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　　第4章 計算機硬件系統

　　計算機系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。其中，計算機的硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大基本部件組成。運算器也稱為算術邏輯部件(ALU)，主要功能是對二進制數碼進行算術或邏輯運算。控制器是計算機的神經中樞，指揮計算機各個部件自動、協調地工作。在計算機的5個基本部件中，運算器和控制器共同組成了中央處理器(CPU)，而CPU和和存儲器又構成了計算機的主機。下面將具體介紹各個部件。

　　4.1運算器

　　(1)運算器的組成

　　運算器的基本功能是完成對各種數據的加工處理，即數據的算術運算和邏輯運算。運算器由算術邏輯單元、累加器、狀態寄存器、通用寄存器組等組成。

　　運算器包括寄存器、執行部件和控制電路三個部分。運算器中的寄存器用于I臨時保存參加運算的數據和運算的中間結果等。執行部件包括一個加法器和各種類型的輸入輸出門電路。控制電路按照一定的時間順序發出不同的控制信號，使數據經過相應的門電路進人寄存器或加法器，完成規定的操作。

　　運算器主要由算術邏輯部件、通用寄存器組和狀態寄存器組成。

　　•算術邏輯部件ALU。ALU主要完成對二進制信息的定點算術運算、邏輯運算和各種移位操作。ALU能處理的數據位數(即字長)與機器有關。

　　•通用寄存器組：近期設計的機器的運算器都有一組通用寄存器。主要用來保存參加運算的操作數和運算的結果。

　　•狀態寄存器：狀態寄存器用來記錄算術、邏輯運算或測試操作的結果狀態。程序設計中，這些狀態通常用作條件轉移指令的判斷條件，所以又稱為條件碼寄存器。

　　(2)與運算器相關的性能指標包括計算機的字長和運算速度

　　•字長：指計算機運算部件～次能同時處理的二進制數據的位數。作為存儲數據，字長越長，則計算機的運算精度就越高;作為存儲指令，字長越長，則計算機的處理能力就越強。

　　•運算速度：計算機的運算速度通常是指每秒鐘所能執行的

　　加法指令的數目。常用百萬次/秒(Million Instructions Per Second，MIPS)來表示。這個指標更能直觀地反映機器的速度。

　　4.2控制器

　　控制器是計算機的重要部件，它對輸入的指令進行分析，并統一控制計算機的各個部件完成一定的任務。控制器是發布命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作。

　　控制器由指令寄存器、指令譯碼器、程序計數器和操作控制器四個部件組成。指令寄存器用以保存當前執行或即將執行的指令代碼;指令譯碼器用來解析和識別指令寄存器中所存放指令的性質和操作方法;操作控制器則根據指令譯碼器的譯碼結果，產生該指令執行過程中所需的全部控制信號和時序信號;程序計數器總是保存下一條要執行的指令地址，從而使程序可以自動、持續地運行。

　　控制器的功能如下。

　　•數據緩沖：由于I/O設備的速率較低而CPU和內存的速率卻很高，故在控制器中必須設置緩沖器。

　　•差錯控制：設備控制器還兼管對由I/O設備傳送來的數據進行差錯檢測。

　　•數據交換：這是指實現CPU與控制器之間、控制器與設備之間的數據交換。為此，在控制器中需設置數據寄存器。

　　•狀態說明：標識和報告設備的狀態控制器應記下設備的狀態供CPU了解。

　　•接收和識別命令：CPU可以向控制器發送多種不同的命令，設備控制器應能接收并識別這些命令。

　　•地址識別：就像內存中的每一個單元都有一個地址一樣，系統中的每一個設備也都有一個地址，而設備控制器又必須能夠識別它所控制的每個設備的地址。此外，為使CPU能向(或從)寄存器中寫入(或讀出)數據，這些寄存器都應具有唯一的地址。

　　4.3存儲器

　　存儲器是存儲程序和數據的部件。它可以自動完成程序或數據的存取。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中，存儲器是計算機系統中的記憶設備。按用途存儲器可分為主存儲器(內存)和輔助存儲器(外存)兩大類。CPU不能直接訪問外存，當需要某一程序或數據時.首先應調入內存，然后再運行。

　　1.內存

　　內存一般采用半導體存儲單元.包括只讀存儲器、隨機存儲器和高速緩沖存儲器。

　　(1)只讀存儲器(ROM)

