计算机硬件：物质基础和冯·诺依曼原理

1. 计算机硬件系统概述

计算机硬件系统是指组成一台计算机的各种物理设备。它们由各种具体的器件组成，是计算机进行工作的物质基础。

在计算机发展史上做出杰出贡献的著名应用数学家冯·诺依曼(Von Neumann)与其他专家于1945 年为改进ENIAC，提出了一个全新的存储程序的通用电子计算机方案。这个方案规定了新机器由5 个部分组成——运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，并描述了这5 个部分的功能和相互之间的关系，如图7-1 所示。

图7-1

这个方案与ENIAC 相比，有两个重大改进：一是程序和数据采用二进制；二是提出了“存储程序”的设计思想，即用记忆数据的同一装置存储执行运算的指令，使程序的执行可自动地从一条指令进入到下一条指令。这个概念被誉为计算机史上的一个里程碑。计算机的存储程序和程序控制原理被称为冯·诺依曼原理，按照该原理设计制造的计算机被称为冯·诺依曼结构机。

概括起来讲，冯·诺依曼结构机有下面三条重要的设计思想。

①计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

②以二进制的形式表示数据和指令。

③程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序指令并加以执行。

2. 计算机的几大部件

(1)输入设备

输入设备是指向计算机存储器中输入各种信息(程序、文字、数据、图像等)的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、条形码输入器等。在会计电算化领域，会计人员一般用键盘来完成会计数据或相关信息的输入工作。

①键盘。键盘可以分为主键盘区、小键盘区、功能键区、扩展区四个部分。

②鼠标。按工作原理鼠标可分为机械式和光电式；按外形鼠标可分为两键鼠标、三键鼠标、滚轴鼠标、感应鼠标。

(2)输出设备

输出设备是指用来输出计算机处理结果的设备，是人与计算机交互的一种部件，它把各种结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。日常用到最多的输出设备是显示器和打印机等。会计报表、账簿等一般可以用打印机按要求打印输出。

下面简要介绍常用的输出设备显示器和打印机的基本知识。

①显示器。按显示原理显示器可划分为CRT(阴极射线显示器)——台式机常用；LCD(液晶显示器)——笔记本常用，现台式机也日渐普及，具有轻、薄、耗电少、无辐射的优点。分辨率是显示器的一项技术指标，一般用“横向像素×纵向像素”表示。分辨率越高，显示的字符与图像就越清晰。

②打印机。打印机按印字的方式分为击打式打印机和非击打式打印机两大类。击打式打印机一般是指针式打印机；非击打式打印机常见的有喷墨打印机和激光打印机。

(3)中央处理器(又称CPU)(www.xing528.com)

①CPU 由控制器和运算器组成。控制器负责指挥系统，从RAM 中取出指令执行，并对指令进行分析判断后产生一系列的控制信号，去控制计算机的各部件并自动连续工作；运算器负责算术运算和逻辑运算。

②CPU 是计算机的心脏，它的性能决定了计算机的总体性能。

(4)存储器

存储器是用来存储程序和数据的部件。存储器可以在控制器的控制下对数据进行存取操作，我们将数据从存储器中取出的过程称为“读”，存入存储器的过程称为“写”。存储器容量用B、KB、MB、GB、TB 等存储容量单位表示。通常情况下，将存储器分为内存储器(内存)和外存储器(外存)。

内存储器又称为主存储器，是主机的一部分，可以由CPU 直接访问。其优点是存取速度快。但存储容量较小，主要用来存放系统正在处理的数据。

根据特点的不同，内存又分为只读存储器和随机存储器两类。

·只读存储器(Read Only Memory，ROM)。在工作过程中只能读出其中的数据，不能写入新的数据；即使电源中断，ROM 中的数据也不会丢失；ROM 一般用来存放固定的系统程序和参数表等。

·随机存储器(Random Access Memory，RAM)。在工作过程中既可读出其中的数据，也可修改其中的数据或写入新的数据；一旦中断电源，RAM 中存放的数据将全部丢失。

