2.1 计算机硬件基础知识

硬件是计算机物理设备的总称，也称为硬设备，是计算机进行工作的物质基础。

2.1.1 指令和程序

1.指令

计算机完成一项工作，是按照人们编制好的程序进行的。如两个数相加的计算机解题过程，可分解为下面的步骤（假定要运算的数据已存在存储器中）。

第1步：把第1个数从它的存储单元中取出来，送到运算器中。

第2步：把第2个数从它的存储单元中取出来，送到运算器中。

第3步：两数相加。

第4步：将计算结果送到存储器指定的单元中。

第5步：停机。

上面的取数、相加、存数等操作都是计算机中的基本操作，将这些基本操作用命令的形式写下来就是计算机的指令（Instruction）。也就是说，指令是人们对计算机发出的工作命令，告诉计算机要进行的操作。通常一条指令对应一种基本操作。

指令通常由一串二进制数组成，也称为机器指令。一条指令通常包括操作码和地址码两部分。

操作码：指出机器要执行的操作。

地址码：指出要操作的数据（操作对象）在存储器中的存放地址以及操作结果要存放的地址。

一台计算机可以有许多指令，所有指令的集合称为它的指令集（Instruction Set），又称为指令系统。各种类型的计算机的指令系统都不尽相同，不同的指令系统中的指令数目和功能存在着很大的差异。指令系统的内核是硬件，随着硬件成本的下降，人们为提高计算机的适用范围，不断地增加指令系统中的指令，以求尽可能缩小指令系统与高级语言的语义差异，而在增加新的指令系统时仍然保留了老机器指令系统中的所有指令，使用这些指令的计算机称为“复杂指令计算机”（CISC）。测试结果表明，计算机常用的是仅占20%的一些简单指令。因此，1975年IBM公司提出精简指令系统的设想，选择使用频率较高、长度固定、格式种类和指令寻址方式少的指令构造了“精简指令计算机”（RISC）。

2.程序

程序（Program）是一系列指令组成的，为解决某一具体问题而设计的一系列排列有序的指令的集合。设计及书写程序的过程称为程序设计。

程序存入计算机，计算机就能按照程序进行工作。

2.1.2 存储程序原理

计算机要执行程序中每一条指令才能完成任务。计算机要完成自动连续运算，必须在开始工作后自动地按程序中规定的顺序取出要执行的指令，然后执行其操作。

计算机可以自动完成运算或处理过程的基础是存储程序原理，它是由冯·诺依曼于1946年提出来的，因此称为冯·诺依曼原理，现在的计算机仍然遵循着这个原理。

存储程序原理的要点有：为解决某个问题，要事先编制程序（可以用高级语言或机器语言编写）；程序输入到计算机中，存储在内存储器中（存储原理）；运行时，控制器按地址顺序取出存放在内存储器中的指令，然后分析指令、执行指令，若遇到转移指令，则转移到指定的地址，再按地址顺序访问指令（程序控制）。

计算机的工作都是在控制器的控制下进行的。计算机的工作过程由以下几步组成。

第1步：控制器控制输入设备将数据和程序输入到内存中。

第2步：在控制器的指挥下，从存储器中取出指令到控制器。

第3步：控制器分析指令，指挥运算器、存储器执行规定的操作。

第4步：运算结果由控制器控制送到存储器保存或送到输出设备输出。

第5步：返回第2步，继续取下一条指令，然后执行，直到程序结束。

2.1.3 计算机系统的硬件组成

到目前为止的4代计算机都基于同样的基本原理：以二进制数和程序存储控制为基础。这种结构的计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入及输出设备5部分组成，如图2-2所示。

1.运算器

运算器（Arithmetic Unit，AU）是执行算术运算和逻辑运算的部件，其任务是对信息进行加工处理。运算器由算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit，ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器等组成。

ALU 是对数据进行加、减、乘、除算术运算，与、或、非逻辑运算及移位、求补等操作的部件。累加器用来暂存操作数和运算结果。状态寄存器（或称标志寄存器）用来存放算术逻辑单元在工作中产生的状态信息。通用寄存器用来暂存操作数或数据地址。运算器的性能主要由 MIPS（Million Instructions Per Second，每秒执行百万指令）来衡量。