　　只讀存儲器在制造的時候，信息(數據或程序)就被存入并永久保存。這些信息只能讀出，一般不能寫入，即使停電，這些數據也不會丟失。只讀存儲器一般用于存放計算機的基本程序和數據。下面介紹幾種常用的ROM。

　　•可編程只讀存儲器(Pmgrammah|e ROM，FPROM)：一種電腦存儲記憶晶片，它允許使用稱為PROM編程器的硬件將數據寫入設備中。在PROM被編程后，它就只能專用那些數據，并且不能被再編程。

　　•可擦除可編程只讀存儲器(Erasable PROM，EPROM)：可實現數據的反復擦寫。使用時，利用高電壓將信息編程寫入，擦除時將線路曝光于紫外線下，則信息被清空。EPROM通常在封裝外殼上會預留一個石英透明窗以方便曝光。

　　•電可擦除可編程只讀存儲器(Electrically EPROM.EEP-ROM)，可實現數據的反復的擦寫。其實現原理類似EPROM，只是擦除方式是使用高電壓完成，因此不需要透明窗曝光。

　　(2)隨機存儲器(RAM)

　　通常所說的計算機內存容量均指RAM存儲器容量，即計算機的主存。RAM有兩個特點：第一個特點是CPU可以隨時直接對其讀/寫;當寫入時，原來存儲的數據被沖掉。第二個特點是易失性，即電源斷開(關機或異常斷電)時，RAM中的內容立即丟失。因此微機每次啟動時都要對RAM進行重新裝配。

　　RAM又可分為SRAM(Static RAM，靜態隨機存儲器)和DRAM(Dynamic RAM，動態隨機存儲器)兩種。靜態RAM具有集成度低、價格高、存取速度快、不需要刷新的特點;動態RAM具有集成度高、價格低、存取速度較慢、需刷新的特點。

　　(3)高速緩沖存儲器(Cache)

　　高速緩沖存儲器(Cache)主要是為了解決CPU和主存速度不匹配，提高存儲器速度而設計的。Cache一般用SRAM存儲芯片來實現，因為SRAM比DRAM存取速度快而容量有限。

　　CPU向內存中寫入或讀出數據時，這個數據也被存儲進高速緩沖存儲器中。當CPU再次需要這些數據時，CPU就從高速緩沖存儲器讀取數據，而不是訪問較慢的內存，如果需要的數據在高速緩沖存儲器中沒有.CPU會再去讀取內存中的數據。

　　高速緩沖存儲器主要主要由以下幾部分組。

　　•Cache存儲體：存放由主存調入的指令與數據塊。

　　•地址轉換部件：建立目錄表以實現主存地址到緩存地址的轉換。

　　•替換部件：在緩存滿時按一定策略進行數據塊替換并修改地址轉換部件。

　　2.外存

　　外存可存放大量程序和數據，且斷電后數據不會丟失，但是CPU不能直接訪問外存，必須將要訪問的調入內存，才能被CPU訪問。常見的外儲存器有硬盤、快閃存儲器和光盤等。

　　(1)硬盤

　　硬盤(Hard Disk)是微型機上主要的外部存儲設備。它由磁盤片、讀寫控制電路和驅動機構組成。硬盤具有容量大、存取速度快等優點，操作系統、可運行的程序文件和用戶的數據文件一般都保存在硬盤上。

　　①硬盤的結構和原理

　　•磁頭：磁頭是硬盤中最昂貴的部件，也是硬盤技術中最重要和最關鍵的一環。

　　•磁道：當磁盤旋轉時。磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道。

　　因此，磁盤上的磁道是一組同心圓。

　　•扇區：磁盤上的每個磁道被等分為若干個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區。

　　•柱面：硬盤通常由重疊的一組盤片構成，每個盤面都被劃分為數目相等的磁道，并從外緣的“0”開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為磁盤的柱面。

　　②硬盤的容量

　　一個硬盤的容量是由以下幾個參數決定的，即磁頭數H(Heads)、柱面數C(Cylinders)、每個磁道的扇區數S(Sectors)和每個扇區的字節數B(Bytes)。將以上幾個參數相乘，乘積就是硬盤容量。即硬盤總容量=磁頭數(H)×柱面數(C)×磁道扇區數(S)×每扇區字節數(B)

