1、第七章计算机硬件第七章 计算机硬件硬件是计算机物理设备的总称,也叫做硬件设备.它们通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置。一台微型计算机系统结构可如图7.1所示。图7.1 微型计算机的系统结构图计算机的主要部件由中央处理器（central processing unit, CPU）、主存储器（primary storage），各种I/O设备及总线（bus）组成。CPU是计算机中进行符号、数字等操作的场所，也是控制系统中其它元器件的场所。主存储器用于暂存执行过程中的软件或参加运算的数据。而那些暂时不参加运算的数据存储在作为I/O设备的辅存储器中。总线则完成上述功能器件之间的数据传送、地址
2、传送及控制指令的传送。因此反映计算机能力的两个主要指标，则是时间与容量，并且主要由CPU与主存储器决定。表7.1 电脑世界中的容量与时间时间 容量Second 1 Byte 1字节(8位元串）Millisecond 1/1,000 Kilobyte 1K字节Microsecond 1/1,000,000 Megabyte 1M字节Nanosecond 1/1,000,000,000 Gigabyte 1G字节Picosecond 1/1,000,000,000,000 Terabyte 1兆字节如表7.1左半边表示的是计算机时间测量单位，目前一台具有多个中央处理器的大型计算机的机器周期时间每秒
3、能执行几十亿个指令，其中每个中央处理器都能执行200万个MIPS（MIPS称每秒百万指令，并以此为大型计算机运行速度的基准）。我国的银河系列就是专门研究此类大型机。表7.1右半边表示的是计算机容量指标。由于编码是以位元组（Byte，字节）来计算，因此一千个字节称为1KB（实际应有1024个字节）。而目前的微型计算机都可以达到GB量级的内存容量，而外存可达兆量级的容量。本章则介绍系统中各种硬件的主要功能及其组成。7.1 中央处理器 中央处理器（central processing unit, CPU）是计算机系统最主要的部件，它由两个主要部分组成:运算器和控制器。7.1.1 运算器如图7.2所示
4、的是运算器的结构图。它是由算术逻辑单元（arithmetic logic unit, ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器组成。 图7.2 带寄存器组的运算器算术逻辑单元主要用于完成算术、逻辑操作；累加器用于暂存操作数或运算结果；状态寄存器也称标志寄存器，存放算术逻辑单元运算后产生的状态信息，如算术运算中的溢出；其它寄存器称为通用寄存器，用于暂存操作数与数据地址。算术逻辑单元、累加器及通用寄存器的位数决定了CPU的字长，即计算机中作为一个整体被传送和运算的二进制位数。因此，一台计算机以32位为一整体进行传送与运算则称为32位机。7.1.2 控制器如图7.3所示的是控制器的结构图。控制器是计
5、算机的神经中枢，它按照主频的节拍产生各种控制信息，以指挥整个计算机工作。计算机的主频速度一般与机器型号（或CPU型号）相关，如MMX-200，芯片的主频为200MHZ，主频越高，则工作节拍越快，运行速度也越高。 图7.3 控制器的结构图控制器从内存中按顺序取出各条指令并执行之。其步骤如下：1 将从内存中取到的指令经总线送到CPU的指令寄存器内暂存。2 将指令传送到指令译码器，分析指令。3 将分析结果传递给微操作控制电路，由它向各功能部件发出操纵控制命令。4 当各部件执行完毕，“反馈信息”，使程序计数器地址“+1”（或2），指向下一条指令地址。如此周而复始，直至执行完一个程序。7.1.3 CPU
6、的发展计算机的能力部分依赖于CPU与总线的一些技术指标。如常见的微处理器晶片，其一个机器指令周期能并行处理的计算机字长可以是八位元字长，十六位元字长或三十二位元字长，最多达六十四位元字长。机器字长度越长，计算机运行速度越快。表7.2所示目前微型处理器的种类。表7.2微型处理器种类名称机器字长(bit)总线宽度(bit)晶片振荡频率(MHz)制造厂商计算机机种Pentium326475-200IntelPCPentium(MMx)3264166-233IntelPC,工作站PentiumII3264233-450Intel高级计算,工作站PentiumIII3264450-500Intel高级计
