工作文档硬件是指构成计算机中的物理设备实体

工作文档硬件是指构成计算机中的物理设备实体 硬件是指构成计算机中的物理设备实体，如计算机的中央处理器(又称CPU,由运算器和控制器组成)、内外储存器、输入设备和输出设备等。软件是指计算机所使用的各种程序的集合及有关的文档资料，这些程序是计算机语言编制的，它包括计算机本身运行所需的系统软件和用户为解决某应用领域实际问所需的应用软件。 在计算机系统中，对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化。例如，微机的只读存储器ROM芯片中就固化了系统的引导程序。同样，硬件实现的功能可以用软件来实现，称为硬件软化。例如，在多媒体计算机中，视频卡用于对视频信息进行处理(包括获取、编码、压缩、存储、解压缩和回放等)，而现在大多数计算机都是通过软件(如播放软件)来实现此功能。对某些功能是用硬件还是用软件实现，与系统价格、速度、所需存储量及可靠性等诸多因素有关。一般来说，同一功能用硬件来实现时，速度快、所需储存量较少，但灵活性和适应性差，且成本较高;用软件实现时，可提高灵活性和适应性，但这通常是以降低速度来换取的。 计算机系统的硬件和软件是相辅相成，缺一不可的。硬件是基础，硬件本身只是一台“裸机”，无法工作。软件是灵魂，只有硬件本身，而没有相应软件的机器就无法工作。只有当硬件和软件很好地协调配合，才能有效地发挥计算机所具有的功能，来解决用户需要解决的实际问题，达到为用户服务的目的。 1.2.2 硬件系统 1946年，美籍匈牙利数学家冯?诺依曼(Von Neumann)在一篇题为“关于电子计算机逻辑设计的初步讨论”的学术报告中，提出了“储存程序”的概念，并且进行了论证。其主要观点可归结为以下几点。 (1)计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分组成的体系结构，如图1-4所示。 (2)计算机中处理的数据模型是由二进制数所表示的指令和数据。 (3)将事先编制好的程序和原始数据一并存入计算机的存储器中，启动计算机。在不受人工干预的情况下，计算机自动地、高速地从存储器中取出指令并且执行(被归纳为:二进制、储存程序、程序控制)的思想。 冯?诺依曼的上诉思想奠定了现代计算机体系结构的基础。六十多年来，虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等各方面都与当时的计算机产生了很大差别，但其基本结构并没有变，所以，现代计算机又称为冯?诺依曼计算机。 现在流行的微型计算机，其基本结构都是由主机、键盘和显示器构成。台式计算机的主机安装在主机箱内，在主机箱内有中央处理器CPU、内存储器、系统主板、硬盘及驱动器、CD-ROM驱动器、电源、显示器配置器(又称显示卡或图形加速卡)、USB接口等。为了能综合处理多媒体信息，通常可能还有音频、视频处理设备、各种媒体输入/输出设备等。例如，摄像机、话筒、录像机、录音机、扫描仪、视频卡、声卡、家电控制卡、通信卡、操纵卡、触摸屏等。 下面，我们将以微型计算机硬件情况为例来介绍一台计算机的硬件系统。 1. 中央处理器CPU 在计算机系统中，运算器和控制系统称为中央处理器，简称CPU(Central Processing Units)。现在流 行的微型计算机中，运算器和控制器并不是两个独立的部件，而是被集成在一块芯片上，构成微处理 器。 1) 运算器 运算器又称算数逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit，ALU)，由数据寄存器、累加器、，作是运算，大量的数据运算任务都是在运算器中进行的。 在计算机中，算术运算是指加、减、乘、除等基本运算;逻辑运算是指逻辑判断关系，常用逻辑运算有“与”、“或”和“非”。通常以每秒钟能够完成的算术运算次数来衡量一台计算机的计算速度。运算器的运算速度是非常快的。因此，计算机才有高速处理信息的能力。运算器中的数据取自于内存储器，运算后的结果又送回内存储器。运算器对内存储器的读写操作是在控制器的控制之下进行的。 2) 控制器 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件和微操作控制部件等组成，是计算机的“神经中枢”和“指挥中心”，它从内存依次取出指令，对其译码，并按每条指令所规定的功能，向整个系统发出相应的控制信号，实施对其他部件的控制，使计算机各部件统一协调地运作。 在整个计算机运行过程中，大致可分为内部操作和外部操作，内部操作是指内存与CPU之间的通信(或数据传递、信号传递);外部操作是指输出、输入设备与内存间的通信(或数据传递、信号传递)。 可以说，CPU是计算机运行的核心，是计算机的中枢神经，无论是内部操作还是外部操作，都离不开CPU的运算、判断和处理。因为系统的所有计算、比较和判断都是在CPU内完成的。由图1-4“计算机硬件结构”可以看出:在控制器的控制指挥下，外部操作通过输入设备将指令、数据等传递到内存储器中，再由运算器处理后返回内存，通过输出设备输出结果，达到工作的目的。 CPU一般有通用CPU和嵌入式CPU两种类型。通用CPU和嵌入式CPU的区别，主要在于运用模式的不同一般来说，通用CPU追求高性能，功能比较强，能运行复杂的操作系统和大型运用软件。嵌入式CPU则强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统在性能和功能上有很大的变化范围，比如用于手机、数码相机等。 3) 微处理器 微型计算机一般采用通用CPU，最具代表性的产品是美国Intel公司的微处理器系列。