计算机系统的硬件组成

一个计算机系统的硬件一般是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成的，其基本功能是在计算机程序的控制下，完成数据的输入、运算、输出等一系列操作，如图1-2-1所示。

图1-2-1　计算机的基本结构

1.运算器

运算器又称算术及逻辑部件，简称ALU。它是对信息或数据进行处理和运算的部件，经常做的工作是算术运算和逻辑运算。算术运算是按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除等。逻辑运算一般是指非算术性质的运算，如与、或、非、异或、比较、移位等。

在运算过程中，运算器不断地得到由存储器提供的数据，运算后把结果（包括中间结果）送回存储器保存起来。整个运算过程是在控制器统一指挥下，按程序中编排的步骤进行的。

2.控制器

控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等部件组成。它是计算机的神经中枢和指挥中心，负责从存储器中读取程序指令并进行分析，然后按时间先后顺序向计算机的各部件发出相应的控制信号，以协调、控制输入输出操作和对内存的访问。

控制器从存储器中顺序取出指令，并对指令代码进行翻译，然后向各部件发出相应的控制命令，使指令规定的操作得以执行。它一方面向各部件发出执行指令的命令，另一方面又接收执行部件向控制器发回的有关指令执行情况的反馈信息，控制器将根据这些信息来决定下一步发出哪些操作命令。因此控制器是统一指挥和控制计算机各部件进行工作的“神经中枢”。

控制器主要由指令寄存器、指令译码器、指令计数器以及其他的一些电路组成。当计算机执行程序时，指令计数器中保存着要执行的下一条指令的地址，控制器根据这个地址，从内存储器中取出指令并送到指令寄存器，指令译码器对指令寄存器中的代码进行分析后，发出各种相应的操作命令，指挥计算机的有关部件进行工作。

指令计数器是控制器中的一个重要部件，它的功能是指示程序的执行过程。指令计数器可以自动修改其自身的内容，这使得计算机能够自动执行程序。指令计数器内容的修改方式一般有两种：一种是指令计数器本身自动加1，即以指令计数器的内容为地址，对内存储器进行一次读操作后，指令计数器就自动加1，为取得下一条指令做好准备；另一种方式是通过某些指令的操作来修改指令计数器的内容，以实现程序本身对执行顺序的调整。

关于信息单位的几个重要术语：

位（bit）——1 位二进制信息称为1 位，位是二进制数的基本单位。

字节（Byte）——8 位二进制信息称为一个字节。

字（Word）——作为一个整体被传送和运算的一串二进制数称为一个字。

字长——一个字所包含的二进制位数称为字长。字长一般是字节的整数倍，如8 位、16 位、32 位、64 位等。字长和算术逻辑单元、累加器和通用寄存器的长度是一致的。

主频——CPU 的主频是指CPU 工作时的时钟频率，它是考查CPU 运行速度的重要参数。计算机的主频一般是与机器的型号标在一起的。计算机在保证运行状态稳定的前提下，主频越高则工作节拍越快，运行速度也越高。

3.存储器

存储器是计算机的记忆部件，用来存储程序和数据。使用时，可以从存储器中取出原来记录的内容，并且不破坏存储器中的内容，这种操作称为存储器的“读”；也可以把原来保存的内容抹去，重新记录新的内容，这种操作称为存储器的“写”。

存储器分为内存储器和外存储器两大类。

（1）内存储器(www.xing528.com)

在计算机内部设有一个存储器直接与CPU 交换信息，简称内存。内存一般采用半导体存储器。内存由主存储器和高速缓冲存储器（Cache）组成。计算机运算之前，程序和数据从外存或输入设备送入内存；运算开始后，内存不仅要为其他部件提供必需的信息，而且也要保存运算的中间结果及最后结果。总之，它要和各个部件打交道，进行数据传送。因此，为了提高计算机的运算速度，要求内存能进行快速的读写操作。

关于内存的几个重要概念：

①地址。内存由许多存储单元组成，每一个存储单元可以存放若干位数据代码，该代码可以是指令，也可以是数据。为了区分不同的存储单元，所有存储单元均按一定的顺序编号，称为存储单元的地址。若一个存储单元存放一个字节，相应的地址称为字节地址；若一个存储单元存放一个字，则相应的地址称为字地址。

