1.2.2　计算机硬件的基本结构

1.冯·诺依曼型计算机的基本结构

1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（von Neumann）提出了一个“存储程序，程序控制”的计算机方案，其工作原理如图1-2所示。

冯·诺依曼型计算机的基本思想包含3个要点：

①采用二进制数的形式表示数据和指令。也就是说，在计算机内部用来传送、存储、加工处理的数据或指令都是以二进制数形式进行的。因为，二进制数仅由0和1两个数码组成，不仅运算规则简单，容易实现，稳定可靠，而且0和1正好分别表示逻辑代数中的假值（False）和真值（True），可以实现逻辑运算。

②将指令和数据存放在存储器中。存储程序实现了计算机的自动计算，成为计算机与其他计算工具的本质区别。

③计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

自1946年第一台计算机诞生至今，计算机的结构和技术都没有脱离冯·诺依曼型计算机的基本思想。

2.微型计算机硬件及其功能

（1）微处理器

微型计算机的中央处理器（CPU）习惯上称为微处理器（Micro Processor），是微型计算机的核心，由运算器和控制器两部分组成。运算器（也称执行单元）是微机的运算部件；控制器是微机的指挥控制中心。随着大规模集成电路的出现，使得微处理器的所有组成部分都集成在一块半导体芯片上。目前广泛使用的微处理器有Intel公司的酷睿四核系列、AMD公司的速龙Ⅱ系列等。

计算机的运算速度通常是指每秒所能执行的加法指令数目，用百万次/秒（MIPS）来表示。它能直观反映机器的速度，但不常用。常用描述微机运算速度的指标是CPU的主频，即CPU的时钟频率，单位是Hz（赫兹）。例如，Pentium 4/2.6GHz中的2.6就是指CPU的时钟频率。主频越高，微机的运算速度越快。

CPU的主要性能指标除时钟频率外，还有传输速率（bit/s）和字长。字长表示CPU一次能同时处理的二进制数据的位数，单位用“位”（bit）表示。字长越长，计算机的运算精度就越高，数据处理能力就越强。目前流行的CPU字长是64位。

①运算器。运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算，实现逻辑判断。运算器在控制器的控制下实现其功能，运算结果由控制器指挥送到内存储器中。

运算器主要由一个加法器、若干个寄存器和一些控制线路组成。

②控制器。控制器是用来控制计算机各部件协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行。控制器主要由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、时序节拍发生器和操作控制器等组成，它的基本功能就是从内存中取指令（存放到指令寄存器中）和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码（用指令译码器将指令中的操作码翻译成相应的控制信号），然后（操作控制器）根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，控制器在工作过程中，还要接收各部件反馈回来的信息。也就是说，控制器的作用是按一定的顺序产生机器指令以获得执行过程中所需的全部控制信号，这些控制信号作用于计算机的各个部件使其完成各项功能，从而达到执行指令的目的。

为了让计算机按照人的意识和思维正确运行，必须设计出让计算机可以识别和执行的语言——机器指令。机器指令通常由操作码和操作数两部分组成。

（2）存储器

存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。

存储器可分为两种：内存储器与外存储器。

①内存储器又称主存储器（简称内存或主存）。内存存储容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，它可以解决主机与外设之间速度不匹配问题。内存储器由许多存储单元组成，每个单元能存放一个二进制数，或一条由二进制编码表示的指令，一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位。存储器的存储容量以字节为基本单位，每个字节都有自己的编号，称为“地址”，如要访问存储器中的某个信息，就必须知道它的地址，然后再按地址存入或取出信息。

为了度量信息存储容量，将8位二进制码（bit）构成一个字节（Byte），简称B，字节是计算机中数据处理和存储容量的基本单位。常用的存储单位及关系如下：

1KB（千字节）=1024B（210B）

1MB（兆字节）=1024KB（220B）

1GB（千兆字节）=1024MB（230B）

1TB（兆兆字节）=1024GB（240B）

计算机处理数据时，一次可以运算的数据长度称为一个“字”（Word）。字的长度称为字长。一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。如某一类计算机的字由4B组成，则字的长度为32位，相应的计算机称为32位机。

