1.2.2　計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)

1.馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

1945年美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（von Neumann）提出了一個(gè)“存儲(chǔ)程序，程序控制”的計(jì)算機(jī)方案，其工作原理如圖1-2所示。

馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本思想包含3個(gè)要點(diǎn)：

①采用二進(jìn)制數(shù)的形式表示數(shù)據(jù)和指令。也就是說(shuō)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部用來(lái)傳送、存儲(chǔ)、加工處理的數(shù)據(jù)或指令都是以二進(jìn)制數(shù)形式進(jìn)行的。因?yàn)椋M(jìn)制數(shù)僅由0和1兩個(gè)數(shù)碼組成，不僅運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定可靠，而且0和1正好分別表示邏輯代數(shù)中的假值（False）和真值（True），可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。

②將指令和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)算機(jī)的自動(dòng)計(jì)算，成為計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算工具的本質(zhì)區(qū)別。

③計(jì)算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。

自1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生至今，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)都沒(méi)有脫離馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本思想。

2.微型計(jì)算機(jī)硬件及其功能

（1）微處理器

微型計(jì)算機(jī)的中央處理器（CPU）習(xí)慣上稱(chēng)為微處理器（Micro Processor），是微型計(jì)算機(jī)的核心，由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。運(yùn)算器（也稱(chēng)執(zhí)行單元）是微機(jī)的運(yùn)算部件；控制器是微機(jī)的指揮控制中心。隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使得微處理器的所有組成部分都集成在一塊半導(dǎo)體芯片上。目前廣泛使用的微處理器有Intel公司的酷睿四核系列、AMD公司的速龍Ⅱ系列等。

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度通常是指每秒所能執(zhí)行的加法指令數(shù)目，用百萬(wàn)次/秒（MIPS）來(lái)表示。它能直觀反映機(jī)器的速度，但不常用。常用描述微機(jī)運(yùn)算速度的指標(biāo)是CPU的主頻，即CPU的時(shí)鐘頻率，單位是Hz（赫茲）。例如，Pentium 4/2.6GHz中的2.6就是指CPU的時(shí)鐘頻率。主頻越高，微機(jī)的運(yùn)算速度越快。

CPU的主要性能指標(biāo)除時(shí)鐘頻率外，還有傳輸速率（bit/s）和字長(zhǎng)。字長(zhǎng)表示CPU一次能同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位用“位”（bit）表示。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度就越高，數(shù)據(jù)處理能力就越強(qiáng)。目前流行的CPU字長(zhǎng)是64位。

①運(yùn)算器。運(yùn)算器又稱(chēng)算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit），是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，它的主要功能是對(duì)二進(jìn)制數(shù)碼進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非等基本邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)邏輯判斷。運(yùn)算器在控制器的控制下實(shí)現(xiàn)其功能，運(yùn)算結(jié)果由控制器指揮送到內(nèi)存儲(chǔ)器中。

運(yùn)算器主要由一個(gè)加法器、若干個(gè)寄存器和一些控制線路組成。

②控制器。控制器是用來(lái)控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個(gè)處理過(guò)程有條不紊地進(jìn)行。控制器主要由指令寄存器、指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、時(shí)序節(jié)拍發(fā)生器和操作控制器等組成，它的基本功能就是從內(nèi)存中取指令（存放到指令寄存器中）和執(zhí)行指令，即控制器按程序計(jì)數(shù)器指出的指令地址從內(nèi)存中取出該指令進(jìn)行譯碼（用指令譯碼器將指令中的操作碼翻譯成相應(yīng)的控制信號(hào)），然后（操作控制器）根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過(guò)程中，還要接收各部件反饋回來(lái)的信息。也就是說(shuō)，控制器的作用是按一定的順序產(chǎn)生機(jī)器指令以獲得執(zhí)行過(guò)程中所需的全部控制信號(hào)，這些控制信號(hào)作用于計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件使其完成各項(xiàng)功能，從而達(dá)到執(zhí)行指令的目的。

為了讓計(jì)算機(jī)按照人的意識(shí)和思維正確運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)出讓計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和執(zhí)行的語(yǔ)言——機(jī)器指令。機(jī)器指令通常由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。

（2）存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器具有記憶功能，用來(lái)保存信息，如數(shù)據(jù)、指令和運(yùn)算結(jié)果等。

存儲(chǔ)器可分為兩種：內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器。

①內(nèi)存儲(chǔ)器又稱(chēng)主存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存或主存）。內(nèi)存存儲(chǔ)容量較小，但速度快，用來(lái)存放當(dāng)前運(yùn)行程序的指令和數(shù)據(jù)，它可以解決主機(jī)與外設(shè)之間速度不匹配問(wèn)題。內(nèi)存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元能存放一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，或一條由二進(jìn)制編碼表示的指令，一個(gè)二進(jìn)制位（bit）是構(gòu)成存儲(chǔ)器的最小單位。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量以字節(jié)為基本單位，每個(gè)字節(jié)都有自己的編號(hào)，稱(chēng)為“地址”，如要訪問(wèn)存儲(chǔ)器中的某個(gè)信息，就必須知道它的地址，然后再按地址存入或取出信息。

