計算機硬件基礎

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----第一篇信息系統(tǒng)基礎知識----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----2 第一篇 信息系統(tǒng)基礎知識第1章 計算機硬件基礎本章主要介紹計算機硬件的基礎知識，包括計算機基本組成，處理器、存儲器、I/O設備等主要部件的性能和基本工作原理，以及計算機體系結構、計算機存儲系統(tǒng)等內(nèi)容。計算機基本組成自1946年世界上出現(xiàn)第一臺計算機以來，計算機的硬件結構和軟件系統(tǒng)都已發(fā)生了驚人的變化。但就其基本組成而言，仍為馮·諾伊曼型計算機的設計思想。即一個完整的計算機硬件系統(tǒng)由：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部分組成。如圖1-1所示。圖1-1 計算機的基本組成其中運算器與控制器合稱為處理器。內(nèi)存儲器和處理器合在一起稱為主機。在計算機硬件系統(tǒng)中不屬于主機的設備都屬于外部設備，簡稱外設，包括輸入、輸出設備及外存儲器。運算器。進行算術和邏輯運算的部件，運算數(shù)據(jù)以二進制格式給出，它可從存儲器取出或來自輸入設備，運算結果或?qū)懭氪鎯ζ?，或通過輸出設備輸出；控制器。協(xié)調(diào)整個計算機系統(tǒng)的正常工作。它主要包括指令寄存器、指令譯碼及時序控制等部件；運算器與控制器—般又稱為處理部件（CentralProcessingUni，CPU，它是計算機的核心部件。存儲器。存放數(shù)據(jù)和程序的部件，它通過地址線和數(shù)據(jù)線與其他部件相連。輸入///輸出接口。----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----處理器

第1章 計算機硬件基礎 3----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----1．運算器運算器是計算機中用于信息加工的部件。它能對數(shù)據(jù)進行算術邏輯運算。算術運算按算術規(guī)則進行運算，如加、減、乘、除及它們的復合運算。邏輯運算一般泛指非算術性運算，例如：比較、移位、邏輯加、邏輯乘、邏輯取反及“異或”操作等。運算器通常由算術邏輯運算部件和一些寄存器組成。如圖1-2所示是一個最ALU1632個或者更多，構成一個通用寄存器組，以減少訪問存儲器的次數(shù)，提高運算器的速度。----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----2．控制器

圖1-2 運算器簡單示意圖----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----控制器是指揮、協(xié)調(diào)計算機各大部件工作的指揮中心?？刂破鞴ぷ鞯膶嵸|(zhì)就是解釋、執(zhí)行指令。它每次從存儲器中取出一條指令，經(jīng)分析譯碼，產(chǎn)生一串微操作命令，發(fā)向各個執(zhí)行部件并控制各部件，使整個計算機連續(xù)地、有條不紊地工作。為了使計算機能夠正確執(zhí)行指令，CPU必須能夠按正確的時序產(chǎn)生操作控制信號，這是控制器的主要任務。如圖1-3所示，控制器主要由下列部分組成。（1）程序計數(shù)器。又稱指令計數(shù)器或指令指針在某些類型的計算機中用來存放正在執(zhí)行的指令地址；在大多數(shù)機器中則存放要執(zhí)行的下一條指令的地址。指令1”以形”計數(shù)的功能，有的機器是PC本身具有的，也有的機器是借用運算器完成的；二是在某些條件下，需要改變程序執(zhí)行的順序，這常由轉(zhuǎn)移類指令形成PC中，作為下條指令的地址。（2）指令寄存器（IR）。用以存放現(xiàn)行指令，以便在整個指令執(zhí)行過程中，實現(xiàn)一條----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----4 第一篇 信息系統(tǒng)基礎知識指令的全部功能控制。（4）脈沖源及啟?？刂凭€路。脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機器的時鐘脈沖，是周期、節(jié)拍和工作脈沖的基準信號。啟停線路則是在需要的時候保證可靠地開放或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生與停止，實現(xiàn)對機器的啟動與停機。（5）時序信號產(chǎn)生部件。以時鐘脈沖為基礎，產(chǎn)生不同指令相對應的周期、節(jié)拍、工作脈沖等時序信號，以實現(xiàn)機器指令執(zhí)行過程的時序控制。（6）操作控制信號形成部件。綜合時序信號、指令譯碼信息、被控功能部件反饋的狀態(tài)條件信號等，形成不同指令所需要的操作控制信號序列。（7）中斷機構。實現(xiàn)對異常情況和某些外來請求的處理。（8）總線控制邏輯。實現(xiàn)對總線信息傳輸?shù)目刂啤?---宋停云與您分享--------宋停云與您分享----存儲器

圖1-3 控制器組成圖----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----存儲器是存放二進制形式信息的部件。在計算機中它的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計算機操作的對象。不論是程序和數(shù)據(jù)，在存儲器中都以二進制形式的“1”或“0”表示，統(tǒng)稱為信息。我們可以對存儲器中的內(nèi)容進行讀或?qū)懖僮鳌０创鎯ζ髟谟嬎銠C中的功能分類：----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----第1章 計算機硬件基礎 5（1）高速緩沖存儲器Cach。目前由雙極型半導體組成，構成計算機系統(tǒng)中的一個CPU的工作速度，用來臨時存放指令和數(shù)據(jù)。（2）主存儲器。主存儲器是計算機系統(tǒng)中的重要部件，用來存放計算機運行時的大量程序和數(shù)據(jù)，主存儲器目前一般用MOS半導體存儲器構成。CPU能夠直接訪問的存儲器稱內(nèi)存儲器，高速緩存和主存都是內(nèi)存儲器。在配置了高速緩存的計算機內(nèi)，主存儲器和高速緩存之間要不斷交換數(shù)據(jù)。如果計算機沒有配置高速緩存，內(nèi)存儲器就是主存儲器，兩個名稱可以換用。（3）輔助存儲器。輔助存儲器又稱外存儲器。外存儲器主要由磁表面存儲器組成，近年來，光存儲器應用已很廣泛，漸漸成為一種重要的輔助存儲器。外存儲器的內(nèi)容需要調(diào)CPU訪問。外存儲器的特點是容量大，所以可存放大量的程序和數(shù)據(jù)。I/O1．輸入輸出設備概述及分類輸入輸出設備（又稱外圍設備）是計算機系統(tǒng)與人或其他設備之間進行信息交換的裝置。輸入設備的功能是把數(shù)據(jù)、命令、字符、圖形、圖像、聲音和電流、電壓等信息，變成計算機可以接收和識別的二進制數(shù)字代碼，供計算機進行運算處理。輸出設備的功能是把計算機處理的結果，變成人最終可以識別的數(shù)字、文字、圖形、圖像和聲音等信息，打印或顯示出來，以供人們分析與使用。由于計算機技術的迅速發(fā)展與應用領域的不斷擴大，輸入輸出設備種類日益增多，所處理的信息類型也不斷增加。輸入輸出設備智能化程度越來越高，從而使得輸入輸出的速度、精度、質(zhì)量、可靠性以及應用的靈活性，方便性不斷提高。輸入輸出設備有多種分類的方法。如果按信息的傳輸方向來分可以分成輸入、輸出與輸入/輸出三類設備。（1）輸入設備。鍵盤、鼠標、光筆、觸摸屏、跟綜球、控制桿、數(shù)字化儀、掃描儀、語言輸入、手寫漢字識別、以及光學字符閱讀機等。這類設備又可以分成兩類：采用媒體輸入的設備和交互式輸入設備。采用媒體輸入的設備如紙帶輸入機、卡片輸入機、光學字符閱讀機等，這些設備把記錄在各種媒體（如紙帶、卡片……）上的信息送入計算機。一般成批輸入，輸入過程中使用者不作干預。交互式設備有鍵盤、鼠標、觸屏、光屏、跟蹤對球等。這些設備由使用者通過操作直接輸入信息，不借助于記錄信息的媒體。輸入信息可立即顯示在屏幕上，操作員可以即時進行刪除、修改、移動等操作。交互式輸入設備是近年來研究的熱門話題之一，通過它們以建立人機之間的友好界面。（2）輸出設備。顯示器、打印機、繪圖儀、語音輸出設備，以及卡片穿孔機、紙帶穿孔機等。