内存按功能可分为两种：只读存储器（Read Only Memory，ROM）和随机存储器（Random Access Memory，RAM）。ROM的特点：存储的信息只能被CPU读出（取出），不能改写（存入），断电后信息不会丢失。一般用来存放专用的或固定的程序和数据，如常驻内存的监控程序、基本I/O系统等。随着半导体技术的发展，已出现了多种形式的只读存储器，如PROM（可编程只读存储器）、EPROM（可擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）以及MROM（掩膜型只读存储器）等。

RAM的特点：可以读出，也可以改写，又称读/写存储器。读取时不损坏原有存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容。断电后，存储的内容立即全部消失。依据存储元件结构的不同，RAM又可分为静态RAM（Static RAM，SRAM）和动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）。SRAM（静态随机存取存储器）是利用其触发器的两个稳定态来表示所存储的“0”和“1”，它集成度低、价格高，但存取速度快，常用来做高速缓冲存储器（Cache）。为了解决由于微机CPU工作频率的不断提高，RAM的读/写速度相对较慢，为解决内存速度与CPU速度不匹配，从而影响系统运行速度的问题，故在CPU与内存之间设计了一个容量较小、但速度较快的高速缓存。这种技术使微机的性能大幅度提高。DRAM（动态随机存取存储器）是用半导体中分布电容上有无电荷来表示“0”和“1”。由于电容上分布的电荷会随着电容器的漏电而消失，所以需要周期性地给电容充电，称为刷新。相对高速缓存来说，DRAM的速度较慢，但集成度高、价格低。

②外存储器（简称外存），又称辅助存储器。外存存取容量大，价格低，但存储速度较慢，一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果。外存中的数据只有先调入内存后，才能被CPU访问和处理。外存主要由磁表面存储器和光盘存储器等设备组成。常用的外存有磁盘、光盘等。

a.软磁盘存储器。软磁盘（Floppy Disk）存储器简称软盘。软盘是一种涂有磁性物质的聚酯塑料薄膜圆盘。在磁盘上信息是按磁道和扇区来存放的，软盘的每一面都包含许多肉眼看不见的同心圆，盘上一组密度不同的同心圆环形成的信息区域称为磁道，它由外向内编号，最外层是0磁道，如图1-3所示。每道被划分成相等的区域，称为扇区，一般每个扇区的容量是512B。

在微机中使用的软盘，按尺寸可分为5.25英寸和3.5英寸两种，表1-1列出了这两种软盘的有关参数。

存储容量的具体计算如下：

0.5KB×80×9×2=720KB（512B=0.5KB）

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

5.25英寸软盘的盘面封装在一个方形且中间带孔的纸质封套内。3.5英寸软盘封装在塑料硬套内，如图1-4所示。

在封套的侧面有一个方形缺口，称为写保护口。若保护口打开，磁盘上的信息只能读出，不能写入和修改；若保护口关闭，既能读取又能写入或修改磁盘上的信息。随着存储技术的发展，目前这种低容量的外存已经淘汰。

b.硬磁盘存储器。硬磁盘（Hard Disk）存储器简称硬盘。硬盘是由涂有磁性材料的合金圆盘组成，是微机系统的主要外存储器。硬盘有一个重要的性能指标是存取速度。影响存取速度的因素有：平均寻道时间、数据传输率、盘片的旋转速度和缓冲存储器容量等。一般来说，转速越高的硬磁盘寻道时间越短，数据传输率也越高。硬盘内部结构如图1-5所示。

一个硬盘一般由多个盘片组成，盘片的每一面都有一个读/写磁头。硬盘在使用时，要将盘片格式化成若干个磁道（称为柱面），每个磁道再划分为若干个扇区。当硬盘运行时，主轴底部的电动机带动主轴，主轴带动磁盘高速旋转。盘片高速旋转时带动的气流将磁盘上的磁头托起，磁头是一个质量很轻的薄膜组件，它负责盘片上数据的写入或读出。移动臂用来固定磁头，使磁头可以沿着盘片的径向高速移动，以便定位到指定的磁道。

硬盘的存储容量计算：

存储容量=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数

c.光盘存储器。光盘（Optical Disk）存储器是一种利用激光技术存储信息的装置。目前，用于计算机系统的光盘有三类：只读型光盘、一次写入型光盘和可抹型（可擦写型）光盘。

●只读型光盘（Compact Disk-Read Only Memory，CD-ROM）是一种小型光盘只读存储器。它的特点是只能写一次，而且是在制造时由厂家用冲压设备把信息写入的。写好后信息将永久保存在光盘上，用户只能读取，不能修改和写入。而DVD-ROM属于大容量只读外部存储器。

