1.2.1　計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械、磁性和光電元件組成的各種計(jì)算機(jī)部件和設(shè)備，是看得見、摸得著的。

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)通常由五大部件構(gòu)成：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器。它們之間的關(guān)系如圖1-3所示。其中，細(xì)線箭頭表示由控制器發(fā)出的控制信息流向，粗線箭頭表示數(shù)據(jù)信息流向。這種計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)就是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。時(shí)至今日，我們使用的計(jì)算機(jī)不管機(jī)型大小，都屬于這種結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)五大硬部件的基本功能如下：

1.運(yùn)算器

運(yùn)算器的主要功能是完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，能做加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，也能做比較、判斷、查找等邏輯運(yùn)算。

2.控制器

控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，負(fù)責(zé)決定執(zhí)行程序的順序，給出執(zhí)行指令時(shí)機(jī)器各部件需要的操作控制命令。

計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)算器的操作由控制器決定。運(yùn)算器處理的數(shù)據(jù)來自存儲(chǔ)器，處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通常送回存儲(chǔ)器或暫時(shí)寄存在運(yùn)算器中。

計(jì)算機(jī)的核心部件CPU（Central Processing Unit，中央處理器）主要由運(yùn)算器和控制器集成。此外，CPU還包括寄存器、Cache及實(shí)現(xiàn)內(nèi)部聯(lián)系的總線等。

計(jì)算機(jī)的性能在很大程度上由CPU的性能決定，而CPU的性能主要體現(xiàn)在其運(yùn)行程序的速度上。影響運(yùn)行速度的性能指標(biāo)包括CPU的工作頻率、Cache容量、指令系統(tǒng)和邏輯結(jié)構(gòu)等參數(shù)。最主要的是時(shí)鐘頻率，稱為主頻，單位是兆赫（MHz）或吉赫（GHz），用來表示CPU的運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)的速度。通常，主頻越高，CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快。

但單純地提升主頻，已經(jīng)無法明顯提升系統(tǒng)整體性能；而隨著提速引起功率增大所帶來的散熱問題也越來越成為一個(gè)無法逾越的障礙；同時(shí)，其性價(jià)比也令人難以接受。因此，多核心技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

多核心，也指單芯片多處理器（Chip Multiprocessors，CMP），是指在一枚芯片中集成兩個(gè)或多個(gè)處理器，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。多核處理器可以在處理器內(nèi)部共享緩存，提高緩存利用率，同時(shí)簡(jiǎn)化多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，在顯著提高并行處理能力從而改善計(jì)算機(jī)性能的同時(shí)，控制了日益突出的功耗問題。當(dāng)然，不是中央處理器的核心數(shù)目越多，其性能會(huì)越高。目前的研究表明，當(dāng)核心到達(dá)某一個(gè)數(shù)目時(shí)，性能反而會(huì)下降。

3.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。

存儲(chǔ)器按其在計(jì)算機(jī)中的作用可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。中央處理器能直接訪問的存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器（也稱主存），包括高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器。中央處理器不能直接訪問外存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器的信息必須調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器后才能由中央處理器進(jìn)行處理。所以，內(nèi)存的存取速度比外存快。相對(duì)輔存而言，內(nèi)存的存取速度快，但容量較小，且價(jià)格較高。輔存的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，但存取速度較慢，由于輔存設(shè)置在主機(jī)外部，故又稱為外存。常用的外存是磁盤、光盤、U盤。

高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）是為了解決CPU和主存之間速度匹配問題而設(shè)置的。如圖1-4所示，它是介于CPU與M2之間的小容量存儲(chǔ)器，但存取速度比主存快。有了高速緩沖存儲(chǔ)器，就能高速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，從而加快程序執(zhí)行的速度。

主存儲(chǔ)器可分為兩類：一類是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM），用于存放現(xiàn)場(chǎng)程序和數(shù)據(jù)，RAM中的內(nèi)容可隨時(shí)按地址進(jìn)行存取。因?yàn)镽AM中的信息是由電路的狀態(tài)表示的，所以斷電后信息一般會(huì)立即丟失。為此，在錄入和編輯過程中應(yīng)經(jīng)常存盤，避免因故障或斷電造成信息丟失。另一類是只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory，ROM），其特點(diǎn)是用戶在使用時(shí)只能進(jìn)行讀操作，不能進(jìn)行寫操作，存儲(chǔ)單元中的信息由ROM制造廠商在生產(chǎn)時(shí)寫入，也可由用戶根據(jù)需要一次性寫入，ROM中的信息關(guān)機(jī)后不會(huì)消失。計(jì)算機(jī)的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）軟件就存放在ROM內(nèi)。

存儲(chǔ)器容量是指存儲(chǔ)器中最多可存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總和，其基本單位是字節(jié)（Byte，B），每個(gè)字節(jié)包含8個(gè)二進(jìn)制位（bit）。

一般用KB（千字節(jié)）、MB（兆字節(jié)）或GB（吉字節(jié)）作為存儲(chǔ)容量的計(jì)量單位，它們之間的關(guān)系如下：

1KB=1024B=210B

1MB=1024KB=220B

1GB=1024MB=230B

1TB=1024GB=240B

4.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備是用來輸入計(jì)算程序和原始數(shù)據(jù)的設(shè)備。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、圖形掃描儀、鼠標(biāo)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、攝像頭、觸摸屏等。

5.輸出設(shè)備

輸出設(shè)備是用來將計(jì)算機(jī)工作的中間結(jié)果及處理后的結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)的設(shè)備。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、數(shù)字繪圖儀等。