為了度量信息存儲(chǔ)容量，將8位二進(jìn)制碼（bit）構(gòu)成一個(gè)字節(jié)（Byte），簡(jiǎn)稱(chēng)B，字節(jié)是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)容量的基本單位。常用的存儲(chǔ)單位及關(guān)系如下：

1KB（千字節(jié)）=1024B（210B）

1MB（兆字節(jié)）=1024KB（220B）

1GB（千兆字節(jié)）=1024MB（230B）

1TB（兆兆字節(jié)）=1024GB（240B）

計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)，一次可以運(yùn)算的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度稱(chēng)為一個(gè)“字”（Word）。字的長(zhǎng)度稱(chēng)為字長(zhǎng)。一個(gè)字可以是一個(gè)字節(jié)，也可以是多個(gè)字節(jié)。如某一類(lèi)計(jì)算機(jī)的字由4B組成，則字的長(zhǎng)度為32位，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為32位機(jī)。

內(nèi)存按功能可分為兩種：只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory，ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）。ROM的特點(diǎn)：存儲(chǔ)的信息只能被CPU讀出（取出），不能改寫(xiě)（存入），斷電后信息不會(huì)丟失。一般用來(lái)存放專(zhuān)用的或固定的程序和數(shù)據(jù)，如常駐內(nèi)存的監(jiān)控程序、基本I/O系統(tǒng)等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了多種形式的只讀存儲(chǔ)器，如PROM（可編程只讀存儲(chǔ)器）、EPROM（可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）、EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）以及MROM（掩膜型只讀存儲(chǔ)器）等。

RAM的特點(diǎn)：可以讀出，也可以改寫(xiě)，又稱(chēng)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器。讀取時(shí)不損壞原有存儲(chǔ)的內(nèi)容，只有寫(xiě)入時(shí)才修改原來(lái)所存儲(chǔ)的內(nèi)容。斷電后，存儲(chǔ)的內(nèi)容立即全部消失。依據(jù)存儲(chǔ)元件結(jié)構(gòu)的不同，RAM又可分為靜態(tài)RAM（Static RAM，SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM，DRAM）。SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）是利用其觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)來(lái)表示所存儲(chǔ)的“0”和“1”，它集成度低、價(jià)格高，但存取速度快，常用來(lái)做高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。為了解決由于微機(jī)CPU工作頻率的不斷提高，RAM的讀/寫(xiě)速度相對(duì)較慢，為解決內(nèi)存速度與CPU速度不匹配，從而影響系統(tǒng)運(yùn)行速度的問(wèn)題，故在CPU與內(nèi)存之間設(shè)計(jì)了一個(gè)容量較小、但速度較快的高速緩存。這種技術(shù)使微機(jī)的性能大幅度提高。DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）是用半導(dǎo)體中分布電容上有無(wú)電荷來(lái)表示“0”和“1”。由于電容上分布的電荷會(huì)隨著電容器的漏電而消失，所以需要周期性地給電容充電，稱(chēng)為刷新。相對(duì)高速緩存來(lái)說(shuō)，DRAM的速度較慢，但集成度高、價(jià)格低。

②外存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱(chēng)外存），又稱(chēng)輔助存儲(chǔ)器。外存存取容量大，價(jià)格低，但存儲(chǔ)速度較慢，一般用來(lái)存放大量暫時(shí)不用的程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。外存中的數(shù)據(jù)只有先調(diào)入內(nèi)存后，才能被CPU訪問(wèn)和處理。外存主要由磁表面存儲(chǔ)器和光盤(pán)存儲(chǔ)器等設(shè)備組成。常用的外存有磁盤(pán)、光盤(pán)等。

a.軟磁盤(pán)存儲(chǔ)器。軟磁盤(pán)（Floppy Disk）存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱(chēng)軟盤(pán)。軟盤(pán)是一種涂有磁性物質(zhì)的聚酯塑料薄膜圓盤(pán)。在磁盤(pán)上信息是按磁道和扇區(qū)來(lái)存放的，軟盤(pán)的每一面都包含許多肉眼看不見(jiàn)的同心圓，盤(pán)上一組密度不同的同心圓環(huán)形成的信息區(qū)域稱(chēng)為磁道，它由外向內(nèi)編號(hào)，最外層是0磁道，如圖1-3所示。每道被劃分成相等的區(qū)域，稱(chēng)為扇區(qū)，一般每個(gè)扇區(qū)的容量是512B。

