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计算机硬件基础

第一篇

信息系统基础知识

第1章计算机硬件基础

本章主要介绍计算机硬件的基础知识，包括计算机基本组成，中央处理器、存储器、I/O设备等主要部件的性能和基本工作原理，以及计算机体系结构、计算机存储系统等内容。

1.1计算机基本组成

自1946年世界上出现第一台计算机以来，计算机的硬件结构和软件系统都已发生了惊人的变化。

但就其基本组成而言，仍为冯·诺伊曼型计算机的设计思想。

即一个完整的计算机硬件系统由：

运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。

如图1-1所示。

图1-1计算机的基本组成

其中运算器与控制器合称为中央处理器。

内存储器和中央处理器合在一起称为主机。

在计算机硬件系统中不属于主机的设备都属于外部设备，简称外设，包括输入、输出设备及外存储器。

∙运算器。

进行算术和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，它可从存储器取出或来自输入设备，运算结果或写入存储器，或通过输出设备输出；

∙控制器。

协调整个计算机系统的正常工作。

它主要包括指令寄存器、指令译码及时序控制等部件；运算器与控制器—般又称为中央处理部件（CentralProcessingUnit，CPU），它是计算机的核心部件。

∙存储器。

存放数据和程序的部件，它通过地址线和数据线与其他部件相连。

∙输入/输出部件。

包括各类输入/输出设备及相应的输入/输出接口。

1.1.1中央处理器

1．运算器

运算器是计算机中用于信息加工的部件。

它能对数据进行算术逻辑运算。

算术运算按算术规则进行运算，如加、减、乘、除及它们的复合运算。

逻辑运算一般泛指非算术性运算，例如：

比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及“异或”操作等。

运算器通常由算术逻辑运算部件（ALU）和一些寄存器组成。

如图1-2所示是一个最简单的运算器示意图。

ALU是具体完成算术逻辑运算的部件。

寄存器主要用于存放操作数、结果及操作数地址。

累加器除了存放参加运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果。

寄存器的数据一般是从存储器中取得，累加器的最后结果也应存放到存储器中。

现代计算机的运算器中用多个寄存器，如8个、16个、32个或者更多，构成一个通用寄存器组，以减少访问存储器的次数，提高运算器的速度。

图1-2运算器简单示意图

2．控制器

控制器是指挥、协调计算机各大部件工作的指挥中心。

控制器工作的实质就是解释、执行指令。

它每次从存储器中取出一条指令，经分析译码，产生一串微操作命令，发向各个执行部件并控制各部件，使整个计算机连续地、有条不紊地工作。

为了使计算机能够正确执行指令，CPU必须能够按正确的时序产生操作控制信号，这是控制器的主要任务。

如图1-3所示，控制器主要由下列部分组成。

（1）程序计数器（PC）。

又称指令计数器或指令指针（IP），在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地址；在大多数机器中则存放要执行的下一条指令的地址。

指令地址的形成有两种可能：

一是顺序执行的情况，每执行一条指令，程序计数器加“1”以形成下条指令的地址。

该加“1”计数的功能，有的机器是PC本身具有的，也有的机器是借用运算器完成的；二是在某些条件下，需要改变程序执行的顺序，这常由转移类指令形成转移地址送到PC中，作为下条指令的地址。

（2）指令寄存器（IR）。

用以存放现行指令，以便在整个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。

（3）指令译码器。

又称操作码译码器，它对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释，产生相应的控制信号提供给操作控制信号形成部件。

（4）脉冲源及启停控制线路。

脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是周期、节拍和工作脉冲的基准信号。

启停线路则是在需要的时候保证可靠地开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，实现对机器的启动与停机。

（5）时序信号产生部件。

以时钟脉冲为基础，产生不同指令相对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号，以实现机器指令执行过程的时序控制。

