第4章 计算机硬件系统
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。其中，计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大基本部件组成。运算器也称为算术逻辑部件(ALU)，主要功能是对二进制数码进行算术或逻辑运算。控制器是计算机的神经中枢，指挥计算机各个部件自动、协调地工作。在计算机的5个基本部件中，运算器和控制器共同组成了中央处理器(CPU)，而CPU和和存储器又构成了计算机的主机。下面将具体介绍各个部件。
4.1运算器
(1)运算器的组成
运算器的基本功能是完成对各种数据的加工处理，即数据的算术运算和逻辑运算。运算器由算术逻辑单元、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。
运算器包括寄存器、执行部件和控制电路三个部分。运算器中的寄存器用于I临时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进人寄存器或加法器，完成规定的操作。
运算器主要由算术逻辑部件、通用寄存器组和状态寄存器组成。
•算术逻辑部件ALU。ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。ALU能处理的数据位数(即字长)与机器有关。
•通用寄存器组：近期设计的机器的运算器都有一组通用寄存器。主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。
•状态寄存器：状态寄存器用来记录算术、逻辑运算或测试操作的结果状态。程序设计中，这些状态通常用作条件转移指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器。
(2)与运算器相关的性能指标包括计算机的字长和运算速度
•字长：指计算机运算部件～次能同时处理的二进制数据的位数。作为存储数据，字长越长，则计算机的运算精度就越高;作为存储指令，字长越长，则计算机的处理能力就越强。
•运算速度：计算机的运算速度通常是指每秒钟所能执行的
加法指令的数目。常用百万次/秒(Million Instructions Per Second，MIPS)来表示。这个指标更能直观地反映机器的速度。
4.2控制器
控制器是计算机的重要部件，它对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定的任务。控制器是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。
控制器由指令寄存器、指令译码器、程序计数器和操作控制器四个部件组成。指令寄存器用以保存当前执行或即将执行的指令代码;指令译码器用来解析和识别指令寄存器中所存放指令的性质和操作方法;操作控制器则根据指令译码器的译码结果，产生该指令执行过程中所需的全部控制信号和时序信号;程序计数器总是保存下一条要执行的指令地址，从而使程序可以自动、持续地运行。
控制器的功能如下。
•数据缓冲：由于I/O设备的速率较低而CPU和内存的速率却很高，故在控制器中必须设置缓冲器。
•差错控制：设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。
•数据交换：这是指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。为此，在控制器中需设置数据寄存器。
•状态说明：标识和报告设备的状态控制器应记下设备的状态供CPU了解。
•接收和识别命令：CPU可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。
•地址识别：就像内存中的每一个单元都有一个地址一样，系统中的每一个设备也都有一个地址，而设备控制器又必须能够识别它所控制的每个设备的地址。此外，为使CPU能向(或从)寄存器中写入(或读出)数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。
4.3存储器
存储器是存储程序和数据的部件。它可以自动完成程序或数据的存取。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中，存储器是计算机系统中的记忆设备。按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)两大类。CPU不能直接访问外存，当需要某一程序或数据时.首先应调入内存，然后再运行。
1.内存
内存一般采用半导体存储单元.包括只读存储器、随机存储器和高速缓冲存储器。
(1)只读存储器(ROM)
只读存储器在制造的时候，信息(数据或程序)就被存入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能写入，即使停电，这些数据也不会丢失。只读存储器一般用于存放计算机的基本程序和数据。下面介绍几种常用的ROM。
•可编程只读存储器(Pmgrammah|e ROM，FPROM)：一种电脑存储记忆晶片，它允许使用称为PROM编程器的硬件将数据写入设备中。在PROM被编程后，它就只能专用那些数据，并且不能被再编程。
•可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)：可实现数据的反复擦写。使用时，利用高电压将信息编程写入，擦除时将线路曝光于紫外线下，则信息被清空。EPROM通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。
•电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM.EEP-ROM)，可实现数据的反复的擦写。其实现原理类似EPROM，只是擦除方式是使用高电压完成，因此不需要透明窗曝光。
(2)随机存储器(RAM)
通常所说的计算机内存容量均指RAM存储器容量，即计算机的主存。RAM有两个特点：第一个特点是CPU可以随时直接对其读/写;当写入时，原来存储的数据被冲掉。第二个特点是易失性，即电源断开(关机或异常断电)时，RAM中的内容立即丢失。因此微机每次启动时都要对RAM进行重新装配。
RAM又可分为SRAM(Static RAM，静态随机存储器)和DRAM(Dynamic RAM，动态随机存储器)两种。静态RAM具有集成度低、价格高、存取速度快、不需要刷新的特点;动态RAM具有集成度高、价格低、存取速度较慢、需刷新的特点。
(3)高速缓冲存储器(Cache)
