1.5.1 计算机硬件系统各组成部分

1. 中央处理器

中央处理器,其英文简称为CPU,其中封装了运算器和控制器,是计算机的心脏。它从内存中提取操纵系统运行的指令或数据,对指令或数据进行处理,并同时对各种设备发出控制信号,最后把处理结果放回内存。

控制器是计算机的指挥中心,根据指令操纵计算机各个部件,使它们协调工作。它解释指令的操作码和地址码,决定应完成哪些操作及其操作顺序,并根据译码结果将适当的控制信号送到其它部件。

运算器完成各种算术运算和逻辑运算,简称为ALU。运算器主要包括:一个能对数据进行算术和逻辑运算的部件ALU,提供操作数和存放操作结果的累加器,若干个存放中间结果的寄存器和计数用的计数器等。

由于控制器和运算器大都仅由单一的电子线路构成,特别是由大规模或超大规模集成电路组成的计算机中,控制器和运算器不仅逻辑关系上,在结构上都有紧密的联系,多被封装在紧密的结构中,甚至干脆组装在一起。同时,它们又是数据加工处理的中心部件,所以合称中央处理机,或中央处理器(CPU)。微机系统中的中央处理器,有时也被称为微处理器(MPU)。

2. 内部存储器

内部存储器(简称内存,也叫主存储器),是计算机中的记忆部件,用于存储计算机系统运行过程中使用的数据及其程序代码。其容量在一定程度上决定计算机系统的运算速度和精度,是计算机的一个重要组成部分。

内存被分为一个个单元,每个单元包括若干二进制位,每个单元(或几个单元)可存放一个数据。存储单元的总数一般是1K(K=1024)的倍数,这个数值称为它的容量。如一台内存容量为4000K的计算机,备有4000×1024=40960000个存储单元。一个内存单元可以包括8个二进制位(一个字节),16个二进制位,或是2个二进制位等等,这是随计算机系统而定的。目前,大多数存储器以8个二进制位作为一个存储单元。

目前,内存主要有两种类型:只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。

. 只读存储器(ROM)

顾名思义,只读存储器中的信息只供读取,计算机用户不能向这种存储器中写入信息。ROM主要用于存放计算机最基本的输入输出控制指令。除非受到特殊命令或者遭到物理性损坏,存储在ROM中的信息不会丢失和发生变化。

从ROM的制作工艺和发展过程看,ROM可分为四类:第一类是掩膜ROM,工厂生产时用掩膜技术将程序固定,以后不能更改。第二类是可编程ROM(PROM),工厂生产时没有装入程序,而由特定的人员(比如计算机制造商)自行装入程序,程序一旦装入,就不能再修改。第三类是可擦除可编程ROM(EPROM),工厂生产时没有装入程序,也是由特定的用户(比如计算机制造商)自行装入程序,程序装入后,就可以在计算机上使用了。对计算机普通用户来说,这些芯片中的程序是不能改变的,也是改变不了的,但是如果特殊用户想更新这些程序,则可以把这种ROM从计算机中取出来,利用特定频率的紫外线照射,清除芯片中的所有程序,然后再利用特殊的设备写入所需的程序。第四类是是电擦除可编程ROM(EEPROM),和第三类一样,芯片工厂生产时也没有装入程序,而由计算机制造商自行装入程序,程序装入后,就可以在计算机上使用了。对计算机来说,普通指令是不能改变这些程序的。和第三类不同的是,如果计算机用户想修改这些程序,则可以把这种ROM芯片从计算机中取出来,利用一定的电压,清除其中的所有程序,然后再利用特殊的设备写入需要的程序。或者直接在计算机上执行特殊的指令,刷新EEPROM中的程序。事实上,近几年广泛应用的刷新BIOS技术就是以这种ROM芯片为基础的。

. 随机存储器(RAM)

CPU既可以随时从RAM片中读出信息,也可以向RAM中写入信息,RAM是程序执行过程中程序存储和信息交换的主要场所。

RAM也可以分为两大类,一类是静态RAM(SRAM),另一类是动态RAM(DRAM)。相比来讲,静态RAM的速度比较快,价格比较高,多用作计算机的高速缓存(Cache),而动态RAM速度相对较低,每2ms需要刷新一次,但价格便宜,因此就用作计算机系统中实际的内存条。

随机存储器的主要特点是,其每个单元的信息被读出后,该单元原有的信息不被破坏,只有当写入新的信息时,才取代原来的信息。现代计算机的RAM是以半导体为元材料的,RAM中的数据在计算机系统断电后,自动全部消失。

由于ROM主要存储计算机硬件的BIOS信息,其容量很少,而RAM用于存储运行中的所有程序和数据,容量要远远大于ROM,因此,我们通常所说的内存容量主要是指RAM的容量。

3. 外存储器

外存储器是计算机重要的存储设备。由于RAM中可以存放的数据是有限的,RAM中的数据会因断电而消失等特点,大量的、必须永久存储的数据必须通过外存保存。与内存相比,外存具有单位价格低廉,存储在外存上的数据不会因断电而丢失等优点,但与内存相比,外存的存取速度较低。另外,我们必须注意的是:存放在外存上的数据必须调入内存后才能被CPU处理。也可以说存储在外存上的数据是静态的,而内存中的数据是动态的。

按照存放数据的方式不同,外存可以分为直接存放设备(随机存取设备)和顺序存取设备两类。随机存取设备的优点是CPU随时可以存取这类设备上任意位置的信息,磁盘类外存储器是典型的随机存取设备。顺序存取设备的特点是数据的读入和写出必须按一定的顺序进行,磁带是典型的顺序存取设备。对于使用磁带存储的信息,为了提取磁头前边或者后边的信息,我们必须频繁地倒带子。

4. 输入输出设备

输入输出设备是人们使用计算机的中间媒介,在人和计算机之间起传送和变换信息的作用。输入设备帮助人类将原始数据送到计算机系统中,输出设备是把计算机运行的结果转化成人们可以接受的信息并从计算机系统输出的设备。

从输入输出功能的角度考虑,我们可以把计算机的设备分为输入、输出两类:

. 常用的输入设备有:键盘、扫描仪、鼠标器、游戏杆、光笔、图像输入设备(扫描仪、数码相机等)、声音输入设备(麦克风、录音机等)等;

. 常用的输出设备有:显示器、打印机、绘图仪、声音输出设备(例如喇叭、音箱等)等;

键盘和显示器被认为是计算机的最基本配置,称之为标准设备。标准设备(CON)包括:标准输入设备键盘,标准输出设备屏幕(或者说显示器)。打印机(PRN)是我们常用输出设备,鼠标器则是常用的输入设备。

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