1.2.1　计算机硬件系统

计算机硬件系统是指计算机系统中由电子、机械、磁性和光电元件组成的各种计算机部件和设备，是看得见、摸得着的。

计算机硬件系统通常由五大部件构成：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。它们之间的关系如图1-3所示。其中，细线箭头表示由控制器发出的控制信息流向，粗线箭头表示数据信息流向。这种计算机组成结构就是冯·诺依曼结构。时至今日，我们使用的计算机不管机型大小，都属于这种结构。

计算机五大硬部件的基本功能如下：

1.运算器

运算器的主要功能是完成各种算术运算和逻辑运算，能做加、减、乘、除等数学运算，也能做比较、判断、查找等逻辑运算。

2.控制器

控制器是计算机的指挥中心，负责决定执行程序的顺序，给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令。

计算机运行时，运算器的操作由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器，处理后的结果数据通常送回存储器或暂时寄存在运算器中。

计算机的核心部件CPU（Central Processing Unit，中央处理器）主要由运算器和控制器集成。此外，CPU还包括寄存器、Cache及实现内部联系的总线等。

计算机的性能在很大程度上由CPU的性能决定，而CPU的性能主要体现在其运行程序的速度上。影响运行速度的性能指标包括CPU的工作频率、Cache容量、指令系统和逻辑结构等参数。最主要的是时钟频率，称为主频，单位是兆赫（MHz）或吉赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。通常，主频越高，CPU处理数据的速度就越快。

但单纯地提升主频，已经无法明显提升系统整体性能；而随着提速引起功率增大所带来的散热问题也越来越成为一个无法逾越的障碍；同时，其性价比也令人难以接受。因此，多核心技术应运而生。

多核心，也指单芯片多处理器（Chip Multiprocessors，CMP），是指在一枚芯片中集成两个或多个处理器，各个处理器并行执行不同的进程。多核处理器可以在处理器内部共享缓存，提高缓存利用率，同时简化多处理器系统设计的复杂度，在显著提高并行处理能力从而改善计算机性能的同时，控制了日益突出的功耗问题。当然，不是中央处理器的核心数目越多，其性能会越高。目前的研究表明，当核心到达某一个数目时，性能反而会下降。

3.存储器

存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。

存储器按其在计算机中的作用可分为主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器。中央处理器能直接访问的存储器称为内存储器（也称主存），包括高速缓冲存储器和主存储器。中央处理器不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能由中央处理器进行处理。所以，内存的存取速度比外存快。相对辅存而言，内存的存取速度快，但容量较小，且价格较高。辅存的特点是存储容量大，价格低，但存取速度较慢，由于辅存设置在主机外部，故又称为外存。常用的外存是磁盘、光盘、U盘。

高速缓冲存储器（Cache）是为了解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置的。如图1-4所示，它是介于CPU与M2之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。有了高速缓冲存储器，就能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序执行的速度。

主存储器可分为两类：一类是随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），用于存放现场程序和数据，RAM中的内容可随时按地址进行存取。因为RAM中的信息是由电路的状态表示的，所以断电后信息一般会立即丢失。为此，在录入和编辑过程中应经常存盘，避免因故障或断电造成信息丢失。另一类是只读存储器（Read Only Memory，ROM），其特点是用户在使用时只能进行读操作，不能进行写操作，存储单元中的信息由ROM制造厂商在生产时写入，也可由用户根据需要一次性写入，ROM中的信息关机后不会消失。计算机的BIOS（基本输入输出系统）软件就存放在ROM内。

存储器容量是指存储器中最多可存放二进制数据的总和，其基本单位是字节（Byte，B），每个字节包含8个二进制位（bit）。

一般用KB（千字节）、MB（兆字节）或GB（吉字节）作为存储容量的计量单位，它们之间的关系如下：

1KB=1024B=210B

1MB=1024KB=220B

1GB=1024MB=230B

1TB=1024GB=240B

4.输入设备

输入设备是用来输入计算程序和原始数据的设备。常见的输入设备有键盘、图形扫描仪、鼠标、磁盘驱动器、摄像头、触摸屏等。

5.输出设备

输出设备是用来将计算机工作的中间结果及处理后的结果进行呈现的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、数字绘图仪等。