將計算----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----6 第一篇 信息系統(tǒng)基礎知識機輸出的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬信息，送往自動控制系統(tǒng)進行過程控制，這種數(shù)模轉(zhuǎn)換設備也可以視為一類輸出設備。（3）輸入輸出設備。/CRT終端、通信設備等。這類設備既可以輸入信息，又可以輸出信息。輸入輸出設備如果按功能分，也可以分成以下3類。①用于人機接口。鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。這類設備用于人機交互信息，且操作員往往可以直接加以控制。這類設備又可以稱為字符型設備，或面向字符的設備，即輸入輸出設備與主機交換信息以字符為單位，這時主機對外設的控制方法往往不同于其他類型設備。②用于存儲信息。③機—機聯(lián)系。通信設備（包括調(diào)制解調(diào)器、數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換設備，主要用于機—機通信。2．輸入設備輸入設備最常用的是鍵盤與鼠標。（1）鍵盤。鍵盤是由一組按鍵和相應的鍵盤控制器組成的輸入設備，其功能是使用者可通過擊各鍵向計算機輸入數(shù)據(jù)、程序和命令等，是計算機不可缺少的最常用輸入設備。按鍵開關的作用是將操作員的按鍵動作轉(zhuǎn)換成與該按鍵對應的字符或控制功能的電信號。按鍵開關可歸納成兩類：一類是觸點式按鍵，它借助由機械簧片構成的觸點開關的接通或斷開，來產(chǎn)生電信號；另一類是非觸點式開關，利用電壓、電流或電磁場的變化產(chǎn)生輸出信號。計算機中基本上使用后一類開關。鍵盤控制器由一些邏輯電路或單片機組成，其功能是進行掃描，判斷按鍵的位置，然后將鍵盤上的位置碼轉(zhuǎn)換成相應的ASCII碼，輸入計算機。由于鍵盤控制器的構成方式不同，鍵盤可以分成編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩類。鍵盤上也可以輸入如漢字等非西文字符，這由各種漢字輸入法自行定義。鍵盤位置碼輸入計算機，經(jīng)過漢字輸入軟件的處理，轉(zhuǎn)換成該漢字所對應的內(nèi)碼，再進行顯示、存儲等其他操作。（2）鼠標器。鼠標器（mouse）是一種相對定位設備。它不像鍵盤那樣能進行字符或數(shù)字的輸入，主要是在屏幕上定位或畫圖用。它在計算機上的應用要比鍵盤晚，隨著計算機圖形學與圖像處理技術的發(fā)展，鼠標得以廣泛應用。----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----第1章 計算機硬件基礎 7鼠標器是由于其外形如老鼠而得名，通過電纜與主機相連接。鼠標器在桌上移動，其底部的傳感器檢測出運動方向和相對距離，送入計算機，控制屏幕上的鼠標光標作相應移動，對準屏幕上的圖標或命令，按下鼠標上的相應按鈕，完成指定的操作。根據(jù)鼠標器所采用傳感器技術的不同，鼠標器可以分成兩類：機械式與光電式。機械式鼠標器：其底部有一個圓球，鼠標移動時，圓球滾動帶動與球相連的圓盤。圓盤上的編碼器把運動方向與距離送給主機，經(jīng)軟件處理，控制光標作相應移動。該類鼠標器簡單，使用方便，但容易磨損，精度差。光電式鼠標器：其底部無圓球，而是由光敏元件和光源組成。使用時，光源發(fā)射光線在網(wǎng)格上反射后為光敏器件所接收，測出移動方向和距離，送入計算機，控制光標的移動。這類鼠標器精度高，可靠性好，但要有專門的網(wǎng)格板。COM1或COM2上。3．輸出設備（1）打印機。打印機是計算機系統(tǒng)中最基本的輸出設備。由于打印機打印結果直觀、易閱讀，便于①擊打式打印機。擊打式打印機是以機械力量擊打字錘從而使字模隔著色帶在紙上打印出字來的設備，這是最早研制成功的計算機打印設備。該類設備按字錘或字模的構成方式來分，又可以分成整字形擊打印設備和點陣打印設備兩類。整字形擊打設備利用完整字形的字模每擊打一次印出一完整字形。這類設備的優(yōu)點是印字美觀自然，可同時復印數(shù)份。缺點是噪音大，印字速率低，字符種類少，無法打印漢792448針的印字頭。這類打印設備結構簡單，印字速度快，噪聲小，成本低，且可以打印漢字或圖形、圖像，是目前仍在廣泛使用的一類打印設備。②非擊打式印字機。非擊打式印字機是一種利用物理的（光、電、熱、磁）或化學的方法實現(xiàn)印刷輸出的設備。