMA 控制器，然后去做其他事。之后由 DMA 来等待 I/O 数据的就绪。当 I/O 设备就绪后，DMA 会将数据读取，并写入内存，写入完成后会通过中断控制器向 CPU 的 Local APIC 发送中断信号，告诉 CPU “数据已经在内存”，可以直接使用。