●一次写入型光盘（CD-R）可由用户写入数据，但只能写一次，写入后不能擦除修改。

●可擦写型光盘（CD-RW）采用一种可以重复写入的技术，而将这种技术应用在光盘刻录机上的产品即称为CD-RW。CD-RW是可擦除型光盘，其存储功能与磁盘相似，用户可以多次对其进行读/写。

CD光盘的后继产品为DVD光盘。DVD的下一代光盘格式是蓝光光盘，它可以存储高品质的影音及高容量的数据。CD光盘的最大容量约是700MB；DVD光盘单面最大容量为4.7GB、双面为8.5GB；蓝光光盘单面单层的容量为25GB、双面为50GB。

d.快闪存储器（Flash）。Flash是一种非易失型半导体存储器（通常称为U盘），即断电后信息不丢失且存取速度快，采用USB接口（中文名为“通用串行总线”），支持热插拔。其中USB 1.1标准接口的传输速率是12MBit/s，USB 2.0的传输速率为480MBit/s，而USB 3.0的传输率为5.0GBit/s。

（3）输入/输出设备

输入/输出设备简称I/O（Input/Output）设备。用户通过输入设备将程序和数据输入计算机，而输出设备是将计算机处理的结果显示或打印出来。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。磁盘驱动器既是输出设备也是输入设备。

①常用输入设备有如下几种：

a.键盘。键盘（Keyboard）是用户与计算机进行交流的主要工具，是计算机最重要的输入设备，也是微型计算机必不可少的外围设备，如图1-6所示。

b.鼠标。鼠标（Mouse）又称鼠标器，也是微机上的一种常用输入设备，可控制显示屏上的各种图形界面，或完成某种特殊的操作。目前常用的鼠标有机械式和光电式两类。

另外，常用的输入设备还有图形扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器、触摸屏以及手写笔等。

②常用输出设备有如下几种：

a.显示器。显示器按输出色彩可分为单色显示器和彩色显示器两大类；按其显示器件可分为阴极射线管（CRT）显示器和液晶显示器（LCD）等。液晶显示器的主要技术指标包括显示分辨率、显示速度、亮度和对比度。

屏幕的分辨率是由屏幕上显示的总点数（像素）来决定的，显示的点数（像素）越多，分辨率越高，显示的字符或图形也就越清晰细腻。因此，分辨率是显示器最主要的性能指标。例如：1024×768是指显示器的标准分辨率（VGA）。

微型计算机的显示系统由显示器和显卡组成。显示卡也称为显示适配器。根据采用的总线标准不同，显示卡有ISA、VESA、PCI、VGA、AGP等类型。

b.打印机。打印机是计算机产生硬拷贝输出的一种设备，提供用户保存计算机处理的结果。打印机的种类很多，按工作原理可分为击打式打印机和非击打式打印机。目前，微机系统中的针式打印机属于击打式打印机；喷墨打印机和激光打印机属于非击打式打印机。

●针式打印机。针式打印机有9针和24针之分，目前使用较多的是24针打印机。针式打印机的主要特点是价格便宜，使用方便，但打印速度较慢，噪声大。

●喷墨打印机。喷墨打印机是直接将墨水喷到纸上来实现打印。喷墨打印机价格低廉、打印效果较好，较受用户欢迎，但喷墨打印机使用的纸张要求较高，墨盒消耗较快。

●激光打印机。激光打印机是激光技术和电子照相技术的复合产物。激光打印机正以速度快、分辨率高、无噪声等优势逐步进入微机外设市场，但价格稍高。

（4）总线

所谓总线（Bus）就是系统部件之间传送信息的公共通道，各个部件由总线连接并经它相互通信。根据所连接部件的不同，总线可分为：

①内部总线。又称片总线，是同一部件（如CPU）内部连接各寄存器及运算部件的总线。

②系统总线。是同一台计算机各部件（如CPU、内存、I/O接口）之间相互连接的总线。系统总线又分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB），分别传递数据、地址和控制信号。

③扩展总线。负责CPU与外围设备之间的通信。

知识点：“误码率”指数据传输中出错数据占被传输数据总数的比例，是通信信道的主要性能参数之一。