2.1　计算机硬件系统

计算机系统由硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统两大部分组成。硬件系统主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等，软件系统主要包括系统软件和应用软件。

2.1.1　计算机的硬件组成

计算机有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这5个基本部件，以存储器为中心，计算机硬件系统的组成如图2-1所示。

计算机的基本工作原理为冯·诺依曼原理，即将程序和数据都存放在计算机的存储器中，此后计算机在程序的控制下自动完成算术运算和逻辑运算。硬件系统各部分的功能如下。

（1）运算器。

运算器也称算术逻辑部件（Arithmetic and Logic Unit，ALU），是执行各种运算的装置。其主要功能是对二进制数进行算术运算或逻辑运算。运算器由一个加法器、若干个寄存器和一些控制线路组成。

（2）控制器。

控制器（Control Unit，CU）是计算机的神经中枢，能使计算机的各个部件自动、协调地工作。其主要功能是按预定的顺序不断取出指令进行分析，然后根据指令要求向运算器、存储器等部件发出控制信号，让它们完成指令中规定的操作。

（3）存储器。

存储器（Memory）是计算机中用来存放程序和数据的装置，它具备存储数据和取出数据的功能。存储器可分为两大类：一类是内部存储器，另一类是外部存储器。

存储数据是指向存储器“写入”数据，取出数据是指从存储器里“读出”数据。读/写操作统称为对存储器的访问操作。

（4）输入/输出设备。

【熟记】CPU和存储器的基本概念、ROM和RAM的区别、磁盘存储容量的计算公式、输入/输出设备的识别。

输入设备（Input Device）的主要功能是把准备好的数据、程序、命令及各种信号信息转换为计算机能接收的电信号并送入计算机。

输出设备（Output Device）的主要功能是将计算机处理的结果或工作过程按人们需要的方式输出。

下面具体介绍各种硬件设备。

1 中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是体积小、元器件集成度非常高、功能强大的芯片，故又称微处理器（Micro Processor Unit，MPU），如图2-2所示。它是计算机系统的核心，计算机所做出的全部动作都受CPU 的控制。

CPU 类似于人的大脑，CPU 品质的高低直接决定了计算机系统的档次高低。CPU 的性能指标主要有字长与主频。

CPU 主要由运算器和控制器两大部件组成，还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器（Cache），它们通过内部总线连接在一起。Cache是为了解决CPU与内存（RAM）速度不匹配的问题而设计的，存储容量一般在几十千字节到几百千字节之间，存取速度为15~35ns。

2 存储器

存储器（Memory）是存放程序和数据的部件，可用来存储原始数据、中间计算结果及命令等信息。下面先介绍与存储相关的两个概念。

计算机的存储器可分为内部存储器（又称为主存储器、内存储器、内存或主存）和外部存储器（又称为辅助存储器、外存储器、外存或辅存）。

（1）内部存储器。

内部存储器是用来暂时存放处理程序、待处理的数据和运算结果的主要存储器，它直接和中央处理器交换信息，故称为主存，由半导体集成电路构成。

（2）外部存储器。

在一个计算机系统中，除了内部存储器外，一般还有外部存储器，用于存储暂时不用的程序和数据。目前，常用的外部存储器有硬盘、USB移动硬盘、U盘和光盘，其中硬盘属于磁盘存储器。下面简单介绍磁盘存储器。

为了能在磁盘片上的指定区域读写数据，必须将磁盘划分为若干个有编号的区域。因此，人们将磁盘记录区划分为若干个记录信息的同心圆，同心圆的轨迹称为磁道。

了解磁盘的结构之后，就不难理解磁盘容量的计算方法了。磁盘的存储容量可用以下公式计算。

各类外部存储器介绍如下。

①硬盘。硬盘又称硬磁盘，如图2-3（a）所示，通常采用温切斯特技术制造，故也称为温切斯特盘（温盘）。硬盘的容量大、转速快、存取速度快。

②USB移动硬盘。USB移动硬盘的优点是体积小、质量轻、容量大、存取速度快，可以通过USB接口即插即用，如图2-3（b）所示。

③U盘。U盘又称优盘、拇指盘，如图2-3（c）所示。它是利用闪存（Flash Memory）在断电后还能保证存储的数据不丢失的特点制成的。其优点是质量轻、体积小、即插即用。U盘有基本型、增强型和加密型3种。

④光盘。光盘（Optical Disk）是利用光学原理存储信息的圆盘，需要用光盘驱动器（简称光驱）来读写。根据存储容量的不同，光盘可分为CD光盘和DVD光盘两大类。

● CD光盘：存储容量一般达650MB，单倍速为150Mbit/s。它还可以分为只读型光盘（CD-ROM）、一次性写入光盘（CD-R）和可擦除型光盘（CD-RW）。

● DVD光盘：存储容量极大，120mm的单面单层DVD盘片的容量为4.7GB。DVD光盘可以分为DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM、DVD-Video、DVD-Audio等。