在微機(jī)中使用的軟盤(pán)，按尺寸可分為5.25英寸和3.5英寸兩種，表1-1列出了這兩種軟盤(pán)的有關(guān)參數(shù)。

存儲(chǔ)容量的具體計(jì)算如下：

0.5KB×80×9×2=720KB（512B=0.5KB）

0.5KB×80×18×2=1440KB≈1.44MB（512B=0.5KB）

5.25英寸軟盤(pán)的盤(pán)面封裝在一個(gè)方形且中間帶孔的紙質(zhì)封套內(nèi)。3.5英寸軟盤(pán)封裝在塑料硬套內(nèi)，如圖1-4所示。

在封套的側(cè)面有一個(gè)方形缺口，稱(chēng)為寫(xiě)保護(hù)口。若保護(hù)口打開(kāi)，磁盤(pán)上的信息只能讀出，不能寫(xiě)入和修改；若保護(hù)口關(guān)閉，既能讀取又能寫(xiě)入或修改磁盤(pán)上的信息。隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，目前這種低容量的外存已經(jīng)淘汰。

b.硬磁盤(pán)存儲(chǔ)器。硬磁盤(pán)（Hard Disk）存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱(chēng)硬盤(pán)。硬盤(pán)是由涂有磁性材料的合金圓盤(pán)組成，是微機(jī)系統(tǒng)的主要外存儲(chǔ)器。硬盤(pán)有一個(gè)重要的性能指標(biāo)是存取速度。影響存取速度的因素有：平均尋道時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸率、盤(pán)片的旋轉(zhuǎn)速度和緩沖存儲(chǔ)器容量等。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速越高的硬磁盤(pán)尋道時(shí)間越短，數(shù)據(jù)傳輸率也越高。硬盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

一個(gè)硬盤(pán)一般由多個(gè)盤(pán)片組成，盤(pán)片的每一面都有一個(gè)讀/寫(xiě)磁頭。硬盤(pán)在使用時(shí)，要將盤(pán)片格式化成若干個(gè)磁道（稱(chēng)為柱面），每個(gè)磁道再劃分為若干個(gè)扇區(qū)。當(dāng)硬盤(pán)運(yùn)行時(shí)，主軸底部的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸，主軸帶動(dòng)磁盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)。盤(pán)片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)的氣流將磁盤(pán)上的磁頭托起，磁頭是一個(gè)質(zhì)量很輕的薄膜組件，它負(fù)責(zé)盤(pán)片上數(shù)據(jù)的寫(xiě)入或讀出。移動(dòng)臂用來(lái)固定磁頭，使磁頭可以沿著盤(pán)片的徑向高速移動(dòng)，以便定位到指定的磁道。

硬盤(pán)的存儲(chǔ)容量計(jì)算：

存儲(chǔ)容量=磁頭數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

c.光盤(pán)存儲(chǔ)器。光盤(pán)（Optical Disk）存儲(chǔ)器是一種利用激光技術(shù)存儲(chǔ)信息的裝置。目前，用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的光盤(pán)有三類(lèi)：只讀型光盤(pán)、一次寫(xiě)入型光盤(pán)和可抹型（可擦寫(xiě)型）光盤(pán)。

●只讀型光盤(pán)（Compact Disk-Read Only Memory，CD-ROM）是一種小型光盤(pán)只讀存儲(chǔ)器。它的特點(diǎn)是只能寫(xiě)一次，而且是在制造時(shí)由廠家用沖壓設(shè)備把信息寫(xiě)入的。寫(xiě)好后信息將永久保存在光盤(pán)上，用戶(hù)只能讀取，不能修改和寫(xiě)入。而DVD-ROM屬于大容量只讀外部存儲(chǔ)器。

●一次寫(xiě)入型光盤(pán)（CD-R）可由用戶(hù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，但只能寫(xiě)一次，寫(xiě)入后不能擦除修改。

●可擦寫(xiě)型光盤(pán)（CD-RW）采用一種可以重復(fù)寫(xiě)入的技術(shù)，而將這種技術(shù)應(yīng)用在光盤(pán)刻錄機(jī)上的產(chǎn)品即稱(chēng)為CD-RW。CD-RW是可擦除型光盤(pán)，其存儲(chǔ)功能與磁盤(pán)相似，用戶(hù)可以多次對(duì)其進(jìn)行讀/寫(xiě)。

CD光盤(pán)的后繼產(chǎn)品為DVD光盤(pán)。DVD的下一代光盤(pán)格式是藍(lán)光光盤(pán)，它可以存儲(chǔ)高品質(zhì)的影音及高容量的數(shù)據(jù)。CD光盤(pán)的最大容量約是700MB；DVD光盤(pán)單面最大容量為4.7GB、雙面為8.5GB；藍(lán)光光盤(pán)單面單層的容量為25GB、雙面為50GB。

d.快閃存儲(chǔ)器（Flash）。Flash是一種非易失型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（通常稱(chēng)為U盤(pán)），即斷電后信息不丟失且存取速度快，采用USB接口（中文名為“通用串行總線”），支持熱插拔。其中USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)接口的傳輸速率是12MBit/s，USB 2.0的傳輸速率為480MBit/s，而USB 3.0的傳輸率為5.0GBit/s。