外存储器又叫辅助存储器，如硬盘、软盘、光盘和U 盘等。存放在外存中的数据必须调入内存后才能运行。外存存取速度慢，但存储容量大，所以主要用来存放暂时不用但又需长期保存的程序或数据。

①软盘存储器。软盘存储器由软磁盘、软盘驱动器(简称软驱)和软盘控制适配器(或软盘驱动卡)三部分组成。其中，软磁盘是存储介质，只有插入到软驱中且在软盘驱动卡的控制下才能完成工作。

这种存储器是20 世纪90 年代计算机软驱的主流产品，现已逐渐被淘汰。

②硬盘存储器。硬磁盘由硬质合金材料构成的多张盘片组成。硬磁盘与硬盘驱动器作为一个整体被密封在一个金属盒内，合称为硬盘。硬盘通常被固定在主机箱内。与软盘相比，硬盘具有使用寿命长、容量大、存取速度快等优点，且防潮、防腐、防霉、防尘性能好。如果使用得当，硬盘上的数据可保存数年之久。

应用最广的小型温式(温彻斯特式的简称)硬盘，是在一个轴上平行安装若干个圆形磁盘片，使它们同轴旋转。每片磁盘的表面都装有一个读写头，在控制器的统一控制下沿着磁盘表面径向同步移动。于是，几层盘片上具有相同半径的磁道可以被看成是一个圆柱，每个圆柱称为一个柱面(cylinder)。硬盘容量的计算公式如下。

硬盘容量=每扇区字节数(512)×磁头数×柱面数×每磁道扇区数

除了存储容量外，硬盘的另一个主要性能指标是存取速度。影响硬盘存取速度的因素有盘片旋转速度、数据传输率、平均寻道时间等。目前台式机硬盘盘片的转速已达7 200～10 000 r/min，存储容量达10 TB。

③光盘存储器。光盘存储器由光盘片和光盘驱动器组成。光盘驱动器使用激光技术实现对光盘信息的读出和写入。

光盘存储器的特点如下。Ⅰ.存储容量大。多数普通的CD-ROM 盘片容量达650 MB，有的还达到700 MB、800 MB。DVD 光盘有单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种结构。其中，一张DVD-ROM 的单面单层盘片容量为4.7 GB，单面双层或双面单层的DVD-ROM 盘片容量为9.4 GB，双面双层的DVD 盘片容量为17 GB，“蓝光盘”(使用蓝色激光代替普遍使用的红色激光)的数据存储量更可达27 GB。Ⅱ.读取速度快。早期光驱的数据传输率为150 KB/s，这个速率被称为单倍速，以后的速率都以它的倍数提高，于是就以倍速来代称光驱的数据传输率。例如，300 KB/s 称为2 倍速，1 500 KB/s 称为10 倍速，照此类推。现在的光驱数据传输率已达到56 倍速甚至更高。Ⅲ.可靠性高。光盘上的信息保留时间长，可应用于文献档案、图书管理和多媒体等方面。Ⅳ.价位低。Ⅴ.携带方便。

光盘片的类型有：只读型、可写入一次型和可重写型三种。

④移动式存储器。为适应移动办公存储大容量数据发展的需要，新型的、可移动的外部存储器已得到广泛使用。例如，可移动硬盘、U 盘等。

·可移动硬盘。传统概念上的硬盘是在机箱内部，与机箱固定在一起的，作为计算机的一个组成部分而存在的。随着计算机技术的发展，采用USB 接口的移动硬盘应运而生，并且以其热插拔、无外接电源、支持多种操作系统等诸多优势，随着价格的下降开始流行。

·U 盘。也称优盘。移动硬盘的存储介质还是采用原始的计算机硬盘，只不过把台式机的硬盘换成了笔记本上的硬盘。而U 盘是一种基于闪存介质和USB 接口的移动存储设备，其优点是：Ⅰ.无须驱动器和额外电源，只需从标准的USB 接口取电，可热拔插，真正实现了即插即用；Ⅱ.通用性高、容量大、读写速度快；Ⅲ.抗震防潮、耐高低温、带写保护开关(防病毒)、安全可靠、可反复使用；Ⅳ.体积小、轻巧精致、美观时尚、易于携带。