7、算,工作站Pentium32641.5-2.8GHzIntel高级计算,工作站PowerPC32/6464100-400Motorola/IBM/Apple高级计算,工作站Alpha64647600Compaq/DECCompaq与DEC工作站影响计算机运行速度的第二个因素是决定机器时序周期长短的晶片振荡频率（又称时序速度），以每秒百万个周期为单位即MHZ。则时序速度越高机器运行速度越快。早期Intel8088的机器频率为4.47MHZ，Intel PentiumIII达400-500MHZ而现在的Intel Pentium IV的时序速度则达到1.5-2.8GHZ。 影响计算机运行速度的第三
8、个因素是数据总线的宽度。数据总线是CPU与主存储器及其它器件之间的数据高速公路，决定并行传送多少位数据。如IBM8088个人计算机，字长为十六位，CPU可以并行处理十六位元的资料，而由于数据总线的宽度仅八位，则CPU与主存储器及其它设备之间一次仅传送八位资料，计算机运行速度下降。只能称为准16位机。目前的Alpha机、处理器芯片为六十四位元。数据总线宽度亦为六十四位元，机器字长为64位，称为64位机。由于数据总线宽度大，计算机运行速度高。显然，要使计算机有更强的运算能力可以考虑增加机器字长度，数据总线的宽度及提高机器周期速度（晶片机器频率）。当前许多计算机，从微型计算机到大型主干机，为了扩展功
9、能都使用了多处理机技术，取代了由单个控制单元和ALU组成的单个处理机。多处理机系统内可以有多个执行功能的CPU，它们的特点是：（1) 辅助处理器 这种设计是采用辅助微处理器帮助主处理器执行多种功能。辅助微处理器可以用于输入/输出、存储管理、算术计算和通信，以使主处理器做主要的程序处理工作。例如支持浮点树术运算的协处理器、视频显示控制器、磁盘控制器等。一台大型的计算机可能用一台微型计算机作为通道管理机，控制CPU与I/O设备之间的数据传输，先进的微处理器设计技术把这些辅助处理器的功能集成在单个的微处理器片上。（2) 对偶处理器 这种设计采用多CPU或多微处理器进行多道并行处理，即在同一时刻执行几
10、条指令。有些结构还提供容错能力，当其中一个CPU出现故障时，多CPU提供了内部的备份。（3) 并行处理设计 这种设计可以使用几个指令处理器，或者成千上百个指令处理器，以网络形式组织在一起。例如：含有上千处理器的大量并行处理则是基于大脑的神经网络原理。这种系统一次可以并行处理许多指令。许多专家正在研究并行处理系统，使它能在第五代计算机中提供人类智力的能力。计算机循序处理和并行处理示意如图7.4所示。图7.4 循序处理与并行处理图7.4(a)所示为循序处理，则将一个工作分配给一个CPU，一次执行一个任务；而图7.4(b)的平行处理中，则将一个工作分割成多个任务，分配给多个处理器。由于处理器平行工作
11、加快完成了所分配任务，将各处理器平行工作的结果综合在一起，则成为该工作的总结果。其速度远远超出了循序处理。（4) RISC处理器 微处理器在设计上可以采用精简指令集（reduced instruction set computing, RISC）的方法加快运算速度。一般微处理器的指令集称为复杂指令集（complex instruction set computing, CISC）。因为在这些微处理晶片上往往有几百条指令硬体线路，因此必须花比较长的机器周期才能执行一条指令。而通常80%的工作仅用到指令集的20%，将不常用的指令剔除，就形成了精简指令集，简化了晶片上的硬件线路，因而提高了CPU的效
12、率。许多高性能的急速工作站和部分计算机采用了优化指令集计算机（reduced instruction set computer, RISC）。这是相对于复杂指令集计算机（complex instruction set computing, CISC）而言。RISC使用了一个经过优化、简化了的小指令集，从而提高了计算机的运行速度，并减少程序指令执行时所需的时间，即RISC处理器仅使用少量基本的机器指令，就使处理器具有执行的能力。因此RISC处理器在工程与物理科学的计算方面很受欢迎，并逐步走向通用。（5) MMX多媒体处理器 在80年代，一些计算机公司制成了将文本、图像（包括图形、静态图像、视频动