高速缓冲存储器(Cache)主要是为了解决CPU和主存速度不匹配，提高存储器速度而设计的。Cache一般用SRAM存储芯片来实现，因为SRAM比DRAM存取速度快而容量有限。
CPU向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当CPU再次需要这些数据时，CPU就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存，如果需要的数据在高速缓冲存储器中没有.CPU会再去读取内存中的数据。
高速缓冲存储器主要主要由以下几部分组。
•Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。
•地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
•替换部件：在缓存满时按一定策略进行数据块替换并修改地址转换部件。
2.外存
外存可存放大量程序和数据，且断电后数据不会丢失，但是CPU不能直接访问外存，必须将要访问的调入内存，才能被CPU访问。常见的外储存器有硬盘、快闪存储器和光盘等。
(1)硬盘
硬盘(Hard Disk)是微型机上主要的外部存储设备。它由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。硬盘具有容量大、存取速度快等优点，操作系统、可运行的程序文件和用户的数据文件一般都保存在硬盘上。
①硬盘的结构和原理
•磁头：磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。
•磁道：当磁盘旋转时。磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。
因此，磁盘上的磁道是一组同心圆。
•扇区：磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区。
•柱面：硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。
②硬盘的容量
一个硬盘的容量是由以下几个参数决定的，即磁头数H(Heads)、柱面数C(Cylinders)、每个磁道的扇区数S(Sectors)和每个扇区的字节数B(Bytes)。将以上几个参数相乘，乘积就是硬盘容量。即硬盘总容量=磁头数(H)×柱面数(C)×磁道扇区数(S)×每扇区字节数(B)
硬盘容量参差不齐，有320 GB、500 GB、750 GB等，甚至已达到数TB级。主流硬盘各参数为SATA接口、500GB容量、7 200 r/min转速和150 Mbps传输率。
③硬盘接口
硬盘与主板的连接部分就是硬盘接口，常见的有高级技术附件(Advanced Technology Attachment，ATA)、串行高级技术附件(Serial ATA，SATA)和小型计算机系统接口(Small Computer Sys.tem Interface，SCSI)。硬盘接口的性能指标主要是传输率，也就是硬盘支持的外部传输速率。
④硬盘转速
硬盘转速是指硬盘内电动机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内旋转的最大转数。硬盘转速单位为r/rain(Revolu.fions Per Minute)，即转/每分钟。
(2)快闪存储器
快闪存储器(Flash Memory)简称闪存，是电子可撩除可编程只读存储器的一种形式。快闪存储器允许在操作中多次擦或写，并具有非易失性，即单指保存数据而言，它并不需要耗电。
(3)光盘
光盘按类型划分可分为：不可擦写光盘和可擦写光盘。不可擦写光盘有CD-ROM、DVD-ROM等;可擦写光盘有CD-RW、DVD-RAM等，用户可以多次对他们进行读/写。
4.4输入/输出设备
1.输入设备
输入设备是向计算机输人数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输人设备。其中，键盘和鼠标是最常用的输入设备。
2.输出设备
输出设备的功能是将内存中计算机处理后的信息，以各种形式输出。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。但是，在微机的硬件设备中.磁盘驱动器在程序设计中既可以当作输出设备，又可以当作输入设备。
4.5计算机的结构
计算机的硬件不是孤立存在的，在使用时需要相互连接以传输数据，计算机的结构反映了各部件之间的连接方式。
1.总线结构
在这种网络拓扑结构中，所有设备都直接与总线相连，传输介质一般为同轴电缆(包括粗缆和细缆)，也有采用光缆作为总线型传输介质的。根据信号不同的性质，可以将总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
(1)数据总线
用于传送数据信息。因为数据总线是双向三态形式的总线，所以它既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。
(2)地址总线
又称位址总线，地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，地址总线的宽度，随可用寻址的内存元件大小的改变而改变，决定有多少的内存可以被存取。
(3)控制总线
主要用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，即有微处理器送往存储器和输入输出设备接口电路的，也有是其它部件反馈给的CPU。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。
2.直接连接
最早的计算机基本上采用直接连接的方式，运算器、存储器、控制器和外部设备等组成部件之中的任意两个组成部件相互之间基本上都有单独的连接线路。这样的结构可以获得最高的连接速度，但不易扩展。如由冯。诺依曼在1952年研制的计算机IAS。基本上就采用了直接连接的结构。
4.6计算机的主要性能指标
1.字长
字长是指计算机CPU能够直接处理的二进制数据的位数。
2.时钟频率
时钟频率是指计算机CPU的时钟频率。主要的单位为兆赫兹(MHz)或吉赫兹(GHz)。
3.运算速度
通常所说的计算机的运算速度一般用百万次/秒(MIPS)来描述。
4.存储容量
存储容量分内存容量和外存容量。这里主要指内存容量。目前微型机的内存容量已达数GB。
5.存取周期
存取周期是CPU从内存储器中存取数据所需的时间。存取周期越短，运算速度越快。
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