（6）操作控制信号形成部件。

综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。

（7）中断机构。

实现对异常情况和某些外来请求的处理。

（8）总线控制逻辑。

实现对总线信息传输的控制。

图1-3控制器组成图

1.1.2存储器

存储器是存放二进制形式信息的部件。

在计算机中它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。

不论是程序和数据，在存储器中都以二进制形式的“1”或“0”表示，统称为信息。

我们可以对存储器中的内容进行读或写操作。

按存储器在计算机中的功能分类：

（1）高速缓冲存储器（Cache）。

目前由双极型半导体组成，构成计算机系统中的一个高速小容量存储器。

其存取速度能接近CPU的工作速度，用来临时存放指令和数据。

（2）主存储器。

主存储器是计算机系统中的重要部件，用来存放计算机运行时的大量程序和数据，主存储器目前一般用MOS半导体存储器构成。

CPU能够直接访问的存储器称内存储器，高速缓存和主存都是内存储器。

在配置了高速缓存的计算机内，主存储器和高速缓存之间要不断交换数据。

如果计算机没有配置高速缓存，内存储器就是主存储器，两个名称可以换用。

（3）辅助存储器。

辅助存储器又称外存储器。

外存储器主要由磁表面存储器组成，近年来，光存储器应用已很广泛，渐渐成为一种重要的辅助存储器。

外存储器的内容需要调入主存后才能被CPU访问。

外存储器的特点是容量大，所以可存放大量的程序和数据。

1.1.3常用I/O设备

1．输入输出设备概述及分类

输入输出设备（又称外围设备）是计算机系统与人或其他设备之间进行信息交换的装置。

输入设备的功能是把数据、命令、字符、图形、图像、声音和电流、电压等信息，变成计算机可以接收和识别的二进制数字代码，供计算机进行运算处理。

输出设备的功能是把计算机处理的结果，变成人最终可以识别的数字、文字、图形、图像和声音等信息，打印或显示出来，以供人们分析与使用。

由于计算机技术的迅速发展与应用领域的不断扩大，输入输出设备种类日益增多，所处理的信息类型也不断增加。

输入输出设备智能化程度越来越高，从而使得输入输出的速度、精度、质量、可靠性以及应用的灵活性，方便性不断提高。

输入输出设备有多种分类的方法。

如果按信息的传输方向来分可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。

（1）输入设备。

键盘、鼠标、光笔、触摸屏、跟综球、控制杆、数字化仪、扫描仪、语言输入、手写汉字识别、以及光学字符阅读机（OCK）等。

这类设备又可以分成两类：

采用媒体输入的设备和交互式输入设备。

采用媒体输入的设备如纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机等，这些设备把记录在各种媒体（如纸带、卡片……）上的信息送入计算机。

一般成批输入，输入过程中使用者不作干预。

交互式设备有键盘、鼠标、触屏、光屏、跟踪对球等。

这些设备由使用者通过操作直接输入信息，不借助于记录信息的媒体。

输入信息可立即显示在屏幕上，操作员可以即时进行删除、修改、移动等操作。

交互式输入设备是近年来研究的热门话题之一，通过它们以建立人机之间的友好界面。

（2）输出设备。

显示器、打印机、绘图仪、语音输出设备，以及卡片穿孔机、纸带穿孔机等。

将计算机输出的数字信息转换成模拟信息，送往自动控制系统进行过程控制，这种数模转换设备也可以视为一类输出设备。

（3）输入输出设备。

磁盘机、磁带、可读/写光盘、CRT终端、通信设备等。

这类设备既可以输入信息，又可以输出信息。

输入输出设备如果按功能分，也可以分成以下3类。

①用于人机接口。

键盘、鼠标、显示器、打印机等。

这类设备用于人机交互信息，且操作员往往可以直接加以控制。

这类设备又可以称为字符型设备，或面向字符的设备，即输入输出设备与主机交换信息以字符为单位，这时主机对外设的控制方法往往不同于其他类型设备。

②用于存储信息。

磁盘、光盘、磁带机等。

这类设备用于存储大容量数据，作为计算机的外存储器使用。

这类设备又可以称为面向信息块的设备，即主机与外设交换信息时不以字符为单位，而以由几十或几百个字节组成的信息块为单位，这时主机对外设的控制也不同于字符型设备。

③机—机联系。

通信设备（包括调制解调器）、数/模、模/数转换设备，主要用于机—机通信。

2．输入设备

输入设备最常用的是键盘与鼠标。

（1）键盘。

键盘是由一组按键和相应的键盘控制器组成的输入设备，其功能是使用者可通过击各键向计算机输入数据、程序和命令等，是计算机不可缺少的最常用输入设备。

按键开关的作用是将操作员的按键动作转换成与该按键对应的字符或控制功能的电信号。

按键开关可归纳成两类：

一类是触点式按键，它借助由机械簧片构成的触点开关的接通或断开，来产生电信号；另一类是非触点式开关，利用电压、电流或电磁场的变化产生输出信号。

计算机中基本上使用后一类开关。

键盘控制器由一些逻辑电路或单片机组成，其功能是进行扫描，判断按键的位置，然后将键盘上的位置码转换成相应的ASCII码，输入计算机。

由于键盘控制器的构成方式不同，键盘可以分成编码键盘和非编码键盘两类。

键盘上也可以输入如汉字等非西文字符，这由各种汉字输入法自行定义。

键盘位置码输入计算机，经过汉字输入软件的处理，转换成该汉字所对应的内码，再进行显示、存储等其他操作。

（2）鼠标器。

鼠标器（mouse）是一种相对定位设备。

它不像键盘那样能进行字符或数字的输入，主要是在屏幕上定位或画图用。

它在计算机上的应用要比键盘晚，随着计算机图形学与图像处理技术的发展，鼠标得以广泛应用。

鼠标器是由于其外形如老鼠而得名，通过电缆与主机相连接。

鼠标器在桌上移动，其底部的传感器检测出运动方向和相对距离，送入计算机，控制屏幕上的鼠标光标作相应移动，对准屏幕上的图标或命令，按下鼠标上的相应按钮，完成指定的操作。

