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计算机硬件系统概述
2007-07-31 16:51   来源:
摘要:

计算机是由若干相互区别、相互联系和相互作用的要素组成的有机整体。包括硬件系统和软件系统两大部分,如图1-3所示。计算机执行程序,二者协同工作,缺一不可。

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图1-3 计算机系统组成
硬件就是泛指的实际的物理设备,主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分。而只有硬件的裸机是无法运行的,还需要软件的支持。所谓软件,是指为解决问题的而编制的程序及其文档。计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。计算机是依靠硬件系统和软件系统的协同工作来执行给定任务的。
在计算机系统中,硬件是物质基础,软件是指挥枢纽、灵魂,软件发挥如何管理和使用计算机的作用。软件的功能与质量在很大程度上决定了整个计算机的性能。故软件和硬件一样,是计算机工作必不可少的组成部分。
1.4.1计算机硬件组成
计算机是自动化的信息处理装置,它采用了“存储程序”工作原理。这一原理是1946年由美籍匈牙利数学家冯?诺伊曼提出的,其主要思想如下:
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图1-4 计算机硬件基本组成
(1)计算机硬件由五个基本部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
(2)采用二进制。
(3)存储程序的思想,即程序和数据一样,存放在存储器中。
这一原理确定了计算机的基本组成和工作方式,如图1-4所示。
图中实线为程序和数据,虚线为控制命令。计算步骤的程序和计算中需要的原始数据,在控制命令的作用下通过输入设备送入计算机的存储器。当计算开始的时候,在取指令的作用下把程序指令逐条送入控制器。控制器向存储器和运算器发出取数命令和运算命令,运算器进行计算,然后控制器发出存数命令,计算结果存放回存储器,最后在输出命令的作用下通过输出设备输出结果。
计算机系统的基本硬件组成大体上分为以下几部分。
1.中央处理机
中央处理机(Central Processing Unit,CPU),由运算器和控制器组成,是任何计算机系统中必备的核心部件。CPU由运算器和控制器组成,分别由运算电路和控制电路实现。
运算器是对数据进行加工处理的部件,它在控制器的作用下与内存交换数据,负责进行各类基本的算术运算、逻辑运算和其他操作。在运算器中含有暂时存放数据或结果的寄存器。运算器由算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit,ALU)、累加器、状态寄存器和通用寄存器等组成。ALU是用于完成加、减、乘、除等算术运算,与、或、非等逻辑运算以及移位、求补等操作的部件。
控制器是整个计算机系统的指挥中心,负责对指令进行分析,并根据指令的要求,有序地、有目的地向各个部件发出控制信号,使计算机的各部件协调一致地工作。控制器由指令指针寄存器、指令寄存器、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。
寄存器也是CPU的一个重要组成部分,是CPU内部的临时存储单元。寄存器既可以存放数据和地址,又可以存放控制信息或CPU工作的状态信息。
通常把具有多个CPU同时去执行程序的计算机系统称为多处理机系统。依靠多个CPU同时并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向,称为并行处理。
CPU品质的高低,直接决定了一个计算机系统的档次。反映CPU品质的最重要指标是主频和数据传送的位数。主频说明了CPU的工作速度,主频越高,CPU的运算速度越快。现在常用的CPU主频有1.5GHz、2.0GHz、2.4GHz等。
CPU传送数据的位数是指计算机在同一时间能同时并行传送的二进制信息位数。人们常说的16位机、32位机和64位机,是指该计算机中的CPU可以同时处理16位、32位和64位的二进制数据。286机是16位机,386机是32位机,486机是32位机,Pentium机是64位机。随着型号的不断更新,微机的性能也不断提高。
2.存储器
计算机系统的一个重要特征是具有极强的“记忆”能力,能够把大量计算机程序和数据存储起来。存储器是计算机系统内最主要的记忆装置,既能接收计算机内的信息(数据和程序),又能保存信息,还可以根据命令读取已保存的信息。
存储器按功能可分为主存储器(简称主存)和辅助存储器(简称辅存)。主存是相对存取速度快而容量小的一类存储器,辅存则是相对存取速度慢而容量很大的一类存储器。
主存储器,也称为内存储器(简称内存),内存直接与CPU相连接,是计算机中主要的工作存储器,当前运行的程序与数据存放在内存中。
辅助存储器也称为外存储器(简称外存),计算机执行程序和加工处理数据时,外存中的信息按信息块或信息组先送入内存后才能使用,即计算机通过外存与内存不断交换数据的方式使用外存中的信息。
一个存储器中所包含的字节数称为该存储器的容量,简称存储容量。存储容量通常用KB、MB或GB表示,其中B是字节(Byte),并且1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB。例如,640KB就表示640×1024=655360个字节。
(1)内存储器
现代的内存储器多半是半导体存储器,采用大规模集成电路或超大规模集成电路器件。内存储器按其工作方式的不同,可以分为随机存取存储器(简称随机存储器或RAM)和只读存储器(简称ROM)。
● 随机存储器。随机存储器允许随机的按任意指定地址向内存单元存入或从该单元取出信息,对任一地址的存取时间都是相同的。由于信息是通过电信号写入存储器的,所以断电时RAM中的信息就会消失。计算机工作时使用的程序和数据等都存储在RAM中,如果对程序或数据进行了修改之后,应该将它存储到外存储器中,否则关机后信息将丢失。通常所说的内存大小就是指RAM的大小,一般以KB或MB为单位。
●只读存储器。只读存储器是只能读出而不能随意写入信息的存储器。ROM中的内容是由厂家制造时用特殊方法写入的,或者要利用特殊的写入器才能写入。当计算机断电后,ROM中的信息不会丢失。当计算机重新被加电后,其中的信息保持原来的不变,仍可被读出。ROM适宜存放计算机启动的引导程序、启动后的检测程序、系统最基本的输入输出程序、时钟控制程序以及计算机的系统配置和磁盘参数等重要信息。

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