13、态图像、动画等）、声音（包括语言、音乐、声音效果等）多种媒体集为一体进行处理的计算机。这种计算机要求CPU有更高的处理速度和更强的处理能力，从而促进了计算机供应商研制适应于多媒体处理的高性能微处理器，如市场上推出的Intel MMX芯片就属于该系列。MMX（Multi Media Extension）微处理器其本质是以一个Pentium晶片，加上额外的可以改善软件图形、声音效果的指令集，使得多媒体的多声道音讯、高品质影像或动画等，可以在同一软件中执行。超微处理器AMD-K6(Advanced Micro Device)既与Pentium相容，也提供MMX指令集，而Intel PentiumII
14、I以上的晶片对语言识别、影视、网络等处理工作有独到的指令设计，具有与大型主机及超级计算机相似的处理能力。7.2 存储系统7.2.1 计算机存储系统及发展 数据储存是计算机信息系统必须具备的一大主要功能。计算机信息系统基本上是依靠一级存储器和二级存储器设备来实现存储功能的。表7-3反映随计算机代的变迁，及一级存储器和二级存储器设备的发展变化。表7-3 计算机存储设备的变化第一代第二代第三代第四代第五代一级存储磁鼓磁芯磁芯LSI半导体存储器VLSI半导体存储器发展趋势利用更小的微电子线路向高速大容量能力发展二级磁带磁带磁盘磁盘光盘存储磁鼓磁盘磁带光盘磁盘发展趋势利用磁和光介质，向海量存储能力发展
15、随着超大规模集成技术的发展，在一个小小的芯片上，可以组装几百万个线路元素，大大提高了计算机一级存储的容量。而随着光介质的使用，二级存储的容量也大大扩展。存储系统有多种存储介质和设备，它们的运行速度、容量及用途比较如表7-4所示。从表中可以看出，为了降低一级存储的成本，采用高速缓存技术方案，利于提高计算机的运行速度，而在二级存储中将更多地采用磁盘和光盘存储。表7-4 计算机存储介质的性能比较价格速度容量用途存取特性磁带磁带光盘二级存储直接低磁盘低磁盘大磁盘二级存储直接光盘光盘磁带二级存储顺序高半导体存储器高半导体存储器小半导体存储器一级存储随机高速半导体存储器高速半导体存储器高速半导体存储器高速
16、缓存随机7.2.2 主存储器 主存储器的功能主要是存放当前运行的程序及执行程序所需的资料。这些程序和资料在运行前由辅助存储器调入主存储器，在处理过程中或处理完毕后，再存回辅助存储器或打印输出。计算机的主存储器主要是由半导体存储器组成。半导体存储器的种类繁多，按其性能和用途可以分成两大类：只读存储器即ROM（read only memory）和随机存取存储器即RAM(random access memory)。随机存取存储器（RAM），是指任意时刻可以从任意存储单元读出信息，或将信息写入任意存储单元，而读写信息所需的时间与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器又名读写存储器（read and w
17、rite memory, RWM）。常用它存放计算机运行过程中所需的程序和数据。当运行结束，程序和数据将保存在二级存储器内。机器断电后信息自动消失。由于半导体存储器价格贵，容量不能做得太大，而且随着半导体器件速度加快，价格提升更快，与提高计算机主机运行速度产生了矛盾，为此在主存中采用了少量速度更高的半导体存储器，称之为高速缓冲存储器（cache），存放最常用的数据与程序，达到以较低的成本增加，换得运行速度的提高。只读存储器（ROM）是指只能从中读出信息，不能写入信息的存储器，ROM晶片上的软件编码是厂商制造时烧上去的。常用它存放计算机的启动程序、自检程序及磁盘引导程序等。ROM晶片也可以分为两
18、类：一种是PROM（Programmable read only memory）产品，该晶片只能一次写入程序，用于固定计算或控制模式，是一种软件硬化技术。另一种是EPROM（eraseable programmable read only memory）产品，该晶片可以多次写入程序。使用于可变控制，如数控机床加工零件发生变化，机器人运动模式发生变化，都需要修改程序，此时只需擦除EPROM的原有程序进行改写即可。7.2.3 辅助存储器 计算机系统将立即要处理的数据和程序存放在主存储器内，即一级存储器；而将其它数据资料和程序存放在磁带、磁盘、光碟等辅助存储器内，即二级存储器。二级存储器是位于CPU
19、与主存储器之外，不需要电力维持的、可长期储存海量资料的记忆部件。这种存储器依赖机械运动，将指定位置上的数据传送给主存储器或CPU，因而速度低于主存储器。外存储器具有的最大的优点是单位存储容量的价格便宜。 （1）磁带 磁带属于顺序存取介质，因此只可以顺序存取而不可随机存取。即在磁带上查找某笔账务时，必须从头找起，因此不能在数秒内就获取所需资料。这种存储设备不适用于实时系统，但对于允许时间延迟的非实时系统，由于磁带的容量大、成本低、性能稳定、可重复使用，获得用户的青睐。 目前已不再采用早先的盘式磁带，而采用可以保存更多资料的大容量（可达35GB）磁带匣。对于一些大型的主干机，可以有装上数百个磁带匣