根据鼠标器所采用传感器技术的不同，鼠标器可以分成两类：

机械式与光电式。

∙机械式鼠标器：

其底部有一个圆球，鼠标移动时，圆球滚动带动与球相连的圆盘。

圆盘上的编码器把运动方向与距离送给主机，经软件处理，控制光标作相应移动。

该类鼠标器简单，使用方便，但容易磨损，精度差。

∙光电式鼠标器：

其底部无圆球，而是由光敏元件和光源组成。

使用时，光源发射光线在网格上反射后为光敏器件所接收，测出移动方向和距离，送入计算机，控制光标的移动。

这类鼠标器精度高，可靠性好，但要有专门的网格板。

鼠标器与主机相连有两种方式，通过总线接口或通信接口。

总线接口需要鼠标接口板，通信接口则是把鼠标器接在通信口上。

目前大部分个人计算机把鼠标器接在串行通信口COM1或COM2上。

3．输出设备

（1）打印机。

打印机是计算机系统中最基本的输出设备。

由于打印机打印结果直观、易阅读，便于永久保存，且由于目前打印机的打印质量不断提高，能打印单色或彩色的高清晰度的文字、图形或图像。

目前使用的打印机，以印字原理可以分成击打式打印机和非击打式打印机两类，以输出方式又可分为串行打印机和并行打印机两种。

①击打式打印机。

击打式打印机是以机械力量击打字锤从而使字模隔着色带在纸上打印出字来的设备，这是最早研制成功的计算机打印设备。

该类设备按字锤或字模的构成方式来分，又可以分成整字形击打印设备和点阵打印设备两类。

整字形击打设备利用完整字形的字模每击打一次印出一完整字形。

这类设备的优点是印字美观自然，可同时复印数份。

缺点是噪音大，印字速率低，字符种类少，无法打印汉字或图形，且易磨损，这类打印设备若按字模载体的形态分，又可以分成球形、菊花瓣形、轮式、鼓式等打印机。

点阵式击打设备是利用多根针经色带在纸上打印出点阵字符的印字设备，它又称为针式打印机。

目前有7针、9针、24针或48针的印字头。

这类打印设备结构简单，印字速度快，噪声小，成本低，且可以打印汉字或图形、图像，是目前仍在广泛使用的一类打印设备。

②非击打式印字机。

非击打式印字机是一种利用物理的（光、电、热、磁）或化学的方法实现印刷输出的设备。

与击打式打印设备不同，这类设备的印字头不与纸或其他媒体接触，或虽接触但无击打动作。

这类设备打印无噪声，印字速度快，可以打印汉字、图形与图像等，不少设备还可以实现彩色打印。

由于该类设备价格已逐步降低，所以深受用户欢迎。

非击打式印字机还可以分成多种类型：

∙激光印字机：

是利用激光打印出精美文字和图片的一种输出设备。

激光印字机印刷速度快，印字质量好，噪音低，分辨率高，印刷输出成本低，这是目前应用最广泛的一种非击打式印字机。

∙喷墨打印机：

是利用喷墨头喷射出可控的墨滴从而在打印纸上形成文字或图片的一种设备。

这也是目前应用较多的一种打印输出设备。

∙热敏打印机：

有热印纸式和热转印式两种。

利用印字头上多个电热元件在特殊的热敏纸上瞬时加热形成字符的设备叫热敏纸打印机；利用转印色带将字符转印到纸上的设备叫热转印打印机。

热敏打印机可以印刷出色彩精美逼真的图像。

（2）显示器。

显示器是用来显示数字、字符、图形和图像的设备，它由监视器和显示控制器组成，是计算机系统中最常用的输出设备之一。

监视器由阴极射线管（CRT）、亮度控制电路（控制栅）、以及扫描偏转电路（水平/垂直扫描偏转线圈）等部件构成，工作原理如图1-4所示。

图1-4监视器工作原理

由热发射产生的电子流在真空中在几千伏高压的影响下射向CRT前部，控制栅的电压决定有多少电子被允许通过，经过聚焦的电子束在水平与垂直偏转电路控制下射向屏幕，轰击涂有荧光粉的CRT屏幕，产生光点。

