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　　第4章 計算機硬件系統(tǒng)

　　計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)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(shè)備和輸出設(shè)備5大基本部件組成。運算器也稱為算術(shù)邏輯部件(ALU)，主要功能是對二進制數(shù)碼進行算術(shù)或邏輯運算�？刂破魇怯嬎銠C的神經(jīng)中樞，指揮計算機各個部件自動、協(xié)調(diào)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(gòu)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(shù)據(jù)的加工處理，即數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算。運算器由算術(shù)邏輯單元、累加器、狀態(tài)寄存器、通用寄存器組等組成。

　　運算器包括寄存器、執(zhí)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(shù)據(jù)和運算的中間結(jié)果等。執(zhí)行部件包括一個加法器和各種類型的輸入輸出門電路�？刂齐娐钒凑找欢ǖ臅r間順序發(fā)出不同的控制信號，使數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的門電路進人寄存器或加法器，完成規(guī)定的操作。

　　運算器主要由算術(shù)邏輯部件、通用寄存器組和狀態(tài)寄存器組成。

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

　　•通用寄存器組：近期設(shè)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(shù)和運算的結(jié)果。

　　•狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器用來記錄算術(shù)、邏輯運算或測試操作的結(jié)果狀態(tài)。程序設(shè)計中，這些狀態(tài)通常用作條件轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)據(jù)的位數(shù)。作為存儲數(shù)據(jù)，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(zhí)行的

　　加法指令的數(shù)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(tǒng)一控制計算機的各個部件完成一定的任務(wù)�？刂破魇前l(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。

　　控制器由指令寄存器、指令譯碼器、程序計數(shù)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(zhí)行或即將執(zhí)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(zhì)和操作方法;操作控制器則根據(jù)指令譯碼器的譯碼結(jié)果，產(chǎn)生該指令執(zhí)行過程中所需的全部控制信號和時序信號;程序計數(shù)器總是保存下一條要執(zhí)行的指令地址，從而使程序可以自動、持續(xù)地運行。

　　控制器的功能如下。

　　•數(shù)據(jù)緩沖：由于I/O設(shè)備的速率較低而CPU和內(nèi)存的速率卻很高，故在控制器中必須設(shè)置緩沖器。

　　•差錯控制：設(shè)備控制器還兼管對由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)進行差錯檢測。

　　•數(shù)據(jù)交換：這是指實現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。為此，在控制器中需設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。

　　•狀態(tài)說明：標識和報告設(shè)備的狀態(tài)控制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解。

　　•接收和識別命令：CPU可以向控制器發(fā)送多種不同的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識別這些命令。

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

　　4.3存儲器

　　存儲器是存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。它可以自動完成程序或數(shù)據(jù)的存取。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中，存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備。按用途存儲器可分為主存儲器(內(nèi)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(shù)據(jù)時.首先應(yīng)調(diào)入內(nèi)存，然后再運行。

　　1.內(nèi)存

　　內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。下面介紹幾種常用的ROM。

　　•可編程只讀存儲器(Pmgrammah|e ROM，F(xiàn)PROM)：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(shù)據(jù)寫入設(shè)備中。在PROM被編程后，它就只能專用那些數(shù)據(jù)，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(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的反復的擦寫。其實現(xiàn)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(nèi)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(shù)據(jù)被沖掉。第二個特點是易失性，即電源斷開(關(guān)機或異常斷電)時，RAM中的內(nèi)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(tài)隨機存儲器)和DRAM(Dynamic RAM，動態(tài)隨機存儲器)兩種。靜態(tài)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(tài)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(shè)計的。Cache一般用SRAM存儲芯片來實現(xiàn)，因為SRAM比DRAM存取速度快而容量有限。

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

　　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(diào)入的指令與數(shù)據(jù)塊。

　　•地址轉(zhuǎn)換部件：建立目錄表以實現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換。

　　•替換部件：在緩存滿時按一定策略進行數(shù)據(jù)塊替換并修改地址轉(zhuǎn)換部件。

　　2.外存

　　外存可存放大量程序和數(shù)據(jù)，且斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，但是CPU不能直接訪問外存，必須將要訪問的調(diào)入內(nèi)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(shè)備。它由磁盤片、讀寫控制電路和驅(qū)動機構(gòu)組成。硬盤具有容量大、存取速度快等優(yōu)點，操作系統(tǒng)、可運行的程序文件和用戶的數(shù)據(jù)文件一般都保存在硬盤上。

　　①硬盤的結(jié)構(gòu)和原理

　　•磁頭：磁頭是硬盤中最昂貴的部件，也是硬盤技術(shù)中最重要和最關(guān)鍵的一環(huán)。

　　•磁道：當磁盤旋轉(zhuǎn)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(qū)：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(qū)。

　　•柱面：硬盤通常由重疊的一組盤片構(gòu)成，每個盤面都被劃分為數(shù)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。

　�、谟脖P的容量

　　一個硬盤的容量是由以下幾個參數(shù)決定的，即磁頭數(shù)H(Heads)、柱面數(shù)C(Cylinders)、每個磁道的扇區(qū)數(shù)S(Sectors)和每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)B(Bytes)。將以上幾個參數(shù)相乘，乘積就是硬盤容量。即硬盤總?cè)萘?磁頭數(shù)(H)×柱面數(shù)(C)×磁道扇區(qū)數(shù)(S)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)(B)

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

　�、塾脖P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(shù)附件(Advanced Technology Attachment，ATA)、串行高級技術(shù)附件(Serial ATA，SATA)和小型計算機系統(tǒng)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(zhuǎn)速

　　硬盤轉(zhuǎn)速是指硬盤內(nèi)電動機主軸的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)數(shù)。硬盤轉(zhuǎn)速單位為r/rain(Revolu.fions Per Minute)，即轉(zhuǎn)/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?qū)�，并具有非易失性，即單指保存�?shù)據(jù)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(shè)備

　　1.輸入設(shè)備

　　輸入設(shè)備是向計算機輸人數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，是計算機與用戶或其他設(shè)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(shè)備。其中，鍵盤和鼠標是最常用的輸入設(shè)備。

　　2.輸出設(shè)備

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

　　4.5計算機的結(jié)構(gòu)

　　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(shù)據(jù)，計算機的結(jié)構(gòu)反映了各部件之間的連接方式。

　　1.總線結(jié)構(gòu)

　　在這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都直接與總線相連，傳輸介質(zhì)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(zhì)的。根據(jù)信號不同的性質(zhì)，可以將總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。

　　(1)數(shù)據(jù)總線

　　用于傳送數(shù)據(jù)信息。因為數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，所以它既可以把CPU的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送到CPU。

　　(2)地址總線

　　又稱位址總線，地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，地址總線的寬度，隨可用尋址的內(nèi)存元件大小的改變而改變，決定有多少的內(nèi)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�？刂菩盘栔�，即有微處理器送往存儲器和輸入輸出設(shè)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(shù)要根據(jù)系統(tǒng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

　　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(shù)據(jù)的位數(shù)。

　　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(nèi)存容量和外存容量。這里主要指內(nèi)存容量。目前微型機的內(nèi)存容量已達數(shù)GB。

　　5.存取周期

　　存取周期是CPU從內(nèi)存儲器中存取數(shù)據(jù)所需的時間。存取周期越短，運算速度越快。

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