1.3.2　计算机硬件系统（机器系统）

在计算机研制初期，“计算机之父”匈牙利科学家冯·诺依曼领导的计算机研制小组明确提出：计算机内采用二进制数，由程序命令控制，其结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。直至今天，计算机硬件架构还没有突破五大部分组成这一设计思想，因此，有时也称我们使用的计算机为冯·诺依曼计算机。下面就硬件各部分功能作一介绍。

1.控制器（control unit）

控制器是用来实现计算机各部件之间的联系，协调各部件工作的部件，它是整个计算机的控制指挥中心。控制器通过检测接收反馈信号和发送控制信号来控制各相关设备，它类似于人的大脑，人们也把其比喻成乐队的指挥，在计算机中发挥着相当重要的作用。

2.运算器（colculator unit）

运算器是对编成代码的信息进行算术和逻辑运算的部件（记作ALU）。其中主要由全加器构成，它好比是算盘，计算机的一切运算都通过它来进行，是计算机的核心部件。

3.存储器（memory）

存储器是用来记忆、存储程序和数据的部件。它是计算机中的数据仓库，程序、原始数据、中间结果或最后结果全部存储在其中，其结构如图1-4所示。存储器又分为两大类：内存储器（主存储器）和外存储器。这里主要讨论内存储器，简称“主存”或“内存”，外存储器后面还将介绍。现在内存储器大都由半导体存储器件组成。

内存储器按其功能分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

1）随机存储器（RAM）

RAM（random access memory）又称读写存储器，一般由MOS（金属氧化物半导体）元件组成，存取速度快，但容量小，中央处理器（CPU）可随机读/写数据，关机或断电时数据将全部消失。RAM可分动态RAM（DRAM）和静态RAM（SRAM）两大类。DRAM用MOS电路和电容作为存储元件，由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容正确（如每隔2ms刷新一次），因此称为动态存储器，它的特点是集成度高，主要用于大容量内存，除此以外，还有同步动态内存（SDRAM），同步动态内存比普通内存（DRAM）效果好，SDRAM为现在大多数计算机所采用；SRAM用双极型或MOS的双稳电路作为存储元件，它没有电容断电造成的刷新问题，其特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。计算机工作时，程序、命令的运行和信息的处理，中间结果和最终结果的暂时存储都要在内存中进行。因此，RAM是计算机运行过程中信息交换的场所，是计算机不可缺少的部件。计算机工作时要求有足够的RAM空间。现在的系统主板RAM芯片的插座上大多用“SLMM”（single in line memory module）内存扩展插槽。内存条的引脚有统一的标准，常见的有30线、72线和168线三大类。

2）只读存储器（ROM）

ROM（read only memory）是一种存储固定信息的存储器。内容是事先写入的，计算机运行时，只能读出，不能写入或修改删除数据，断电数据不会丢失。一般采用掩模技术和半导体存储器制成ROM芯片，不管电源是开或是关，其中的数据会一直保存，通常用来存放专用的固定程序，在生产时将基本的参数写入其中，不再更改。常见的ROM芯片有掩模型、可编程型和可改写型。可改写型ROM中，采用紫外线照射技术改写的称为EPROM，采用外加电流技术改写的称为EEPROM。PC中的ROM芯片，存储着操作系统中最基本的内容——ROM BIOS（基本输入/输出系统），它包括：自检程序、系统引导程序、输入/输出驱动程序和128个ASCII字符的点阵显示信息等。

内存储器容量早期从64KB（KB为千字节）、256KB、512KB到640KB，现在PC内存基本在2GB以上。

3）数据存储单位

（1）位（bit，b）。每一位二进制数（0或1）称为一个比特（binary digit）。比特是计算机内部存储、运算、处理数据的最小单位，缩写用b表示。

（2）字节（byte，B）。一个字节由8位二进制数组成，1B=8B。字节是数据存储中最常用的基本单位，缩写用B表示。

（3）字（word）。字是位的组合，用来表示数据或信息的长度单位。其长度取决于机器类型。

（4）字长（word size）。字长就是字的长度，也就是字的二进制位数，一个字由若干字节组成，称为字长，如32位、64位等。字长是各类计算机设计时规定的，它作为存储、传送、处理数据的单位，是衡量计算机性能的重要指标。计算机字长越长，意味着速度更快——相同时间内传送处理信息越多；主存更大——有更大的寻址空间；功能更强——可支持数量更多的指令集。

计算机的存储容量及文件大小通常采用字节（B）作为单位。但字节单位太小，为了方便，还常使用千字节KB（kilobytes）、兆字节MB（megabytes）、吉字节GB（gigabytes）以及TB（terabytes）、PB（patabytes）和EB（exabytes）等单位。

1KB=1024B（210B）1MB=1024KB（220B）1GB=1024MB（230B）

1TB=1024GB（240B）1PB=1024TB（250B）1EB=1024PB（260B）

4.输入设备（input device）

输入设备就是向计算机输入原始数据和处理这些数据所使用的程序的部件。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光驱、话筒等。

5.输出设备（output device）

输出设备是将计算机处理后的结果输出的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、光驱等。