3.3 计算机的硬件系统

计算机的体系结构指的是构成计算机系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。

3.3.1 冯·诺依曼体系结构

从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。20世纪30年代中期，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（见图3-5）大胆地提出：抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础，同时提出存储程序和程序控制的思想，即预先编制计算程序，并将其存放在计算机的存储器中，然后由计算机按照程序顺序执行来完成计算工作。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。世界上第一台冯·诺依曼式计算机（即实现存储程序功能的计算机）是1949年研制的电子延迟存储自动计算机（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，EDSAC）。从EDSAC到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺依曼体系结构。由于他对计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“计算机之父”。

3.3.2 计算机硬件系统与微机硬件结构

计算机的硬件系统是指构成计算机的一些看得见、摸得着的实际物理设备，是计算机工作的物质基础。根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中；具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的工作；能根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。为了完成上述功能，计算机硬件系统一般由五个基本部件组成：输入数据和程序的输入设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器和输出处理结果的输出设备，如图3-6所示。

微型计算机简称微机。其硬件与普通定义下的计算机硬件一样，也是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。但微机系统由于体积小，其控制器和运算器一般是集成在一块芯片上，称为中央控制单元，也叫微处理器（Microprocessor Unit，MPU）。微机就是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路（适配器）、系统总线和外部设备等构成的。从外观上看，微机硬件由主机和外部设备构成。微机的主机箱里有一块印制电路板（即主板）。一般地，微机的重要部件都做在主板上，主要包括CPU和内存储器，还有总线槽、插座、电池以及外设接口卡等。微机的外部设备主要包括输入设备、输出设备以及外存储器等。硬盘、光驱等外存储器一般都安装在主机箱内。外部设备必须通过接口电路（适配器）与主机打交道。

微机是由若干系统部件构成的，各部件之间存在大量的信息流动，因此，系统与系统之间、部件与部件之间以及同一部件上各芯片之间需要用通信线路连接起来，这种通信连线即总线。根据总线所在位置，总线分为内部总线和外部总线两类。内部总线是指CPU内各部件的连线，而外部总线是指系统总线，即CPU与存储器、输入/输出系统之间的连线。例如，微处理器内部的控制器、运算器、寄存器之间通过内部总线连接，而系统主板上的CPU、存储器、接口电路等则是通过外部总线（即系统总线）连接，构成主机。最后再配上所需要的外部设备，组成一个完整的微机系统。微型计算机硬件组成框图如图3-7所示。

（1）中央处理器（微处理器）

CPU是微型计算机的核心，其基本功能是进行数据的算术运算和逻辑运算，暂存数据并控制和指挥其他部件协调一致的工作。

（2）存储器

微型计算机的内存储器是集成度高、容量大、体积小、功耗低的半导体存储器。内存储器根据信息存取方式的不同分为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）两类。

（3）输入/输出（Input/Output，I/O）

I/O子系统一般包括I/O接口电路与I/O设备。I/O接口电路是介于计算机和外部设备之间的电路。I/O接口电路的基本功能如下：

1）缓存数据，使各种速度的外部设备与计算机速度相匹配。

2）信号变换，使各种电气特性不同的外部设备与计算机相连接。

3）相互联络，使外部设备的输入/输出与计算机操作同步。

（4）总线

总线是一组公共的信息传输线，用以连接计算机的各个部件。内部总线位于芯片内部，外部总线把中央处理器、存储器和I/O设备连接起来，用来传输各部件之间的通信信息。微型计算机总线按功能可分为地址总线、数据总线和控制总线，三者特点分别如下：

1）数据总线（Data Bus，DB）：用于各部件之间传输数据信息，数据可朝两个方向传送，属于双向总线。

2）地址总线（Address Bus，AB）：用于传输通信所需的地址，指明数据的来源和目的，是单向总线。

3）控制总线（Control Bus，CB）：用于传送CPU对存储器或I/O设备的控制命令和I/O设备对CPU的请求信号，使微型计算机各部件能协调工作。

微型计算机采用标准总线结构，使整个系统中各部件之间的相互关系变为面向总线的单一关系。凡符合总线标准的功能部件和设备可以互换和互连，提高微机系统的通用性和可扩充性。

3.3.3 计算机的主要性能指标

计算机的主要性能指标如下。

1）主频（时钟频率）：是指CPU在单位时间内输出的脉冲数。它在很大程度上决定了计算机的运行速度，单位是MHz。

2）字长：是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。字长决定了计算机的运算精度。

3）内存容量：是指内存中能存储的信息总字节数。通常以8个二进制位（bit）作为一个字节（Byte）。

4）存取周期：存储器连续两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间。单位是纳秒（ns，1ns=10^-9s）。存储器完成一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问时间（或读写时间）。

5）运算速度：是个综合性的指标，单位为MIPS。影响运算速度的因素主要是主频和存取周期，字长和存储容量也有影响。

其他指标有：机器的兼容性（包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备兼容）、系统的可靠性（主要指标为平均无故障工作时间，Mean Time Between Failure）、系统的可维护性（主要指标为平均修复时间，Mean Time To Repair）、机器允许配置的外部设备的最大数目、计算机系统的汉字处理能力、数据库管理系统及网络功能等。性能/价格比是一项综合性评价计算机性能的指标。

3.3.4 计算机的工作原理

计算机的工作原理跟电视机、VCD机差不多，只要给它发一些指令，它就会执行某项功能。不过，这些指令并不是直接发给要控制的硬件，而是先通过输入设备接收指令，然后再由中央处理器来处理这些指令，最后才由输出设备输出结果。计算机的工作原理即存储程序和控制程序的原理。先将编制好的计算程序输入，并存放在内存中。计算机的基本工作过程就是执行程序（指令的有序集合）的过程，即CPU自动从存放程序的第一个存储单元起，逐步取出指令（完成某个基本操作的命令）、分析指令，并根据指令规定的操作类型和操作对象，执行指令规定的相关操作。如此重复，直至执行完程序的所有指令，从而实现程序的基本功能。