通过控制栅电压强弱的控制，达到控制光点有无的目的，从而形成显示图像。

在光栅扫描显示器中，为了保证屏幕上显示的图像不产生闪烁，图像必须以50帧/秒至70帧/秒的速度进行刷新。

这样，固定分辨率的图形显示器其行频、水平扫描周期、每像素读出时间，均有一定要求。

例如当分辨率为640 ´ 480时，且假定水平回扫期和垂直回扫期各占水平扫描周期和垂直扫描周期的20%。

则行频为480线 ¸ 80/100 ´ 50帧/s=30kHz

水平扫描周期HC=1/30kHz=33ms

每一像素读出时间为33ms ´ 80% ¸ 640 = 40~50ns

若分辨率提高到1024 ´ 768，帧频为60帧/秒，则行频提高到57.6kHz，水平扫描周期HC=17.4ms，每像素读出时间减少到13.6ms。

从这里可以清楚看到，分辨率越高，为保证图像不闪烁，则时间要求越高（每一像素读出、显示的时间越短），成本也随之迅速上升。

另外，光栅扫描显示器的扫描方式还可以分成逐行扫描与隔行扫描方式两种。

1.2计算机的系统结构

围绕着如何提高指令的执行速度和计算机系统的性能价格比，出现了多种计算机的系统结构，如流水线处理机、并行处理机、多处理机及精简指令系统计算机等。

尽管这些计算机在结构上有较大的改进，但仍没有突破冯·诺伊曼型计算机的体系结构，都是基于并行处理技术来提高计算机速度。

为此，本节先介绍并行处理的概念及计算机系统的分类，然后分别简要介绍流水线处理机、并行处理机、多处理机，最后介绍精简指令系统计算机。

1.2.1并行处理的概念

所谓并行性，是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，它包括同时性与并发性两种含义。

同时性指的是两个或两个以上的事件在同一时刻发生，并发性指的是两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。

计算机系统中提高并行性的措施多种多样，就其基本思想而言，可归纳为如下3条途径：

（1）时间重叠。

在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转时间而赢得速度。

因此时间重叠可称为时间并行技术。

（2）资源重复。

在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。

随着硬件价格的降低，这种方式在单处理机中广泛使用，而多处理机本身就是实施“资源重复”原理的结果。

因此资源重复可称为空间并行技术。

（3）资源共享。

这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

例如多道程序、分时系统就是遵循“资源共享”原理而产生的。

资源共享既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率。

上述三种并行性反映了计算机系统结构向高性能发展的自然趋势：

一方面在单处理机内部广泛采用多种并行性措施，另一方面发展各种多计算机系统。

计算机的基本工作过程是执行一串指令，对一组数据进行处理。

通常，把计算机执行的指令序列称为“指令流”，指令流调用的数据序列称为“数据流”，把计算机同时可处理的指令或数据的个数称为“多重性”。

根据指令流和数据流的多重性可将计算机系统分为下列4类（S-single、单一的，I-instruction、指令，M-multiple、多倍的，D-data、数据）。

（1）单指令流单数据流（SISD）：

这类计算机的指令部件一次只对一条指令进行译码，并且只对一个操作部件分配数据。

传统的单处理机属于SISD计算机。

（2）单指令流多数据流（SIMD）：

这类计算机有多个处理单元，它们在同一个控制部件的管理下执行同一指令，但向各个处理单元分配各自需要的不同数据。

并行处理机属于这类计算机。

（3）多指令流单数据流（MISD）：

这类计算机包含有多个处理单元，按多条不同指令的要求对同一数据及其中间结果进行不同的处理。

这类计算机实际上很少见。

（4）多指令流多数据流（MIMD）：

这类计算机包含有多个处理机、存储器和多个控制器，实际上是几个独立的SISD计算机的集合，它们同时运行多个程序并对各自的数据进行处理。

多处理机属于这类计算机。

1.2.2流水线处理机系统

计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。

由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此称为流水线技术。

流水线技术是一种非常经济、对提高计算机的运算速度非常有效的技术。

采用流水线技术只需增加少量硬件就能把计算机的运算速度提高几倍，成为计算机中普遍使用的一种并行处理技术。

从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。

一条指令的执行过程可以分为多个阶段（或子过程），具体分法随计算机不同而不同。

图1-5（a）中把一条指令的执行过程分成以下3个阶段：

（1）取指令。

按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。

（2）指令分析。

对指令操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数。

（3）指令执行。

根据操作码的要求，完成指令规定的功能，即把运算结果写到通用寄存器或主存中。

图1-5指令的顺序执行和重叠执行

若假定图1-5（a）中取指令、分析指令和执行指令的时间相同，均为t，则完成n条指令所需时间T1为：