20、的自动化系统，利用精密的机器人技术安装磁带匣，也可在几十秒内，在磁带匣组中选取合适的磁带匣，从中读取所需的数据记录。这一类存储器件，速度虽慢了一些，但由于价格便宜，适用于银行（储存账务记录）、广播业（可置换影带）、医疗业（储存X光及医疗影像）和教育业（教育资料）。 （2）磁盘 磁盘属于随机存取介质，因此可以直接存取，存取速度相当快。同时，磁盘也具备容量大、价格低的优点，深受用户喜爱。 磁盘有二种，一种是软磁盘，是一片表面磁化的多元酯软片。另一种是硬磁盘，目前一般由11片双面浮着铁气化物的薄钢盘组成的磁盘组。通过磁读写头，将资料从由同半径长度磁道组成的磁柱面上读出/写入。 由于大型计算机需要具备
21、海量存储能力，因此可以具有多台磁盘机，并通过阵列磁盘（redundant array of inexpensive disks, RAID）技术加强磁盘的效率。RAID技术的特点是改变了传统磁盘机单一路径发送资料的特点，而是采用多路并行发送，以此提高磁盘的存取速度。小型RAID系统有10到20GB的存储能力，而大型的RAID则有terabyte以上。而且RAID的可靠性大大增加，因为一个磁盘机损坏时，其它磁盘机依然正常工作。 （3）光盘 光盘是相对比较新的存储介质。目前微型计算机上使用的光盘称为只读CD片即CD-ROM（compact disk-read only memory），它采用类似于
22、立体声系统所用的4.75英寸密质盘片，储存大约超过660M字节的信息。然后由CD-ROM驱动器用激光阅读器读出二进制代码。 另一种光盘技术产生写一次读多次的（write once, read many, WORM）光盘。这种技术允许微型计算机上的光盘驱动器在光盘上写一次用户程序，然后，可以多次读出。这两种技术的主要缺点是记录在盘上的信息不能擦除。 由于光盘储存海量信息，主要用于影像处理。例如档案馆、博物馆需要维护的海量历史文档，又如国家图书馆用光扫描仪捕捉数字化的彩色图形文档影像，配以声音解说，存入计算机系统，以备读者随时存取。这些都采用了WORM技术。当然CD-ROM由于成本价格比较低，广泛
23、用于计算机终端用户，许多系统软件及各种软件包及教育训练项目也都采用了CD-ROM片。 目前，可擦除光盘系统（erasable optical disk）已产生，这种技术采用激光记录与擦除数据信息。但由于复写光盘速度慢，且可擦除光盘系统设备很昂贵，无法跟可读/写的磁盘设备相比，因此在相当一段时间内无法替代磁盘系统。 近年，随着CD-ROM功能的增强，读取速度的提高，则发展成多用途数位光盘或称为数位影音光盘（digital video disk, DVD），它的尺寸与CD-ROM一样，但储存能力更强。它能储存至少4.7GB的资料，因此DVD可以存储高音质及高画质的电影，也可以存储如文件、图形、声音
24、、影像等多媒体资料，发展方向可能会取代CD-ROM。7.3 输入/输出设备 外围设备是所有输入/输出设备和二级存储设备的通称。它们通过各种I/O接口与计算机系统的中央处理机连接并通信，因此外围设备皆属联机设备。本节讨论外围设备及其介质。7.3.1 计算机键盘与显示终端 从技术上定义，任何通过通信连接到计算机的设备都可以称之为终端。最普通最大量的用户与计算机的交互方式是采用键盘输入数据，用视频向用户显示输出，并可在输入到计算机前进行编辑。 目前终端发展趋势将脱离没有处理能力的哑终端，向智能终端发展。这些智能终端自身就拥有处理器和存储线路。许多智能终端实际上就是微型计算机，往往作为大型计算机的通信
25、终端，可以独立进行数据输入和信息处理任务。 另一个趋向是在银行、工厂、销售业工作场所广泛使用的事务处理终端，例如：银行的自动取款机（automated teller machines, ATM），工厂的事务记录及销售业的POS终端（point-of-sale）。这些终端用各种方法捕捉用户数据，并经过通信网络传送到主计算机系统，以处理这些数据。7.3.2 点触式（pointing）设备 这是另一种发布命令、进行决策选择和响应视频提示的较好的设备，这种设备通过移动光标可以让你方便进行菜单或象标选择，目前有电子鼠标器（computer mouse）、轨迹球（trackball）、触碰板（touch