其型号先后有4004、4040、8080、8085、8088、8086、80286、80386、80486、Pentium(奔腾)、Celeron(赛扬)、Itanium (安腾)、Xeon (至强)、Core(酷睿)等产品，功能越来越强，工作速度越来越快，内部结构越来越复杂，从每秒钟完成几十万次基本运算发展到上亿次，每个微处理器包含的半导体电路元件也从2300个发展到数千万个，Penneitium4微处理器已集成了4200万个晶体管。CPU产品并非由Intel公司一家生产，IBM、Apple、Motorola、AMD、Cyrix等也是著名的微处理器产品的生产公司。图1-5分别为Intel公司的酷睿2Duo、AMD公司的羿龙IIX6和我国国产的龙芯1号三款CPU外形图。 CPU型号是计算机主要技术指标之一，人们习惯用CPU的档次来大体表示微型计算机的规格。例如，使用了Pentium4CPU的微型计算机便成为Pentium4机型，装有K8CPU的微型计算机称为K8机型。另外，衡量CPU性能的主要技术指标还有字长(CPU内部各寄存器之间一次能够传递的数据位)、位(图1-5中Intel公司的酷睿2为64位)、主频[CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率，也称做CPU内频]、外频(CPU总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率)等。 Intel公司生产的微处理器主要用于台式计算机、便携式计算机和移动PC、服务器和工作站，以Pentium系列为主、表1.1列出了当前Intel公司微处理器的主要性能。 表1.1 Intel高性能CPU 我国国产CPU——龙芯，是中国科学院计算机研究所研制的以通用CPU为核心并兼顾嵌入式CPU特点的新一代64位CPU，如图1-5所示。2001年5月，在中科院计算机所知识创新工程的支持下，龙芯课题组正式成立。2002年8月10日，首片龙芯1号研制成功，2003年10月17日，龙芯2号研制成功，2008年末龙芯3号研制成功。 4核龙芯3号采用65nm工艺、主频1GHz、晶体管数目达到4.25亿个。龙芯3号早期是一款4核处理器，并增加专门服务于Java程序的协处理器，以提高Linux 环境下Java程序的执行效率，指令缓存追踪技术等。龙芯3号最终将实现对内峰值每秒500~1000亿次的计算速度。国产CPU龙芯的诞生，标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零”的突破，打破了我国长期依赖国外CPU产品的无芯的历史，也标志着国产安全服务器CPU和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。 2. 主板 主板又称为系统板、母版，是安装在主机箱内的一块集成电路板，是微型计算机中各种设备的连接载体，是PC机的主要核心部件之一，档次的高低决定了是否能充分发挥CPU的性能。 PC级主板采用开放式结构，由CPU插座(槽)、主板芯片集(CHIPSET)、Cache(高速缓存)、BIOS(基本输入输出系统)、内存条插槽、PCI插槽(供声卡、网卡、内置Modem等插入)、AGP插槽(主要供AGP显卡插入)、IDE1和IDE2接口(用于连接硬盘和光驱，一个IDE接口可连接1~2个硬盘和光驱)、USB接口(通用串行总路线接口，用于连接优盘、数码相机等)COM1与COM2接口(用于连接COM接口鼠标或外置Modem等串行接口的外围设备)、LPT1-2接口(用于连接打印机等并进行接口的外围设备)等组成，如图1-6所示。微型计算机通过主板将CPU等各种部件和外部设备有机地结合起来，形成一套完整的系统。PC99技术规格规范了主板的设计要求，提出主板各接口必须采用有色识别标志，以方便识别。 ? 目前，计算机主板生产也跟显示器、硬盘、CPU等越来越专业化，世界上PC兼容机主板的最大生产基地是中国台湾，国内流行的主板品牌有ASUSTEK(华硕)、ABIT(升技)、FIC(大众)、DATAEXPERT(联讯)、ELITEGROUP(精英)、ATREND(中凌)、SOYO(梅捷)MSI微星)GIGABYTE(技嘉)、Intel(英特尔)等， 3. 储存器 存储器的功能是用来储放程序和数据，是计算机中各种信息存储和交流的中心。可根据需要随时向存储器存取数据，通常，将信息存入存储器中称为“写”操作;从存储器中取出信息称为“读”操作。 存储器是由许多存储单元组成的，为使计算机能识别这些单元，给每个单元一个编号，这些编号称为“地址”，计算机就是根据地址来访问存储器的。就如同在旅馆中要知道某人所住的唯一房间号，才能找到该人一样。 存储器容量是用来含金量一个存储器中存储数据内容大小的，其基本单位是字节(Byte，B),每个字节由8个二进制位(bit)组成，即1B=8bit。为了方便描述，比字节大的容量单位有:KB、MB、GB、TB。 10203040其换算关系为:1KB=2B=1024B，1MB=2B=1024K，1GB=2B=1024MB，1TB=2B=1024BG。 计算机的存储器分为内存储器和外存储器两种类型。 1) 内存储器 内存储器简称内存，又称主存储器，通常由半导体制成。用户通过输入设备输入的程序和数据送人内存;控制器执行的指令和运算器处理的数据取自内存，运算的中间结果和最终结果保存于内存;输出设备输出的信息来源于内存;内存中的信息如要长久保存应送到外存储器中。总之，内存要与计算机的各个部件打交道，进行数据传递。因此，内存的存储速度直接影响着计算机的运行速度。 内存储器分为只读存储器、随机存储器和高速缓存存储器3钟。 (1)只读存储器。只读存储器(Read Only Memory，ROM)容量较小，通常用来一些不能改写而用于管理机器本身的监控程序和其他基本的服务程序。ROM中的信息一般是厂商在制造是写入的。如主板上的基本输入输出系统BIOS(Basic Input/Output System)。BIOS是一个小型指令集合，在开机时，CPU首先执行BIOS中的指令来搜索