一、概述计算机硬件源于冯·诺依曼结构按处理器、存储器、总线、接口和外部设备阐述其组成与关键技术。二、核心概念1.冯·诺依曼计算机结构现代计算机系统发展的基础将硬件划分为运算、控制、存储、输入、输出五部分现实中运算与控制集成成处理器输入与输出常集成为一体。2.处理器(CPU)计算机系统运算与控制的核心部件按复杂程度指令集分CISC与RISC从单核发展到多核、异构多核、众核。3.指令集CISC/RISCCISC复杂指令集代表Intel/AMD x86与RISC精简指令集代表ARM、PowerRISC已成为指令集发展趋势。4.存储器分层体系(Memory Hierarchy)按与处理器物理距离分片上缓存、片外缓存、主存、外存四个层次。5.总线(Bus)计算机部件间遵循特定协议实现数据交换的形式分内总线片上、系统总线CPU-内存-桥、外部总线通信总线以桥实现协议转换。6.接口同一计算机不同功能层之间的通信规则如显示、音频、网络、USB、SATA、PS/2、RS-232等。7.外部设备计算机的非必要但常见的外围设备包括所有输入/输出设备及部分外存如键盘、显示器、网卡、存储卡、GPS、陀螺仪等。8.GPU/DSP/FPGA专用处理器GPU并行计算深度学习、DSP实时数字信号处理、FPGA现场可编程门阵列。三、关键要点1.CPU位宽由4位发展到64位能力从仅运算控制扩展到多级缓存、多总线接口内核从单核到多核/异构多核/众核。2.处理器系统结构指令部件经MMU-Cache取指译码运算部件整型/浮点/向量计算完成部件排队并反馈结果。3.国产处理器有龙芯、飞腾、申威、兆芯、国微、国芯、华睿、翔腾微、景嘉微等。4.存储器分层4层①片上缓存SRAM16kB~512kB②片外缓存L2/L3256kB~4MB③主存DRAM数百MB~数十GB需充电维持④外存磁带/磁盘/光盘/Flash掉电保持。5.外存介质寿命不同Flash约10年、光盘数年至数十年、磁盘10年以上、磁带30年以上。6.总线性能指标带宽、服务质量QoS、时延、抖动并行总线含PCI/PCie/ATA串行总线含USB/SATA/CAN/RS-232/RS-485/RapidIO/以太网。7.专业领域总线航空ARINC429/659/664、工业控制CAN/IEEE1394/PCI/VME等。8.接口类型举例显示(HDMI/DVI)、音频(TRS/RCA/XLR)、网络(RJ45/FC)、PS/2、USB、SATA、LPT、RS-232离散量与A/D转换属非标准接口。9.外部设备通过接口连接主机以指令和数据实现预期功能移动/穿戴设备含加速计、GPS、陀螺仪、感光、指纹等。四、典型示例1.GPU具数百至数千内核经优化并行运行大量计算广泛应用于深度学习。2.DSP采用饱和算法处理溢出、乘积累加提高矩阵效率用于高速信号采集。3.基于ARM的嵌入式硬件如S3C44BOX含Flash/SDRAM/硬盘、LCD、键盘、RS-232、USB、JTAG、TCP/IP、CAN。五、易错与注意1.总线与接口不同一种总线可有多接口以太网→RJ45或同轴电缆PCIe有多种形态接口。2.片上缓存SRAM容量小、快与片外缓存L2/L3容量与作用不同勿混淆。3.外存“掉电保持”不等于“永久保存”各介质有不同年限Flash约10年需留意。