與擊打式打印設備不同，這類設備的印字頭不與紙或其他媒體接觸，或雖接觸但無擊打動作。這類設備打印無噪聲，印字速度快，可以打印漢字、圖形與圖像等，不少設備還可以實現(xiàn)彩色打印。由于該類設備價格已逐步降低，所以深受用戶歡迎。----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----8 第一篇 信息系統(tǒng)基礎知識非擊打式印字機還可以分成多種類型：激光印字機：是利用激光打印出精美文字和圖片的一種輸出設備。激光印字機印刷速度快，印字質(zhì)量好，噪音低，分辨率高，印刷輸出成本低，這是目前應用最廣泛的一種非擊打式印字機。噴墨打印機：是利用噴墨頭噴射出可控的墨滴從而在打印紙上形成文字或圖片的一種設備。這也是目前應用較多的一種打印輸出設備。熱敏打印機：有熱印紙式和熱轉(zhuǎn)印式兩種。利用印字頭上多個電熱元件在特殊的熱敏紙上瞬時加熱形成字符的設備叫熱敏紙打印機；利用轉(zhuǎn)印色帶將字符轉(zhuǎn)印到紙上的設備叫熱轉(zhuǎn)印打印機。熱敏打印機可以印刷出色彩精美逼真的圖像。（2）顯示器。顯示器是用來顯示數(shù)字、字符、圖形和圖像的設備，它由監(jiān)視器和顯示控制器組成，是計算機系統(tǒng)中最常用的輸出設備之一。監(jiān)視器由陰極射線管（CR、亮度控制電路（控制柵、以及掃描偏轉(zhuǎn)電路（水平/垂直掃描偏轉(zhuǎn)線圈）等部件構成，工作原理如圖1-4所示。圖1-4 監(jiān)視器工作原理由熱發(fā)射產(chǎn)生的電子流在真空中在幾千伏高壓的影響下射向CRTCRT50幀/秒至70幀/秒的速度進行刷新。這樣，固定分辨率的圖形顯示器其行頻、水平掃描周期、每像素讀出時間，均有一定要求。例如當分辨率為640480時，且假定水平回掃期和垂直20%。則行頻為 480線80/10050幀/s=30kHz水平掃描周期 HC=1/30kHz=33s----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----第1章 計算機硬件基礎 9每一像素讀出時間為 33s80%640=40~50ns1024768，幀頻為60幀/秒，則行頻提高到57.6kHz，水平掃描周期HC=17.4s13.6s。從這里可以清楚看到，分辨率越高，為保證圖像不閃爍，則時間要求越高（每一像素讀出、顯示的時間越短，成本也隨之迅速上升。另外，光柵掃描顯示器的掃描方式還可以分成逐行掃描與隔行掃描方式兩種。計算機的系統(tǒng)結構圍繞著如何提高指令的執(zhí)行速度和計算機系統(tǒng)的性能價格比，出現(xiàn)了多種計算機的系統(tǒng)結構，如流水線處理機、并行處理機、多處理機及精簡指令系統(tǒng)計算機等。盡管這些計算機在結構上有較大的改進，但仍沒有突破馮·諾伊曼型計算機的體系結構，都是基于并行處理技術來提高計算機速度。為此，本節(jié)先介紹并行處理的概念及計算機系統(tǒng)的分類，并行處理的概念所謂并行性，是指計算機系統(tǒng)具有可以同時進行運算或操作的特性，它包括同時性與并發(fā)性兩種含義。同時性指的是兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生，并發(fā)性指的是兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔發(fā)生。計算機系統(tǒng)中提高并行性的措施多種多樣，就其基本思想而言，可歸納為如下3條途徑：（1）時間重疊。在并行性概念中引入時間因素，即多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)時間而贏得速度。因此時間重疊可稱為時間并行技術。資源重復。在并行性概念中引入空間因素，以數(shù)量取勝的原則，通過重復設置硬件資源，大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。隨著硬件價格的降低，這種方式在單處理機中廣泛使上述三種并行性反映了計算機系統(tǒng)結構向高性能發(fā)展的自然趨勢：一方面在單處理機內(nèi)部廣泛采用多種并行性措施，另一方面發(fā)展各種多計算機系統(tǒng)。計算機的基本工作過程是執(zhí)行一串指令，對一組數(shù)據(jù)進行處理。