　　硬盤容量參差不齊，有320 GB、500 GB、750 GB等，甚至已達到數TB級。主流硬盤各參數為SATA接口、500GB容量、7 200 r/min轉速和150 Mbps傳輸率。

　　③硬盤接口

　　硬盤與主板的連接部分就是硬盤接口，常見的有高級技術附件(Advanced Technology Attachment，ATA)、串行高級技術附件(Serial ATA，SATA)和小型計算機系統接口(Small Computer Sys.tem Interface，SCSI)。硬盤接口的性能指標主要是傳輸率，也就是硬盤支持的外部傳輸速率。

　　④硬盤轉速

　　硬盤轉速是指硬盤內電動機主軸的旋轉速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內旋轉的最大轉數。硬盤轉速單位為r/rain(Revolu.fions Per Minute)，即轉/每分鐘。

　　(2)快閃存儲器

　　快閃存儲器(Flash Memory)簡稱閃存，是電子可撩除可編程只讀存儲器的一種形式。快閃存儲器允許在操作中多次擦或寫，并具有非易失性，即單指保存數據而言，它并不需要耗電。

　　(3)光盤

　　光盤按類型劃分可分為：不可擦寫光盤和可擦寫光盤。不可擦寫光盤有CD-ROM、DVD-ROM等;可擦寫光盤有CD-RW、DVD-RAM等，用戶可以多次對他們進行讀/寫。

　　4.4輸入/輸出設備

　　1.輸入設備

　　輸入設備是向計算機輸人數據和信息的設備，是計算機與用戶或其他設備通信的橋梁。鍵盤、鼠標、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、游戲桿、語音輸入裝置等都屬于輸人設備。其中，鍵盤和鼠標是最常用的輸入設備。

　　2.輸出設備

　　輸出設備的功能是將內存中計算機處理后的信息，以各種形式輸出。常見的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀、影像輸出系統、語音輸出系統、磁記錄設備等。但是，在微機的硬件設備中.磁盤驅動器在程序設計中既可以當作輸出設備，又可以當作輸入設備。

　　4.5計算機的結構

　　計算機的硬件不是孤立存在的，在使用時需要相互連接以傳輸數據，計算機的結構反映了各部件之間的連接方式。

　　1.總線結構

　　在這種網絡拓撲結構中，所有設備都直接與總線相連，傳輸介質一般為同軸電纜(包括粗纜和細纜)，也有采用光纜作為總線型傳輸介質的。根據信號不同的性質，可以將總線分為數據總線、地址總線和控制總線。

　　(1)數據總線

　　用于傳送數據信息。因為數據總線是雙向三態形式的總線，所以它既可以把CPU的數據傳送到存儲器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數據傳送到CPU。

　　(2)地址總線

　　又稱位址總線，地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，地址總線的寬度，隨可用尋址的內存元件大小的改變而改變，決定有多少的內存可以被存取。

　　(3)控制總線

　　主要用來傳送控制信號和時序信號。控制信號中，即有微處理器送往存儲器和輸入輸出設備接口電路的，也有是其它部件反饋給的CPU。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數要根據系統的實際控制需要而定。

　　2.直接連接

　　最早的計算機基本上采用直接連接的方式，運算器、存儲器、控制器和外部設備等組成部件之中的任意兩個組成部件相互之間基本上都有單獨的連接線路。這樣的結構可以獲得最高的連接速度，但不易擴展。如由馮。諾依曼在1952年研制的計算機IAS。基本上就采用了直接連接的結構。

　　4.6計算機的主要性能指標

　　1.字長

　　字長是指計算機CPU能夠直接處理的二進制數據的位數。

　　2.時鐘頻率

　　時鐘頻率是指計算機CPU的時鐘頻率。主要的單位為兆赫茲(MHz)或吉赫茲(GHz)。

　　3.運算速度

　　通常所說的計算機的運算速度一般用百萬次/秒(MIPS)來描述。

　　4.存儲容量

　　存儲容量分內存容量和外存容量。這里主要指內存容量。目前微型機的內存容量已達數GB。

　　5.存取周期

　　存取周期是CPU從內存儲器中存取數據所需的時間。存取周期越短，運算速度越快。

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