2.2       计算机硬件系统

随着电子技术，尤其超大规模集成电路的发展，计算机的硬件指标已发生天翻地覆的变化，但计算机系统的硬件结构未发生根本性变化，仍采用冯·诺依曼计算机体系结构。

2.2.1中央处理器CPU

1.中央处理器CPU（Central Processing Unit）

即中央处理单元，也称为微处理器（Microprocessor），是一块超大规模的集成电路，主要包括运算器、控制器和高速缓冲存储器（Cache）以及实现他们之间联系的各种总线等，所有组成部分被封装在一块面积仅几平方厘米的半导体芯片上，尽管体积很小，但它是一台计算机的运算核心和控制核心，负责整个系统指令的执行、算术与逻辑运算、数据的存储与传送控制及对内对外输出控制等。 

通常，CPU的性能直接反映了它所配置计算机的整体性能，了解和掌握CPU的性能指标对选购和使用计算机很有帮助。CPU的主要性能指标包括以下几个方面：

（1）       主频

也叫时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。

（2）       字长

指一次CPU操作所能处理数据的位数。字长越长，运算精度越高，数据处理速度越快。

（3）       制造工艺

指在硅材料上生产CPU时内部各元器件之间的连线宽度，宽度越小，意味着在同样大小面积上可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。

（4）       缓冲存储器

CPU缓存（Cache）是位于CPU和内存之间的临时存储器，容量比内存小，但CPU访问速度比内存要快得多。

（5）       内核数量

每个内核都是一个独立的CPU，有各自的一级、二级Cache。在操作系统支持下，多个CPU内核并行工作，内核越多，CPU芯片的整体性能越高。

2.中央处理器基本组成

中央处理器（Central Processing Unit，CPU），主要由算数逻辑单元（arithmeticand logic unit，ALU）、控制器（Control Unit，CU ）、寄存器堆等组成。

（1）算术逻辑单元ALU

算术逻辑单元也称运算器，是CPU 的核心，负责完成算术运算如加、减、乘、除等运算，逻辑运算如与、或、非、异或和移位运算。

（2）控制器（ControlUnit）

控制器发出时序控制信号，从内存取指令和执行指令，调度和协调计算机各个部件完成相应操作。

（3）寄存器（Register）

寄存器是能够进行高速读写的存储元件，用来暂存指令、数据和地址。主要包括通用寄存器、数据寄存器、地址寄存器、指令寄存器IR、程序计数器 PC等。

3.中央处理器主要功能

中央处理器的主要工作过程描述如下：

（1）CPU 根据程序计数器 PC中的地址从主存储器或者Cache中取出指令，放入指令寄存器IR，操作控制器OC控制指令的执行过程。

（2）CPU将指令寄存器IR中的指令放入指令寄存器ID，对执行的指令进行分析后，确定所要执行的操作。

（3）根据指令取操作数，并将相应操作数送入相应的CPU部件，启动相应操作对数据进行处理，并对处理时间进行严格控制。

（4）根据指令将处理结果写入相应的寄存器或者写回主存。

2.2.2存储系统

1.存储系统层次结构

计算机系统通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器构成，如图2-10所示。

2.主存储器

主存储器，简称为内存，主要用来存放当前系统正在运行的程序和数据、各种输入输出数据和中间计算结果以及与外部存储器交换信息时作缓冲使用。

计算机内部存储器有两种类型，一种称为只读存储器（Read Only Memory，ROM），另一种称为随机存储器（Random Access Memory，RAM）。

]只读存储器（ROM），顾名思义，只读存储器是一种只能从存储器读取信息而不能写入信息的存储器。ROM中的内容是在系统预先设定好的，机器启动时自动读取ROM中的内容。因此，ROM主要用于存放固化的控制程序，如主板的BIOS（Basic Input Output System）程序。

]随机存储器（RAM）是一种随时可以从内存中读取或者写入信息的存储器，主要用来存放当前要使用的操作系统、应用程序、输入输出数据及中间计算结果等。

RAM与ROM有显著的区别：RAM只能临时存储信息，一旦断电，信息立即消失；ROM在断电情况下也可以存储信息。

在计算机中存储数据使用的存储单位有位、字节和字。

]位（bit）

位是计算机中存储数据的最小单位，用来存在一个0或1的二进制位。

]字节（Byte，简记为B）

字节是内存的最小编址单位，一般由连续的8位构成。计算机中数据的处理和传输都是按字节的整数倍进行的。

]字（Word）

一个字由若干个字节组成，是指计算机作为一个整体一次存取数据的量。如：8位机的存储字是8位字长，即一个字节。

3.辅助存储器

辅助存储器，即外存储器，是指除内存和缓冲存储器以外的存储器，此类存储器一般断电后仍然能保存数据，因此用来长期保存信息。常见的外存储器有硬盘、光盘、U盘，以及远程存储器，如云存储、分布式文件存储等。

（1）硬盘

硬盘（如图2-13所示）指的是固定硬盘，是电脑的主要存储设备，主要由盘片、读写头、马达、底座、电路板等组成。目前常用的文件系统有FAT16、FAT32、NTFS和EXT3。

①FAT16

FAT16分区格式在DOS和Windows3.x中使用，最大支持2GB的磁盘分区，最大缺点是磁盘利用率低，现在大容量磁盘已不采用这种系统格式，但目前几乎所有操作系统都兼容FAT16格式。

②FAT32

FAT32采用32位的文件分配表，使其管理能力增强，突破了FAT16对每个分区只有2GB的限制。但由于FAT32文件系统无法存放大于4GB的单个文件，且安全性能不佳，易产生磁盘碎片，目前已被NTFS文件系统所取代。