ALU、累加器和通用寄存器的位数决定了CPU的字长。例如在64位字长的CPU中，ALU、累加器和通用寄存器都是32位的。

运算器的性能指标是衡量整个计算机性能的重要指标之一，与运算器相关的性能指标包括计算机的字长和运算速度。

字长是指计算机的运算器能同时处理的二进制数据的位数，它确定了计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精度就越高，其运算速度也越快。另外，字长也决定了计算机指令的直接寻址能力，字长越长，计算机的处理能力就越强。目前普遍使用的Intel和AMD微处理器大多是32位，也有64位的。

运算速度是一项综合的性能指标，用MIPS表示，计算机的主频和存取周期对运算速度的影响最大。

2.控制器

根据程序的指令，控制器（Control Unit，CU）向各个部件发出控制信息，以达到控制整个计算机运行的目的，因此，控制器是计算机的心脏。

控制器在主频时钟的协调下，使计算机各部件按照指令的要求有条不紊地工作。它不断地从存储器中取出指令，分析指令的含义，根据指令的要求发出控制信号，进而使计算机各部件协调地工作。

运算器与控制器组成中央处理器，中央处理器简称为CPU（Central Processing Unit）。CPU负责解释计算机指令，执行各种控制操作与运算，是计算机的核心部件。从某种意义上说，CPU的性能决定了计算机的性能。目前市场上计算机的CPU芯片主要由Intel、AMD及CYRIX公司提供。Intel公司的系列芯片有8086、80286、80386、80486、Pentium（也叫“奔腾”）、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ、Celeron、Core 2、i3、i5、i7等。

衡量CPU性能的主要指标是主频，即由时钟发生与控制器产生的时钟脉冲的频率，其单位为GHz。计算机的运算速度主要是由主频确定的，主频越高，其运算速度也就越快。

3.存储器

存储器是用来存储程序和数据的记忆部件，是计算机中各种信息的存储和交流中心。Memory 是指内存储器。通常把控制器、运算器和内存储器称作主机。

存储器的主要功能是保存信息。它的功能与录音机类似，使用时可以取出原记录的内容而不破坏其信息（存储器的“读”操作）；也可以将原来保存的内容抹去，重新记录新的内容（存储器的“写”操作）。

存储器分为内部存储器和外部存储器。

（1）内部存储器

内部存储器也称内存（Memory），由大规模集成电路存储器芯片组成，用来存储计算机运行中的各种数据，包括数据、程序、指令等。内存分为RAM、ROM及Cache。

RAM为Random Access Memory的缩写，中文名为“随机读写存储器”。通常说的计算机内存容量就是指的RAM的大小，即计算机的内存。RAM既可从其中读取信息，也可向其中写入信息。在开机之前RAM中没有信息，开机后操作系统对其使用进行管理，关机后其中存储的信息都会消失。RAM中的信息可随时改变。

ROM为Read Only Memory的缩写，中文名为“只读存储器”，即只能从其中读取信息，不可向其中写入信息。在开机之前ROM中已经存有信息，关机后其中的信息不会消失，ROM中的信息一成不变。因此ROM中一般存放计算机系统管理程序，如监控程序、基本输入/输出系统BIOS等。

Cache 中文名叫作“高速缓冲存储器”，它在不同速度的设备之间交换信息时起缓冲作用。相比 RAM和ROM，其读取速度最快。

内存中可存储信息的多少称为存储器的容量，其基本单位为字节（Byte，记作B）。一个字节由8个二进制位组成，“位”是计算机中最小的信息单位，是存放一个英文字符的空间。

存储器的容量单位还有KB、MB、GB、TB等。

1 B = 8 bit

1 KB = 1024 B

1 MB = 1024 KB

1 GB = 1024 MB

1 TB = 1024 GB

① 计算机中的存储地址。

所有的存储单元都按顺序排列，每个单元都有一个编号，单元的编号称为“单元地址”。通过地址编号寻找在存储器中数据单元的过程称为“寻址”。显然，存储器地址的范围多少决定了二进制数的位数。若存储器有 1 024 个（1KB）单元，那么它的地址编码为 0～1 023，对应的二进制数为 0000000000～1111111111，这表明需要用10位二进制数来表示，也就是需要10根地址线，或者说10位地址码可寻址1KB 的存储空间。存储器中的所有存储单元的总和称为这个存储器的存储容量，其单位是 KB、MB、GB或TB。图2-3所示为存储单元的地址和存储内容的示意图。