②存储容量。一个存储器中存储单元的总数称为该存储器的存储容量。表示存储容量的单位一般用字节。例如：256KB 表示256K 字节，其中1K＝1024B。比KB 更大的容量单位是MB（兆字节）、GB（千兆字节）、TB（太字节），其中1M＝1024K，1G＝1024M，1T＝1024G。

③存取周期。存储器从接到读出命令到指定的信息被读出，并稳定在数据总线上的时间称为读取时间。把数据总线上的信息写入存储器的时间，称为写入时间。从存储器存取一个字到能够再存取下一个字所需要的时间叫作存取周期。存取周期表示了存储器的工作速度。存取周期越短，存储器的工作速度越快。

④在内存中，有一小部分用于存放特殊的专用数据，对它们只取不存，这部分称为只读存储器，简称ROM（Read Only Memory）。ROM 是一种只能读出不能写入的存储器，其中的信息被永久写入，即使切断计算机电源，ROM 中的信息也不会丢失。因此，它常用于永久地存放一些固定的系统程序和数据。

⑤计算机中大部分对信息可存可取的内存称为随机存储器，简称RAM（Random Access Memory）。随机存储器RAM 是易失性存储器，其中存放的信息是临时性的，可随时读出和写入信息。当计算机工作时，RAM 用于存放系统程序和用户的程序及数据。RAM 的空间越大，处理能力越强。计算机工作时，RAM 能准确地保存数据，但这种保存功能需要电源的支持，一旦切断电源，其中的所有数据立即完全消失，不可恢复。

（2）外存储器

由于价格和技术方面的原因，内存的存储容量会受到限制。为了存储大量的信息，就需要采用价格便宜的辅助存储器。它们设置在主机外部，又称外存。常用的外存储器有磁盘存储器、光盘存储器和磁带存储器等。

外存用来存放“暂时不用”的程序或数据。外存容量要比内存容量大得多，但它存取信息的速度比内存慢。通常外存不和计算机内其他装置直接交换数据，它只和内存交换数据，并且不是按单个数据进行存取，而是以成批数据进行交换。

外存和内存有许多不同之处。一是外存不怕停电，磁盘上的信息可保存数年之久；二是外存的容量不像内存那样受多种限制，可以很大；三是外存价格较为便宜。

4.输入设备

输入设备是用来把计算机外部的程序、数据等信息送入计算机内部的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、磁盘、光笔、扫描仪、数字化仪等。

5.输出设备

输出设备是负责将计算机的内部信息传递出来（称为输出）在屏幕上显示，或在打印机上打印，或在外部存储器上存放的设备。常用的输出设备有磁盘、显示器和打印机等。

6.微型计算机的总线结构

微型计算机通常简称为微型机或微机。一台微型计算机的硬件系统主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备组成。现在的微型计算机系统多采用总线结构，如图1-2-2所示。所谓总线（Bus）是指连接微机系统中各部件的一簇公共信号线，这些信号线构成了微机各部件之间相互传送信息的公用通道。CPU（包括内存）与外设、外设与外设之间的数据交换都是通过总线来进行的。总线通常由地址总线、数据总线和控制总线三部分组成。地址总线用于传送地址信号，地址总线的数目决定微机系统存储空间的大小。数据总线用于传送数据信号，数据总线的数目反映了CPU 一次可接收数据的能力。控制总线用于传送控制器的各种控制信号。

图1-2-2　微型计算机的系统结构图

在早期的微型计算机中采用的传统总线标准有ISA（工业标准总线）、EISA（扩展工业标准总线）、MCA（微通道结构总线）、PCI（外设部件互联总线）。ISA 为16 位总线，EISA 和MCA 均为32 位总线，PCI 为32/64 位总线。目前微型机主要的总线标准为PCIE。PCI-Express（Peripheral Component Interconnect Express）是一种高速串行计算机扩展总线标准，旨在替代旧的PCI 标准。PCI Express 也有多种规格，从PCI Express x1 到PCI Express x32，能满足将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求。