（3）輸入/輸出設(shè)備

輸入/輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱(chēng)I/O（Input/Output）設(shè)備。用戶(hù)通過(guò)輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，而輸出設(shè)備是將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果顯示或打印出來(lái)。常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器既是輸出設(shè)備也是輸入設(shè)備。

①常用輸入設(shè)備有如下幾種：

a.鍵盤(pán)。鍵盤(pán)（Keyboard）是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流的主要工具，是計(jì)算機(jī)最重要的輸入設(shè)備，也是微型計(jì)算機(jī)必不可少的外圍設(shè)備，如圖1-6所示。

b.鼠標(biāo)。鼠標(biāo)（Mouse）又稱(chēng)鼠標(biāo)器，也是微機(jī)上的一種常用輸入設(shè)備，可控制顯示屏上的各種圖形界面，或完成某種特殊的操作。目前常用的鼠標(biāo)有機(jī)械式和光電式兩類(lèi)。

另外，常用的輸入設(shè)備還有圖形掃描儀、條形碼閱讀器、光學(xué)字符閱讀器、觸摸屏以及手寫(xiě)筆等。

②常用輸出設(shè)備有如下幾種：

a.顯示器。顯示器按輸出色彩可分為單色顯示器和彩色顯示器兩大類(lèi)；按其顯示器件可分為陰極射線管（CRT）顯示器和液晶顯示器（LCD）等。液晶顯示器的主要技術(shù)指標(biāo)包括顯示分辨率、顯示速度、亮度和對(duì)比度。

屏幕的分辨率是由屏幕上顯示的總點(diǎn)數(shù)（像素）來(lái)決定的，顯示的點(diǎn)數(shù)（像素）越多，分辨率越高，顯示的字符或圖形也就越清晰細(xì)膩。因此，分辨率是顯示器最主要的性能指標(biāo)。例如：1024×768是指顯示器的標(biāo)準(zhǔn)分辨率（VGA）。

微型計(jì)算機(jī)的顯示系統(tǒng)由顯示器和顯卡組成。顯示卡也稱(chēng)為顯示適配器。根據(jù)采用的總線標(biāo)準(zhǔn)不同，顯示卡有ISA、VESA、PCI、VGA、AGP等類(lèi)型。

b.打印機(jī)。打印機(jī)是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生硬拷貝輸出的一種設(shè)備，提供用戶(hù)保存計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果。打印機(jī)的種類(lèi)很多，按工作原理可分為擊打式打印機(jī)和非擊打式打印機(jī)。目前，微機(jī)系統(tǒng)中的針式打印機(jī)屬于擊打式打印機(jī)；噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)屬于非擊打式打印機(jī)。

●針式打印機(jī)。針式打印機(jī)有9針和24針之分，目前使用較多的是24針打印機(jī)。針式打印機(jī)的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜，使用方便，但打印速度較慢，噪聲大。

●噴墨打印機(jī)。噴墨打印機(jī)是直接將墨水噴到紙上來(lái)實(shí)現(xiàn)打印。噴墨打印機(jī)價(jià)格低廉、打印效果較好，較受用戶(hù)歡迎，但噴墨打印機(jī)使用的紙張要求較高，墨盒消耗較快。

●激光打印機(jī)。激光打印機(jī)是激光技術(shù)和電子照相技術(shù)的復(fù)合產(chǎn)物。激光打印機(jī)正以速度快、分辨率高、無(wú)噪聲等優(yōu)勢(shì)逐步進(jìn)入微機(jī)外設(shè)市場(chǎng)，但價(jià)格稍高。

（4）總線

所謂總線（Bus）就是系統(tǒng)部件之間傳送信息的公共通道，各個(gè)部件由總線連接并經(jīng)它相互通信。根據(jù)所連接部件的不同，總線可分為：

①內(nèi)部總線。又稱(chēng)片總線，是同一部件（如CPU）內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件的總線。

②系統(tǒng)總線。是同一臺(tái)計(jì)算機(jī)各部件（如CPU、內(nèi)存、I/O接口）之間相互連接的總線。系統(tǒng)總線又分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB），分別傳遞數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。

③擴(kuò)展總線。負(fù)責(zé)CPU與外圍設(shè)備之間的通信。

知識(shí)點(diǎn)：“誤碼率”指數(shù)據(jù)傳輸中出錯(cuò)數(shù)據(jù)占被傳輸數(shù)據(jù)總數(shù)的比例，是通信信道的主要性能參數(shù)之一。