② 地址和容量的计算。

● 根据地址总线的数量，计算寻址空间

若地址总线有n根，则其寻址空间为2n。

如n = 32，则其寻址空间为232= 4GB

● 根据起始地址和末地址计算存储空间

计算方法为末地址−起始地址+1

若地址范围为4000H～4FFFH，则存储空间为

4FFFH − 4000H + 1 = 1000H = 212B = 4KB

根据存储器的容量和起始地址，计算末地址

计算方法为起始地址+存储容量−1

若存储器的容量为32KB，用十六进制对它的地址进行编码，起始编号为0000H，则末地址为

0000H + 32KB − 1 = 32KB − 1 = 32×210− 1 = 25×210− 1 = 215− 1

　= 1000 0000 0000 0000B − 1 = 8000H − 1 = 7FFFH

内存储器的性能指标有两个：内存容量和存取周期。

内存储器中可以存储的信息总数称为内存容量。内存容量越大，处理数据的范围就越广，运算速度一般也越快。目前计算机的内存容量一般为2GB或4GB。

把信息存入存储器的过程称为“写”，把信息从存储器取出的过程称为“读”。存储器的访问时间（读写时间）是指存储器进行一次读或写操作所需的时间；存取周期是指连续启动两次独立的读或写操作所需的最短时间。目前，计算机的存取周期为几十纳秒（ns）到一百纳秒。

（2）外部存储器

外部存储器也叫辅助存储器或外存，用于内存的后备与补充。其特点是容量大、价格低、可长期保存信息。常用的外存有硬盘、U盘及光盘等。

外部存储器是计算机中的外部设备，用来存放大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序，计算机若要运行存储在外存中的某个程序，须将它从外存读到内存中才能执行。

外存按存储介质分为磁存储器、光存储器和半导体集成电路存储器。

① 硬盘。

硬盘不能像U盘、光盘那样能从主机中方便地取出来，而是一直在主机中。所以，硬盘也叫“不可移动的磁盘”。硬盘具有容量大、存取速度快等优点，操作系统、常用的应用程序、用户的数据文件一般都保存在硬盘上。

硬盘买来后，人们会发现标称容量与实际容量不符，这是由于硬盘厂商对容量的计算方法与计算机上讲的不同引起的，前者以1000进位、后者以1024进位。

硬盘容量由以下几个参数决定：磁头数 H（Heads）或称盘面数、柱面数 C（Cylinders，一个柱面等于所有盘面相同编号的磁道）、扇区数S（Sector，每个磁道的扇区数）、扇区大小（每扇区字节数）。

硬盘总容量 =磁头数（H）×柱面数（C）×扇区数（S）×扇区大小（B）

硬盘接口是硬盘与主板连接的部分，常见的有ATA（Advanced Technology Attachment，高级技术附加装置）、SATA（Serial ATA，串行高级技术附加装置）和SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）。ATA和SATA接口主要用在个人计算机上，SCSI接口主要用在中、高档服务器和高档工作站中。

硬盘转速是指硬盘电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在 1 min 内旋转的最大转数，单位为 rpm （Revolutions Per Minute），即转/分。转速是硬盘的重要参数之一，在很大程度上直接影响硬盘的传输速度。

② 光盘（Optical Disk）。

光盘存储器简称光盘，是一种新型的信息存储设备。光盘具有存储容量大、可长期保存等优点。

光盘有只读型光盘（Compact Disk-Read Only Memory，CD-ROM），用户只能读出光盘上录制好的信息，而不能写入信息；只写一次型光盘（Write Once Only，WORM），用户只能向光盘中写入一次信息，且只能读取光盘上的内容；可重写型光盘（Rewriteable），简称 CD-RW，与 U 盘、硬盘一样可以不断地读写光盘上的内容。

新一代数字多功能光盘（Digital Versatile Disc，DVD），它的大小与CD-ROM光盘的大小相同，但这种光盘容量更大，单面单层的DVD可存储4.7GB的信息，双面双层的DVD最高可存储17.8GB的信息。DVD有3种格式，即只读数字光盘、一次写入光盘和可重复写入的光盘。

