计算机硬件基本组成：五类部件怎样闭环

同学，上一课理解了存储程序。今天的新困难是把“运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备”从五个名词变成一条能闭环工作的路径；判断部件职责的依据始终是它接收什么、产生什么、受谁控制。

输入设备把外部信息转换为机器可接收的形式；存储器保存程序和数据；运算器执行算术与逻辑运算；控制器取出并解释指令，发出控制信号；输出设备把结果转换给外界。现代系统常把运算器与控制器合称 CPU，主存与 CPU 构成主机核心，但 CPU 本身不等于整台计算机。

陪做一条 LOAD R1,[A]。PC 给出指令地址，主存返回指令；控制器译码发现要读地址 A；地址送入 MAR，主存把该单元内容经 MDR 送到 CPU；数据最后写入寄存器 R1。执行 ADD R3,R1,R2 时，寄存器提供操作数，ALU 相加，控制器决定结果写入 R3。执行 STORE [C],R3 时，地址和数据分别进入存储器接口，结果写回主存。

为什么地址与数据通常要分开描述？地址回答“访问哪个单元”，数据回答“传送什么比特”。若 MAR 有 $k$ 位，理论上最多区分 $2^k$ 个地址；MDR 位数通常反映一次可并行传送的数据宽度，但实际总容量还取决于每个编址单位多大以及是否全部实现。

针对性错解：把控制器说成执行加法的部件，是把控制与运算混了；把硬盘叫主存，会忽略 CPU 可直接访问路径和速度层次；见到 32 位 MAR 就无条件断言一定装有 $4\text{GB}$ 物理内存，也把最大可寻址范围当成实际容量。

迁移题：若存储器按字节编址、MAR 为 20 位，最大可寻址空间是多少？答案有 $2^{20}$ 个字节地址，即 $1\text{MiB}$。若 MDR 为 32 位，只说明一次传送可容纳 32 位，不能把两者直接相乘当地址数。独立验收是能按取指、读数、运算、写回画出部件与寄存器间的数据流。下一课深入 PC、IR、MAR、MDR 在一次指令周期中的状态变化。