③NTFS

NTFS是Windows XP、Windows2000、Windows 7、Windows 8等系列操作系统采用的文件系统。它在安全性、稳定性上和可管理性上表现出色，支持大硬盘和在多硬盘上存储文件。同时，NTFS可以支持的最大分区容量达到2TB。

④EXT3

EXT3是Linux操作系统专用的文件系统，它与其他操作系统的文件系统完全不同，它有NTFS的安全性和稳定性优点，具有日志功能，并拥有较快的运行速度和较小的CPU占有率，死机的机会大大减少。

（2）光盘

光盘存储器是由光盘和光盘驱动器两部分组成，光盘是存储介质，光盘驱动器是光盘的读写设备。由于多媒体系统技术的兴起，光盘存储介质作为一种新型的计算机信息存储介质应运而生，光盘驱动器 。

（3）可移动式存储器

目前广泛使用的可移动式存储器主要有：可移动硬盘、U盘（优盘、闪存盘）和存储卡。

①移动硬盘

②U盘

③存储卡

4.Cache存储器与虚拟存储器

存储系统设计的目标是尽可能实现高速存储器的较高访问速度以及低速存储器较低的造价，由此形成由Cache存储器与虚拟存储器构成的三级层次结构（如图2-17所示），该结构利用存储器访问的局部性原理，将最常被访问的数据从低速、大容量层次写入相对高速、小容量的存储器。

（1）Cache存储器

Cache存储器由Cache与主存储器组成，目的是缩小CPU与主存之间速度的差异，提高CPU访问主存的速度。

（2）虚拟存储器

虚拟存储器又称虚拟内存，由主存储器和辅助存储器组成，目的是从逻辑上扩大主存的存储容量。

2.2.3计算机外部设备

外部设备有输入设备和输出设备。

1.输入设备

输入设备是将计算机外部的数据和程序存储在计算机的各种存储设备中。常用的输入设备主要有键盘，鼠标，触摸屏、扫描仪、数字照相机等。

（1）键盘

（2）鼠标

（3）触摸屏

（4）扫描仪

（5）数字照相机

2.输出设备

输出设备是使计算机的计算结果或者存储的数据转换为图像显示、文本打印、声音播放、设备控制操作的形式向外部输出的终端设备。常见的输出设备有显示器、投影仪、打印机、绘图仪等。

（1）显示器

（2）投影仪

（3）打印机

（4）绘图仪

2.2.4. 总线和接口

1. I/O桥和I/O系统

（1）I/O桥

CPU通过主板上的I/O桥与其他设备进行通信。I/O桥由北桥芯片（North Bridge，NB）与南桥芯片（SouthBridge，SB）组成，是主板芯片组中重要的两枚芯片。

（2）I/O系统

I/O系统包括I/O设备（包括输入/输出设备和存储设备）、设备控制器、高速总线、I/O通道或I/O处理机。

2.总线

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通路，计算机正是通过总线结构连接各个部件形成一个完整的系统。

根据不同的划分标准，总线可以分为以下几类：

（1）       根据总线传输的信息性质划分

将总线划分数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。总线结构图如图2-26所示。

①数据总线

数据总线是双向传输数据的总线，CPU可以通过数据总线从内存或者输入设备读数据，也可以向内存或者输出设备写数据。

②地址总线

地址总线是单向传输地址的总线，CPU可以通过地址总线将要访问的存储单元地址传送到存储器或者输入/输出设备设备。

③控制总线

控制总线是双向传输控制信息、状态和请求等信息的总线，可以通过控制总线向其他部件发送控制信息或传送其他部件发送给CPU的状态请求等信息。

（2）    根据总线工作模式划分

可以将划分为并行总线与串行总线。并行总线在同一时刻可以传输若干位，而串行总线在同一时刻只能传输一位。目前并行总线使用较多，少数总线是串行总线，如USB就是最常用的一种串行总线。

（3）   根据连接的部件划分

可以将总线分为系统总线（或称处理器总线）、存储器总线与输入/输出总线（或称I/O总线）。如图2-10所示，连接CPU与I/O桥的总线称为系统总线，连接I/O桥与主存储器的总线称为存储器总线，连接I/O桥与输入/输出设备的总线称为I/O总线。

3.接口

接口是输入/输出设备接口的简称，接口提供了CPU与输入/输出设备、存储器的连接和数据传输的接口，其功能是连接主机和外部设备并实现两者之间数据的传输，解决计算机不同设备之间的速度、时序、数据类型等不匹配问题。

在计算机硬件系统中，CPU与内存之间、内存与硬盘等外部存储设备之间、输入设备和输出设备与主机之间要不断的相互交换信息、传输数据，总线和接口就是用来实现沟通的硬件设备，通常总线和接口都固化在主板上，如图2-28所示为个人计算机中常用的总线和接口。

2.2.5其他设备

1.主板

主板是计算机的重要部件之一，是CPU与其他设备沟通的桥梁，主要包含印刷电路板、芯片组、扩展插槽、接口以及其他电子元件，它的核心部分是芯片组，芯片组与CPU协同工作，决定电脑的整体性能。

2.视频卡

视频卡是处理影像和图像的适配器，可以通过摄像机、录像机等视频信号输出设备将视频及音频数据转化为数字化文件保存在计算机中，并对其进行播放、视频编辑和传播，是图像与视频处理必不可少的硬件设备。

3.声卡

声卡，也称音频卡，是多媒体计算机中的必要部件，能够实现声波/数字信号转换。

4.网卡

网卡，又称为网络接口卡NIC（NetworkInterface Card）或网络适配器（networkadapter），是连接计算机和传输介质进行数据传输的设备。