通常，把計算機執(zhí)行4類（S-single、單一的，I-instruction、指令，M-multiple、多倍的，D-data、數(shù)據(jù)。（1）單指令流單數(shù)據(jù)流SIS：這類計算機的指令部件一次只對一條指令進行譯碼，----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----10 第一篇 信息系統(tǒng)基礎知識并且只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的單處理機屬于SISD計算機。（2）單指令流多數(shù)據(jù)流SIM：這類計算機有多個處理單元，它們在同一個控制部件的管理下執(zhí)行同一指令，但向各個處理單元分配各自需要的不同數(shù)據(jù)。并行處理機屬于這類計算機。（3）多指令流單數(shù)據(jù)流MIS：這類計算機包含有多個處理單元，按多條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)及其中間結果進行不同的處理。這類計算機實際上很少見。（4）多指令流多數(shù)據(jù)流MIM：這類計算機包含有多個處理機、存儲器和多個控制器，實際上是幾個的SISD計算機的集合，它們同時運行多個程序并對各自的數(shù)據(jù)進行處理。多處理機屬于這類計算機。流水線處理機系統(tǒng)計算機中的流水線是把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程與其他子過程并行進行。由于這種工作方式與工廠中的生產(chǎn)流水線十分相似，因此稱為流水線技術。流水線技術是一種非常經(jīng)濟、對提高計算機的運算速度非常有效的技術。采用流水線技術只需增加少量硬件就能把計算機的運算速度提高幾倍，成為計算機中普遍使用的一種并行處理技術。從本質(zhì)上講，流水線技術是一種時間并行技術。一條指令的執(zhí)行過程可以分為多個階段（或子過程，具體分法隨計算機不同而不同。1-5（a）3個階段：（1）取指令。按照指令計數(shù)器的內(nèi)容訪問主存儲器，取出一條指令送到指令寄存器。（2）指令分析。對指令操作碼進行譯碼，按照給定的尋址方式和地址字段中的內(nèi)容形成操作數(shù)的地址，并用這個地址讀取操作數(shù)。（3）指令執(zhí)行。根據(jù)操作碼的要求，完成指令規(guī)定的功能，即把運算結果寫到通用寄存器或主存中。取指取指k 分析k 執(zhí)行k 取指k+1k+1k+1（（a）順序解釋取指k 取指k 分析k 執(zhí)行kk+1k+1k+1k+2k+2k+2（（b）重疊解釋的一種方式圖1-5 指令的順序執(zhí)行和重疊執(zhí)行1-5（a）tn條----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----第1章 計算機硬件基礎 11指令所需時間T1為：----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----電子設備及耗材管理工作流程一、 電子設備、硬件配套設備及電腦耗材的申請1、各部室、車間如有電子設備、相關硬件配套設備及耗材的購買或更換需求，應向信息技術部提交書面申請，申請內(nèi)容包括申請使用人姓名、使用需求說明、如有特殊需求則應說明。要求申請使用人和各部門經(jīng)理（車2、申請交到信息技術部后，由信息技術部計算機管理員對申請內(nèi)容進行核實，并在申請核實后向信息技術部經(jīng)理如實匯報并遞交申請，信息技術部做出綜合意見。當所購設備單價超過500元時，報分管副總審批，在分管副總做出審批意見后，信息技術部根據(jù)分管副總意見進行處理，并通報申請部門。二、 計算機及相關硬件配套設備及耗材的購買、 分管副總做出購買批示后，由信息技術部負責計算機及相2、在購買計算機及相關硬件配套設備后，由信息技術部計算機管理員到各部室、車間進行安裝、調(diào)試。在安裝、調(diào)試完畢----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----后，與使用人一同填寫計算機明細表或電子設備使用表（車間主任）簽字確認。同時信息技術部計算機管理員要對新購設備進行統(tǒng)一編號，登記造冊。三、計算機及相關硬件配套設備的管理、 信息技術部計算機管理員要按照規(guī)定程序及時對公司所有計算機設備進行