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计算机硬件是组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称,是构成计算机的物质基础,是计算机系统的核心。

目前大多数计算机都是根据冯·诺伊曼体系结构的思想来设计的,其主要特点是使用二进制数和存储程序,其基本思想是:事先设计好用于描述计算机工作过程的程序,并与数据一样采用二进制形式存储在机器中,计算机在工作时自动、高速地从机器中按顺序逐条取出程序指令加以执行。简而言之,冯·诺伊曼体系结构计算机的设计思想就是存储程序并按地址顺序执行。

在计算机存储器里把程序及其操作数据一同存储的思想,是冯·诺伊曼体系结构(或称存储程序体系结构)的关键所在。在某些情况下,计算机也可以把程序存储在与其操作数据分开的存储器中,这被称为哈佛体系结构(Harvard Architecture),源自Harvard Mark I计算机。现代的冯·诺伊曼计算机在设计中展示出了某些哈佛体系结构的特性,如高速缓存Cache。

冯·诺伊曼体系结构的计算机具有共同的基本配置,即具有5大部件:控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备,这些部件用总线相互连接,如图1-7所示。

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其中,控制器和运算器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。早期的CPU由许多分立元件组成,但是自从20世纪70年代中期以来,CPU通常被制作在单片集成电路上,称为微处理器(Microprocessor)。CPU和存储器通常组装在一个机箱内,合称为主机。除去主机以外的硬件装置称为外围设备。

计算机系统工作时,输入设备将程序与数据存入存储器,运行时,控制器从存储器中逐条取出指令,将其解释成控制命令,去控制各部件的动作。数据在运算器中加工处理,处理后的结果通过输出设备输出。

1.控制器

控制器是计算机的管理机构和指挥中心,它按照预先确定的操作步骤,协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作。

控制器工作的实质就是解释程序,它每次从存储器读取一条指令,经过分析译码,产生一系列操纵计算机其他部分工作的控制信号(操作命令),发向各个部件,控制各部件动作,使整个机器连续、有条不紊地运行。高级计算机中的控制器可以改变某些指令的顺序,以改善性能。

对所有CPU而言,一个共同的关键部件是程序计数器(Program Counter),它是一个特殊的寄存器,记录着将要读取的下一条指令在存储器中的位置。

2.运算器

运算器是一个用于信息加工的部件,用于对数据进行算术运算和逻辑运算。

运算器通常由算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit,ALU)和一系列寄存器组成。其中,ALU是具体完成算术与逻辑运算的单元,是运算器的核心,由加法器和其他逻辑运算单元组成。寄存器用于存放参与运算的操作数。累加器是一个特殊的寄存器,除了存放操作数之外,还用于存放中间结果和最后结果。

特定ALU所支持的算术运算,可能仅局限于加法和减法,也可能包括乘法、除法,甚至三角函数和平方根。有些ALU只支持整数,而其他ALU则可以使用浮点来表示有限精度的实数。但是,能够执行最简单运算的任何计算机,都可以通过编程,把复杂的运算分解成它可以执行的简单步骤。所以,任何计算机都可以通过编程来执行任何的算术运算,如果其ALU不能从硬件上直接支持,则该运算将用软件方式实现,但需要花费较多的时间。

超标量(Superscalar)计算机包含多个ALU,可以同时处理多条指令。图形处理器和具有单指令流多数据流SIMD和多指令流多数据流MIMD特性的计算机,通常提供可以执行矢量和矩阵算术运算的ALU。

3.存储器

存储器的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据,数据是计算机操作的对象。不管是程序还是数据,在存储器中都是用二进制数的形式来表示的,统称为信息。向存储器存入或从存储器取出信息,都称为访问存储器。

计算机存储器是由可以存放和读取数值的一系列单元所组成的,每个存储单元都有一个编号,称为“地址”。向存储器中存数或者从存储器中取数,都要按给定的地址来寻找所选择的存储单元。存放在存储器中的信息可以表示任何东西,文字、数值甚至计算机指令都可以同样容易地存放到存储器中去。

由于计算机仅使用0和1两个二进制数字,所以使用位(bit,简写成b)作为数字计算机的最小信息单位,包含1位二进制信息(0或1)。当CPU向存储器送入或从存储器取出信息时,不能存取单个的位,而是使用字节、字等较大的信息单位。一个字节(Byte,简写成B)由8位二进制信息组成,而一个字(Word)则表示计算机一次所能处理的一组二进制数,它由一个以上的字节所组成。通常把组成一个字的二进制位数称为字长,例如微型机的字长可以少至8位,多至32位,甚至达到64位。

存储器中所有存储单元的总数,称为存储器的存储容量,通常用单位KB(Kilobyte,千字节)、MB(Megabyte,兆字节)、GB(Gigabyte,千兆字节)表示,如64KB、128MB、256GB。度量存储器容量的各级单位之间的关系为:1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB。存储容量越大,计算机所能存储记忆的信息就越多。

存储器是计算机中存储信息的部件,按照存储器在计算机中的作用,可分为主存储器、寄存器、闪速存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器等几种类型,它们均可完成数据的存取工作,但性能及其在计算机中的作用差别很大。

4.输入输出设备

计算机的输入输出(I/O)设备是计算机从外部世界接收信息并反馈结果的手段,统称为I/O设备或外围设备(Peripheral,简称外设)。各种人机交互操作、程序和数据的输入、计算结果或中间结果的输出、被控对象的检测和控制等,都必须通过外围设备才能实现。

在一台典型的个人计算机上,外围设备包括键盘和鼠标等输入设备,以及显示器和打印机等输出设备。

5.总线

除了上述5大部件外,计算机系统中还必须有总线(Bus)。计算机系统通过总线将CPU、主存储器及I/O设备连接起来。

总线是构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接,计算机在各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。

按照信号类型,可将总线分为数据总线、地址总线和控制总线。其中,数据总线主要传送数据,是双向的,既可以输入,又可以输出;地址总线传送地址信息,是单向的,决定数据或命令传送给谁;而控制总线则传送各种控制信号。