蓝光光盘（Blue-ray Disc，BD）是DVD之后的新一代光盘格式之一，它采用蓝色激光进行读写操作，蓝光光盘单面单层为25GB，双面的为50GB。

世界上第一种光驱的速度为150KB/s，后来光驱就以这个速度为基准，如倍速光驱的速度为300KB/s。现在光驱已从开始的4倍速、8倍速，发展到目前的40倍速、50倍速光驱。

③ U盘。

U盘是一种基于USB接口的无需驱动器的微型高容量活动盘，与传统的存储设备相比，U盘的主要特点有：体积小、质量轻、容量大、无外接电源、即插即用、带电插拔、存取速度快、可靠性好、使用USB接口。

USB接口的传输速率有：USB1.1为12Mbit/s，USB2.0为480Mbit/s，USB3.0为5.0Gbit/s。

4.输入/输出设备

输入/输出（Input/Output，I/O）设备用来交换计算机与其外部的信息。常见的输入/输出设备有显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪和绘图机等。

输入/输出设备统称I/O设备，键盘、鼠标和显示器是每一台计算机必备的I/O设备，其他的可以根据需要有选择地配置。

输入/输出设备属于外部设备，除I/O设备外，外部设备还包括存储器设备、通信设备和外部设备处理机等。

下面简要介绍常见的I/O设备。

（1）显示器

显示器属于输出设备，用于显示主机的运行结果。它以可见光的形式传递和处理信息。

显示器按所采用的显示器件可分为阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）显示器、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）和等离子显示器等。目前，微型计算机和笔记本电脑所配备的显示器大多数为LCD。

显示器按所显示的信息内容可分为字符显示器、图形显示器和图像显示器等。

显示器的分辨率表示为水平分辨率（一个扫描行中像素的数目）和垂直分辨率（扫描行的数目）的乘积，如1024×768。分辨率越高，图像就越清晰，分辨率是显示器的一项重要指标。

屏幕上的分辨率或清晰度取决于屏幕上独立显示点的数目，这种独立显示的点称为像素。点距是 CRT显示器的另一项重要的技术指标，它指的是屏幕上相邻两个颜色相同的像素之间的最小距离。点距越小，显示器的分辨率就越高。点距的单位为mm。目前显示器的点距为0.20～0.28mm。

微型计算机的显示系统由显示器和显示卡（Display Adapter，简称显卡）组成，显示器通过显卡与主机相连接。显卡的作用是在显示驱动程序的控制下，负责接收CPU输出的显示数据、按照显示格式进行变换并存储在显存中，再把显存中的数据以显示器所要求的方式输出到显示器。

显示存储器（显存）与系统内存一样，显存越大，可以存储的图像数据就越多，支持的分辨率与颜色数就越高。

根据采用的总线标准不同，显卡有ISA、VESA、PCI、VGA、SVAG、AGP等接口类型。

（2）打印机

打印机属于输出设备，用于打印主机发送的文字或图形。打印机分为两大类：击打式与非击打式。击打式的有针式打印机；非击打式的有激光打印机、喷墨打印机、热敏打印机及静电打印机。

针式打印机靠打印头上的打印针撞击色带而在纸上留下字迹。其优点是造价低，耐用，可以打蜡纸和多层压感纸等。其缺点是精度低，噪声大，体积也较大而不易携带。针式打印机有9针、24针之分，后者打印出质量较高的文字。

喷墨打印机的打印头没有打印针，而是一些打印孔，从这些孔中喷出墨水到纸上从而印上字迹。喷墨打印机的优点是可以彩色打印，安静无噪声，精度比针式打印机高，有些型号的喷墨打印机的体积很小，便于携带，价格介于针式打印机与激光打印机之间。其缺点是不能打印蜡纸和压感纸。

激光打印机把电信号转换成光信号，然后把字迹印在复印纸上。其工作原理与复印机相似。不同之处在于：复印机从原稿上用感光来获得信息，而激光打印机从计算机接收信息。激光打印机的优点是印字精度很高。现在的许多报纸、图书的出版稿都是由激光打印机打印的。另一个优点是安静，打印时只发出一点点声音。激光打印机的缺点是设备价格高、耗材贵、打印成本高。

（3）键盘

键盘属于输入设备，专门用于向主机发送信息。按其结构可分为机械式、薄膜式、电容式、无线键盘等。目前常用的键盘有3种：标准键盘（有83个按键）、增强键盘（有101个按键）和微软自然键盘（有104个按键）。

