1.1 計算機硬件

計算機的功能從根本上說就是能夠接收信息，根據事先編好的程序對信息進行處理，并給出處理的結果。信息是復雜的，帶來計算機科學的復雜性。但不論多么復雜，都是靠計算機的基本部件協作完成的，這些部件有運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

計算機的基本結構如圖1-1所示。運算器與控制器合稱為中央處理器（Central Process-ing Unit，CPU），它是計算機硬件系統的控制核心。在由超大規模集成電路構成的微型計算機中，CPU被集成在一塊芯片上，稱為微處理器。中央處理器和主存儲器合稱為主機。輔助存儲器和輸入、輸出設備統稱為外部設備或外圍設備。各部件間流動著信息流和控制流，圖中實箭頭表示信息流，虛箭頭表示控制流。

計算機的主機中流動著兩類信息流：指令流和數據流。由主存儲器流向控制器的信息流稱為指令流；由主存儲器流向運算器或由運算器流向主存儲器的信息流稱為數據流?？刂破饕罁噶畎l出控制信號，控制整機工作來處理信息。

1. 運算器

運算器（Arithmetic Unit）是一種執行部件，主要任務是完成信息的加工處理，實際上就是執行算術運算和邏輯運算。它主要由算術邏輯單元（Arithmetic Logical Unit，ALU）和一系列寄存器組成。

ALU是完成算術邏輯運算的部件。它的核心是加法器。算術運算是按照算術規則進行的運算，如加、減、乘、除等；邏輯運算一般指非算術性質的運算，如比較、移位、與、或、非和異或等。在計算機中，一些復雜的運算往往被分解成一系列算術運算和邏輯運算來完成。

運算器中的寄存器用于存放參加運算的操作數、運算的中間結果和最終結果。寄存器的存取速度比存儲器的存取速度快得多。

2. 控制器

控制器（Control Unit）是對輸入的指令進行分析，并統一控制計算機的各個部件完成一定任務的部件。

控制器一般由指令寄存器、狀態寄存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。計算機的工作方式是執行程序，程序就是為完成某一任務所編制的特定指令序列，各種指令操作按一定的時間關系有序安排，控制器產生各種最基本的不可再分的微操作的命令信號，即微命令，以指揮整個計算機有條不紊地工作。當計算機執行程序時，控制器首先從指令指針寄存器中取得指令的地址，并將下一條指令的地址存入指令寄存器中，然后從存儲器中取出指令，由指令譯碼器對指令進行譯碼后產生控制信號，實際上就是若干表示“1”和“0”的高低電位的組合，用以驅動相應的硬件完成指令操作。簡言之，控制器就是指揮計算機各部件工作的元件，其基本任務就是根據輸入指令的需要，綜合有關的邏輯條件與時間條件，產生相應的微命令。

3. 存儲器

存儲器（Memory/Storage）是用來存放程序和數據的部件，它是計算機中各種信息的存儲和交流中心。程序是計算機操作的依據，數據是計算機操作的對象。計算機的存儲器體系通常包括高速緩沖存儲器、主存儲器（內存儲器，簡稱主存或內存）和輔助存儲器（外存儲器，簡稱輔存或外存）三級。當前在計算機上運行的程序和數據存放在主存儲器中；輔助存儲器作為主存儲器的后援，存放暫不運行的程序和數據。主存儲器的速度比CPU慢，因此存儲器和CPU之間通常加入一級小容量的高速緩沖存儲器（Cache）。CPU能直接訪問主存儲器。高速緩沖存儲器解決了CPU與主存儲器之間速度不匹配的矛盾。輔助存儲器彌補了主存容量的不足，擴大了用戶的編程空間。

主存儲器由若干個存儲單元組成，每個單元存放若干位二進制信息。為了區分不同的存儲單元，通常把全部單元進行統一編號，此編號稱為存儲單元的地址。不同的存儲單元有不同的地址，單元與單元地址是一一對應的。存入信息至存儲單元或從存儲單元取出信息，稱為訪問存儲器，即對存儲器進行寫入或讀出操作。通常，讀出時，被讀出的存儲單元的內容不變；寫入時，被寫入的存儲單元原有內容被破壞而代之以新寫入的內容。

4. 輸入設備

輸入設備（Input Equipment）是用戶給主機提供信息（原始數據和處理這些數據的程序）的裝置?，F在的計算機能夠接收各種各樣的數據，既可以是數值型的數據，也可以是各種非數值型的數據，如圖形、圖像、聲音等，這些數據都可以通過不同類型的輸入設備輸入到計算機中，即輸入設備具有信息轉換和數據傳送功能，也就是將它們轉換為計算機所能識別的二進制代碼，并傳送給計算機的能力。

常用的輸入設備有鍵盤、語音識別器、鼠標器、軌跡球、游戲桿、掃描儀等。

5. 輸出設備

輸出設備（Out Equipment）是接收計算機處理結果的裝置。該裝置能將二進制代碼轉換為用戶所能識別的信息形式，如圖形、圖像、聲音等。

常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀和語音輸出裝置等。

特殊的輸入/輸出設備還有很多，如輔助存儲器，用于存儲程序和數據，從功能上看是存儲系統的一部分，可是從與主機的連接方式和信息交換方式來看，輔助存儲器可視為輸入/輸出設備。另外，隨著計算機網絡的迅速發展，數據通信設備和終端已成為計算機輸入/輸出設備重要而特殊的一類，如傳真機、調制解調器等。計算機應用系統中連接的一些專用裝置，也廣義地歸類于輸入/輸出設備，如自動控制、檢測系統中使用的與計算機相關的儀器、裝置等。

輸入/輸出設備多是電子和機電混合的裝置，與運算器、存儲器等電子部件相比，速度較慢。輸入/輸出設備與主機連接需要通過接口電路。

6. 總線

圖1-1中，各部件之間的聯系紐帶就是總線。系統總線是一組傳遞信息的公共導線，它可以是電纜，也可以是印制電路板上的連線，用來連接多個部件，并為之提供信息交換通路。

總線的特點是具有共享性和分時性。所謂共享性是指連接在總線上的部件都可通過總線傳遞信息，多個部件可以同時從總線接收相同的信息，這可以視為廣播式。所謂分時性是指任意時刻只能有一個設備向總線發送信息，這當然也成為了系統瓶頸。

根據傳送信息的內容與作用不同，系統總線分為地址總線AB、數據總線DB、控制總線CB三類。地址總線用于傳送地址信息，地址線的根數決定了尋址存儲器的范圍；數據總線用來傳送數據信息，數據線的根數決定了一次能夠傳送數據的位數；控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態信息等。

CPU發出的控制信號經CB送到存儲器和I/O設備，控制各部件完成指令的操作。與此同時，CPU經AB向存儲器或I/O設備發送地址，只有經地址信息譯碼選中的存儲器或I/O設備，才能驅動CB和DB。另外，存儲器和I/O設備有時也向CPU送回一些信號，如準備好信號READY，CPU可根據這些信號來調整本身發出的控制信號。I/O設備也可以直接向存儲器提出讀/寫要求，由設備接口控制器控制數據傳送。各部件通過三態門掛接在總線上。三態門是具有邏輯“0”、邏輯“1”和浮空三種邏輯狀態的門電路，浮空狀態就是三態門輸出呈現開路的高阻狀態。當三態門控制信號無效時，輸出就呈現高阻狀態。通過對三態門的控制，就可以選擇部件和控制傳輸線上的信號傳送方向。