计算机硬件基础知识

一、计算机系统组成示意图

二、计算机系统的五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

1、控制器（Control Unit），是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。

控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析的结果向计算机其它部件发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。计算机自动工作的过程，实际上是自动执行程序的过程，而程序中的每条指令都是由控制器来分析执行的，它是计算机实现“程序控制”的主要设备。
通常把控制器与运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即CPU芯片。它是计算机的核心设备。它的性能，主要是工作速度和计算精度，对机器的整体性能有全面的影响。

硬件系统的核心是中央处理器（Central Processing Unit，简称 CPU）。它主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称微处理器芯片。

2、运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与Control Unit共同组成了CPU的核心部分。

3、存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。

外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

内存储器

外存储器

4、输入设备：向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。

键盘

关于键盘可参阅：是时候换个机械键盘了，机械键盘大科普！

鼠标

扫描仪

5、输出设备（Output Device）是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。

显示器

打印机

三、工作原理

计算机的工作过程就是执行程序的过程。怎样组织程序，涉及到计算机体系结构问题。现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。

1、冯．诺依曼(Von Neumann)的“程序存储”设计思想 ：冯．诺依曼是美籍匈牙利数学家，他在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想。到现在为止，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言，仍然是根据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。

冯．诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：

a.计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。

b.计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。

c.将编好的程序送人内存储器中，然后启动计算机工作，计算机勿需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。
从以上三条可以看出，以前所有的讨论都是针对冯．诺依曼设计思想论述的，不过没有明确指出其人罢了。冯．诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对对程序存储概念的具体化。

2、计算机的工作过程

了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输人设备送到存储器中保存起杂，即程序存储。接来就是执行程序的问题了。根据冯．诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序文归结为逐条执行指令。

a. 取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存；

b. 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，译出该指令对应的微操作；

c. 执行指令：根据招令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；

d. 为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。

四、有关硬件中的名词术语

1、CPU(Central Processing Unit)

CPU是中央处理菇的英文缩写,是运算器与控制路两者的统称。从其名称可知它是计算机核心和关键，计算机的性能主要取决于CPU。随着大规模集成电路技术的发展，如今CPU 则已能舆成在一块半导体芯片上，这种芯片就叫做微处理器。用微处理器作为计算机 CPU 是微型计算机的主要标志之一。

2、内存与外存

计算机存储器可分为两大类，即内存储器和外存储器。

a.内存储器

内存储器简称内存，又称主存，是 CPU能根据地址线直接寻址的存储空间，由半导体器件制成。其特点是存取速度快，基本上能与 CPU速度相匹配。

内存按其功能和存储信息的原理又可分成两大类，即随机存储器和只读存储器。

随机存储器简称 RAM (Random Only Memory)。RAM在计算机工作时，既可从中读出意信息，也可随时写人信息，所以RAM是一种在计算机正常工作时可读／写的存储器。值得注意的是 RAM 掉电会丢失信息，因此，用户在操作电脑过程中应养成随时存盘的习惯，以防断电丢失数据。

只读存储器简称 Rom(Red only Memory)。ROM 与 RAM 的不同之处是它在计算机是常工作时只能从中读出信息，利用这一特点常将操作系统基本输人输出程序固化其中，机器一通电立刻执行其中的程序，ROM BIOS 就是指含有这种基本输入输出程序的ROM 芯片。

b.外存储器
外存储船简称外存，它作为一种辅助存储设备，主要用来存放一些暂时不用而又需常期保存的程序或数据。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须通过CPU 输入／输出指令，将其调入BAM中才能被CPU执行处理，所以外存实际上属于输入／输出设备。

内存是程序存储的基本要素，存取速度快，但价格较贵，容量不可能配置的非常大；而外存响应速度相对较慢，但容量可以做得很大（如一张3.5英寸软盘片容量 1．44 MB，一张光盘片容量640MB，硬盘容量可达几GB）。外存价格比较便宜，并且可以长期保存大量程序或数据，是计算机中必不可少的重要设备。

c.主机
在硬件系统中，CPU、内存和连接输入输出装置的接口（不包括实际输入输出装置）统称为主机，所以主机是有特定含义的。微型机主机，生产厂家常将其制作在一块印刷电路板上，这就是通常所说的主机板，简称主板。

b.外部设备
前面说的输入设备和输出设备统称外部设备，简称I／O(Input／Output)设备。外部设备不是可有可无，恰恰相反，它们是计算机的重要组成部分。随着计算机技术的发展，外设品种越来越多，并有很多外设是智能化的，I／O设备在计算机系统中变得越来越重要，所占的价格比重也越来越大。外部设备从工作原理、工作方式和功能等不同角度可以分为输入设备、输出设备、外存储器、数据通信设备、过程控制设备等。其中数据通信设备是用于组成计算机网络的设备，过程控制设备是用于计算机自动控制的设备。

e.I/O接口

外部设备品种繁多，不同的外设物理性能相差极大，因而不能直接与主机相连而必须在主机与外设之间通过称之为“I/O接口电路”的特殊逻辑部件，才能实现主机与外设之间的信息交换。设置接口的原因还在于:主机与实际外设的工作速度相差极大，主机是高速电子设备，  而外设则大多是电子式机械设备；不同的外设工作方式不一样，数据格式也不一样，例如，有的设备采用并行方式与主机交换信息(如打印机)，有的则采用串行方式与主机交换信息(如键盘、鼠标器等)。I用接口就是针对上述原因而设计的逻辑电路，用于解决：

主机与外设装置之间的速度匹配问题。

反映设备的工作状态，以备 CPU需要时查询。

实现数据格式的变换。

提供适当的定时信号以满足数据传送的需要。

实际的I/O接口通常根据特定的I/O设备制作在一小块印刷电路板上，称为接口卡。例如，为了把显示器接人主机，要通过一块显示卡与主机相连；打印机、磁盘驱动器等外设也需通过I/O接口才能接人主机。

f.总线

在计算机中，总线是个很重要的概念。所谓总线，是一组连接各个部件的公共通信线.即各个有联系的部件不是单独地使用导线连接，而是一律连接到总线上，因此各部件间的通信关系变成面向总线的单一关系，所以总线是各部件共用的。采用总线结构很容易理解，首先是简化了连线，工艺简单，线路可靠，更大的好处是系统扩充容易，维修简单，便于实现硬件系统积木化，增加系统灵活性。总线英文为 BUS。BUS原本为公共汽车的意思，既然公共汽车，自然谁都可以上去，总线沿用 BUS，意思也是说任何一部件的信息都可“搭乘”BUS传送。然而，任一瞬时总线上只能出现一个部件发往另一部件的信息，这意昧着总线只能分时使用，而这是需要加以控制的，总线使用权的控制是构造系统时应考虑的重要问题。但是用户感觉不到这一点，这是设计者的事情。总线是一组物理导线，并非一根。根据总线上传送信息的不同，分为地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。顾名思义，AB传送地址信息，DB传送数据或指令，CB用来传送控制信号。现在，微型机阶总线已经标准化。目前586微机中广泛采用的是 ISA和PCI两种总线标准。

ISA总线(Industry Standard Architecture)是一种16位的总线结构，适用范围广，因为很多接口卡都是根据 ISA标准生产的。

PCI总线(Peripheral Component Inerconnection)是一种32位的高性能的局部总线,可扩展到64位，与ISA总线兼容。高性能微机主板上都设有 PCI总线。

五、RAM和ROM区别