键盘按键包括数字键、字母键、符号键、功能键和控制键。

键盘上的字符分布是根据字符的使用频率决定的。人的十根手指的灵活程度是不一样的，灵活一点的手指分管使用频率较高的键位，反之分管使用频率较低的键位。将键盘一分为二，左右手分管两边，分别先按在基本键位上。

（4）鼠标

鼠标是一种光标移动及定位设备。从外形上看，鼠标是一个可以握在手掌中的小盒子，通过一条电缆线与计算机连接，就像老鼠拖着一条长尾巴。在某些软件中，使用鼠标比键盘更方便。

鼠标可以分为机械式、光电式、光学机械鼠标、无线鼠标等。

（5）扫描仪

扫描仪可以把图形图像信息输入到计算机中，形成数据文件。扫描仪通常采用USB接口，支持热插拔，使用方便。

（6）绘图机

绘图机可以绘制计算机处理好的图纸。其绘制速度快、绘制质量高，因而常使用在计算机辅助设计（CAD）等领域中。绘图机有平板和滚筒两类。

5.计算机的结构

计算机硬件系统的五大部件并不是孤立存在的，它们在处理信息的过程中需要相互连接和传输。计算机的结构反映了计算机各个组成部件之间的连接方式。

现代计算机普遍采用总线（Bus）结构。

为了节省计算机硬件连接的信号线，简化电路结构，计算机各部件之间采用公共通道进行信息传送和控制。计算机部件之间分时地占用着公共通道进行数据的控制和传送，这样的通道简称为总线。总线经常被比喻为“高速公路”，它包含了运算器、控制器、存储器和I/O设备之间进行信息交换和控制传递所需要的全部信号。按照传输信号的性质划分，总线有下面3类。

● 数据总线（DB）。

数据总线用来传输数据信息，它是双向传输的总线，CPU既可以通过数据总线从内存或输入设备读入数据，又可以通过数据总线将内部数据送至内存或输出设备。数据总线的位数是计算机的一个重要指标，它体现了传输数据的能力，通常与CPU的位数相对应。

● 地址总线（AB）。

地址总线用来传送CPU发出的地址信号，是一条单向传输线，目的是指明与CPU交换信息的内存单元或输入/输出设备的地址。由于地址总线传输地址信息，所以地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的内存范围。

● 控制总线（CB）。

控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存和外部设备发出的控制信号，有的则是内存或外部设备向CPU传送的状态信息。

总线在发展过程中已逐步标准化，常见的总线标准有ISA总线、EISA总线、PCI总线和AGP总线等。

● ISA（Industrial Standard Architecture，工业标准结构）总线是16位的总线结构，适用范围广，但对CPU资源占用太高，数据传输带宽太小。

● EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准结构）总线是对ISA总线的扩展。

● PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）总线是32位的高性能总线，它是目前个人计算机中使用最为广泛的总线，与 ISA 总线兼容。该总线具有性能先进、成本低、可扩充性好的特点。

● AGP总线在显卡与内存之间提供了一条直接访问的途径。

● SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）是一种用于计算机和智能设备之间（硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等）系统级接口的独立处理器标准，具有支持多个设备、CPU占用极低、智能化等特点。

● USB（Universal Serial BUS，通用串行总线）是一个外部总线标准，它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展 PC 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，快速是USB技术的突出特点之一。

总线结构是当今计算机普遍采用的结构，其特点是结构简单、清晰、易于扩展，尤其是在 I/O 接口的扩展能力上，由于采用了总线结构和I/O接口标准，用户几乎可以随心所欲地在计算机中加入新的I/O接口卡。

为什么外设一定要通过设备接口与 CPU 相连，而不是像内存那样直接挂在总线上？其主要原因有：CPU处理的信号只能是数字的，而外设的输入/输出信号有数字的，也有模拟的，对于模拟信号需要接口设备进行转换；CPU 只能接收/发送并行数据，而外设的数据有并行的，也有串行的，因此存在串/并信息转换的问题，这需要接口来实现；外设的工作速度远低于CPU的速度，需要接口在CPU和外设之间起到缓冲和联络的作用。

总线体现在硬件上就是计算机主板（Main Board）上配有插CPU、内存条、显卡、声卡、鼠标、键盘等的各类扩展槽或接口，而光盘驱动器和硬盘驱动器则是与主板相连。