26、pads）和电子游戏机中常用的操纵杆。 还有一种触摸感应屏幕，允许人通过触摸屏幕来使用计算机。当人们触摸屏幕时，将中断电子格栅的信号，计算机感应这个信号，并采取相关的活动。例如你可能触摸你想选取的菜单项，并运行相关的程序。7.3.3 计算机笔 终端用户可以使用类似于笔一样的设备直接在视频屏幕或其他类型的表面上写字、画画。例如光笔就是一种笔状设备。用户可以直接写在视频板上，通过光敏感线路，计算机能计算出屏幕上该点的坐标。也可以采用一块绘画板，让你用光笔在它的压敏表面上写字、画画，然后计算机把它们数字化作为计算机的输入显示在计算机的屏幕上。 光笔和绘画板技术的相结合，应用于新一代的计算机笔，在计算
27、机内装上可以数字化的手写体、打印体、手工绘画等软件后，这种笔可以识别各种手工图形。现场工程师、绘图员等可以直接使用类似绘图板一样的液晶板，将数据输入计算机。7.3.4 视频输入/输出 视频影像可以作为输入，也可以作为输出。例如来自TV、录像机、摄像机的影像都可以数字化，并压缩后储存在磁盘和光盘中。数字化一张影像并不昂贵，但在全动态的视频显示中捕捉一个镜头，要采用如DVI（digital video interaction）技术，成本昂贵。DVI通常要求性能很高的计算机，并需增加一些软件、接口板、主存容量、磁盘和光盘的容量。另外，多媒体开发能力能将文本、图形、声音和TV影像合成为计算机视频显示，
28、但技术成本相当昂贵。 最普通的使用最广泛的视频输出设备是阴极射线管（cathocle ray tube, CRT）。有单色显示器和彩色显示器之分。为了使当前微机上应用的许多软件包能实现复杂的图形功能，视频设备的高清晰度用像素表达是极其重要的指标。 曾经用于电子计算器和电子表上的液晶显示（liquid crystal displays, LCD）当前也用于计算机的输出显示，最常见的用于便携式微型计算机和终端。由于技术上的先进性，已大大改善了在强光或人造光条件下显示的清晰度。另外液晶显示所用的电子线路小，并提供了极薄的平面显示。目前已有全彩LCD显示，并正在逐步替代ERT。 等离子显示（plasm
29、a display）很昂贵。然而这种设备耗电少，提供更快的显示速度，并且不论从那个角度、那种光线条件下看图像，都可以让用户看得更清晰。这种设备是以后发展方向。7.3.5 打印输出 打印输出也是一种常用的可视输出。计算机通常都配置打印机以拷贝计算机的输出文档，并可根据用户需求，采用特殊的纸张，一次可进行多份拷贝。如：财务上的多联发票的打印。 许多打印机是击打式的。它是通过表达一个基本元素（点或字符）的打印机械击打色带，在纸的表面印下字符。微型计算机最通用的是点矩阵打印机，它通过点阵组合成一个字符。一般来说，这种打印机的速度比较慢，每秒约几百个字符。主干计算机一般使用高速并行打印机，一般每分钟可以
30、打几千行。 另一种非击打式的打印机，与击打式打印机相比没有噪音，但一次只有一份拷贝。如激光打印机（laser printers）和喷墨打印机（ink jet printers）都能生产高质量的打印文档。用于微型计算机的激光打印机大约每分钟可以打印5-200页，喷墨打印机的速度稍慢于激光打印机。 绘图仪能在纸上画图，相当于产生打印的纸输出，因而也列入打印输出。7.3.6 声音识别 讲话是人类最简单最自然的交流方式。目前声音输入和输出的数字化在技术上和经济上都已达到了应用的可行性。例如可以在微型计算机上增加声音识别电路板及软件，就可以具有声音识别能力。在声音识别线路板上，有声音识别微处理器和其他线
31、路，还有包含1000-10000字的ROM。 声音识别系统分析并划分讲话或发声系统的模式，把它们转换成数字代码并存入计算机。因此声音识别系统首先要训练计算机对用户声音的识别，将一定数量的词作为标准词汇。操作者先将词汇表中的字重复10次，以便计算机能记忆并识别这些词汇的声音。一般经过训练的系统，词汇识别准确能力达到99%。还有一种通用的语言识别系统，它能使系统识别没有学习过的声音，但这种系统应用有限。 声音识别系统用于那些操作者不需键入数据或要求数据输入更快更准确的工作。例如用于制造厂的生产质量控制，库存管理，用于邮局进行包裹分检等。也可以用于微型计算机的软件包进行命令和数据的声音输入。7.3.7 光和磁识别(1) 光扫描设备可以读文本和图形，并能将它们转换成数字输入到计算机内。一种光字符识别仪（optical character recognition, OCR）能阅读一些特定的字符和代码。而文本和图