3 输入设备

输入设备是将原始信息（数据、程序、命令及各种信号）送入计算机的设备。计算机常用输入设备的种类和功能如下。

（1）键盘。

键盘是最常用、最基本的一种输入设备，用户通过按键将各种命令、程序和数据送入计算机。目前比较流行的是101键的标准键盘。

101键标准键盘分为4个区域，各区域的功能说明如表2-1所示。

键盘中的一些按键本身有特殊功能，这些功能也是我们经常用到的，下面对其进行简单的介绍，如表2-2所示。

（2）鼠标。

鼠标（Mouse）也是计算机常用的输入设备。它可以用来移动显示器上的鼠标指针以选择菜单命令或单击按钮，向主机发出各种操作命令。鼠标也是绘图的好帮手。

根据结构，鼠标可分为机械鼠标和光电鼠标两大类，如图2-4所示。机械鼠标通过一个橡胶滚动球把位置的移动转换为0/1信号。光电鼠标通过底部的一个光电检测器来确定位置。

（3）其他输入设备。

除键盘和鼠标外，常用的输入设备还有扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器（OCR）、触摸屏、手写笔、话筒和数码相机等。

4 输出设备

输出设备将计算机处理和计算后得到的数据信息传送到外部设备，并将信息转换成人们需要的表示形式。在计算机系统中，最常用的输出设备是显示器和打印机。有时根据需要还可以配置其他输出设备，如绘图仪等。

（1）显示器。

显示器（Monitor）又称监视器。它是计算机必不可少的输出设备之一，用于显示、输出各种数据。

常用的显示器有阴极射线管显示器（CRT）和液晶显示器（LCD）两种，如图2-5所示。

显示器还必须配置显示适配器，简称显卡，显卡主要用于控制显示屏幕上字符与图形的输出。显示器的主要参数有像素与点距、分辨率、尺寸等。

（2）打印机。

打印机是计算机的主要输出设备，它的种类和型号很多，按印字的方式可分为以下两大类。

● 击打式打印机：利用机械动作，将印字活字压向打印纸和色带进行印字。针式打印机属于击打式打印机，如图2-6（a）所示。

● 非击打式打印机：非击打式打印机是靠电磁的作用实现打印的。喷墨打印机[见图2-6（b）]、激光打印机[见图2-6（c）]、热敏打印机和静电打印机等都属于非击打式打印机。喷墨打印机是应用最广泛的非击打式打印机之一。

（3）其他输出设备。

其他输出设备还有绘图仪、声音输出设备（音箱或耳机）、视频投影仪等。

（4）其他输入/输出设备。

目前，不少设备同时集成了输入/输出两种功能，如调制解调器、光盘刻录机等。

2.1.2　计算机的结构

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。

1 直接连接

运算器、存储器、控制器和外部设备4个组成部件之间的任意2个组成部件，相互之间基本上都有单独的连接线路。冯·诺依曼于1952年研制的计算机IAS就采用了直接连接的结构。

2 总线结构

现代计算机普遍采用总线结构。总线是一级连接各个部件的公共通路，能传输运算器、控制器、存储器和输入/输出设备之间进行信息交换和控制传递需要的全部信号。

图2-7所示的是微型计算机总线结构，系统总线把CPU、存储器、输入/输出设备连接起来，使微型计算机系统结构简洁、灵活、规范。

根据传输信号的性质，可以将总线分为以下3部分。

（1）数据总线。

数据总线是在存储器、运算器、控制器和输入/输出设备之间传输数据信号的公共通路。数据总线的位数是计算机的一个重要指标，它体现了计算机传输数据的能力，通常与CPU的位数相对应。

（2）地址总线。

地址总线是CPU向内部存储器和输入/输出设备接口传输地址信息的公共通路。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。

（3）控制总线。

控制总线是在存储器、运算器、控制器和输入/输出设备之间传输控制信号的公共通路。

2.1.3　计算机的主要性能指标

计算机的好坏取决于其性能的优劣，但性能的评定标准是什么呢？显然，评定计算机性能的优劣不能只依据一两项指标，而是需要综合考虑。下面介绍计算机的几项核心性能指标。

（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。字长越长，运算精度越高，处理能力越强。通常，字长是8的整数倍，如8位、16位、32位、64位等。

（2）时钟频率。

时钟频率也叫主频，是指计算机CPU 的运行频率。一般主频越高，计算机的运算速度就越快。主频的单位为兆赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）。

（3）运算速度。

通常所说的计算机的运算速度（平均运算速度）是指计算机每秒能执行的加法指令的条数。单位一般是百万次/秒。

（4）存储容量。

存储容量分为内存容量与外存容量。这里主要指内存容量。内存容量越大，计算机的处理速度一般也就越快，处理能力就越强。

（5）存取周期。

存取周期是CPU 从内存中存取数据所需的时间。存取周期越短，计算机的运算速度越快。目前，内存的存储周期为7~70ns。

除了上述主要性能指标外，还有一些其他指标，如系统的兼容性、平均无故障时间、性能价格比、可靠性与可维护性、外部设备配置与软件配置等。 tfWyVWIWDsL9IIG9MjvBi6xnjyDluJO0kK9kZJDNL5OyXwDCe0fxFxno8yRec7VE