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計算機硬體是由若干相互區別、相互聯繫和相互作用的要素組成的有機整體。包括硬體系統和軟體系統兩大部分,計算機執行程序,二者協同工作,缺一不可。計算機硬體系統還是依照馮•諾依曼所設計的體系結構,即由運算器,控制器,存儲器,輸入設備,輸出設備5大部件組成。其中,運算器和控制器組成中央處理器(CPU)。運算器負責完成算術,邏輯運算功能,通常由ALU(算術/邏輯單元),寄存器,多路轉換器,數據匯流排組成;控制器則負責依次訪問程序指令,進行指令解碼,並協調其他設備,通常有程序計數器(PC),指令寄存器,指令解碼器,狀態/條件寄存器,時序發生器,微操作信號發生器組成。

1 計算機硬體 -概述

計算機硬體計算機硬體

計算機硬體是計算機系統中各種設備的總稱。計算機硬體應包括5個基本部分,即運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備,上述各基本部件的功能各異。運算器應能進行加、減、乘、除等基本運算。存儲器不僅能存放數據,而且也能存放指令,計算機應能區分是數據還是指令。控制器應能自動執行指令。操作人員可以通過輸人、輸出設備與主機進行通信。計算機內部採用二進位來表示指令和數據。操作人員將編好的程序和原始數據送人主存儲器中,然後啟動計算機工作,計算機應在不需干預的情況下啟動完成逐條取出指令和執行指令的任務。

計算機是自動化的信息處理裝置,它採用了「存儲程序」工作原理。這一原理是1946年由美籍匈牙利數學家馮•諾伊曼提出的,其主要思想如下:

計算機硬體基本組成

(1)計算機硬體由五個基本部分組成:運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。
(2)採用二進位。
(3)存儲程序的思想,即程序和數據一樣,存放在存儲器中。

計算機硬體計算機硬體

這一原理確定了計算機的基本組成和工作方式,如右圖所示。
圖中實線為程序和數據,虛線為控制命令。計算步驟的程序和計算中需要的原始數據,在控制命令的作用下通過輸入設備送入計算機的存儲器。當計算開始的時候,在取指令的作用下把程序指令逐條送入控制器。控制器向存儲器和運算器發出取數命令和運算命令,運算器進行計算,然後控制器發出存數命令,計算結果存放回存儲器,最後在輸出命令的作用下通過輸出設備輸出結果。

硬體就是泛指的實際的物理設備,主要包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分。而只有硬體的裸機是無法運行的,還需要軟體的支持。所謂軟體,是指為解決問題的而編製的程序及其文檔。計算機軟體包括計算機本身運行所需要的系統軟體和用戶完成任務所需要的應用軟體。計算機是依靠硬體系統和軟體系統的協同工作來執行給定任務的。

在計算機系統中,硬體是物質基礎,軟體是指揮樞紐、靈魂,軟體發揮如何管理和使用計算機的作用。軟體的功能與質量在很大程度上決定了整個計算機的性能。故軟體和硬體一樣,是計算機工作必不可少的組成部分。

2 計算機硬體 -中央處理器

計算機硬體中央處理器

中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU),由運算器和控制器組成,是任何計算機系統中必備的核心部件。CPU由運算器和控制器組成,分別由運算電路和控制電路實現。

運算器是對數據進行加工處理的部件,它在控制器的作用下與內存交換數據,負責進行各類基本的算術運算、邏輯運算和其他操作。在運算器中含有暫時存放數據或結果的寄存器。運算器由算術邏輯單元(ArithmeticLogicUnit,ALU)、累加器、狀態寄存器和通用寄存器等組成。ALU是用於完成加、減、乘、除等算術運算,與、或、非等邏輯運算以及移位、求補等操作的部件。

控制器是整個計算機系統的指揮中心,負責對指令進行分析,並根據指令的要求,有序地、有目的地向各個部件發出控制信號,使計算機的各部件協調一致地工作。控制器由指令指針寄存器、指令寄存器、控制邏輯電路和時鐘控制電路等組成。

寄存器也是CPU的一個重要組成部分,是CPU內部的臨時存儲單元。寄存器既可以存放數據和地址,又可以存放控制信息或CPU工作的狀態信息。

計算機硬體CPU反面

并行處理通常把具有多個CPU同時去執行程序的計算機系統稱為多處理機系統。依靠多個CPU同時并行地運行程序是實現超高速計算的一個重要方向。

CPU品質的高低,直接決定了一個計算機系統的檔次。反映CPU品質的最重要指標是主頻和數據傳送的位數。主頻說明了CPU的工作速度,主頻越高,CPU的運算速度越快。現在常用的CPU主頻有1.5GHz、2.0GHz、2.4GHz等。

CPU傳送數據的位數是指計算機在同一時間能同時并行傳送的二進位信息位數。常說的16位機、32位機和64位機,是指該計算機中的CPU可以同時處理16位、32位和64位的二進位數據。286機是16位機,386機是32位機,486機是32位機,Pentium機是64位機。隨著型號的不斷更新,微機的性能也不斷提高。

3 計算機硬體 -存儲器

計算機硬體硬碟

計算機系統的一個重要特徵是具有極強的「記憶」能力,能夠把大量計算機程序和數據存儲起來。存儲器是計算機系統內最主要的記憶裝置,既能接收計算機內的信息(數據和程序),又能保存信息,還可以根據命令讀取已保存的信息。存儲器按功能可分為主存儲器(簡稱主存)和輔助存儲器(簡稱輔存)。主存是相對存取速度快而容量小的一類存儲器,輔存則是相對存取速度慢而容量很大的一類存儲器。

主存儲器,也稱為內存儲器(簡稱內存),內存直接與CPU相連接,是計算機中主要的工作存儲器,當前運行的程序與數據存放在內存中。現代的內存儲器多半是半導體存儲器,採用大規模集成電路或超大規模集成電路器件。內存儲器按其工作方式的不同,可以分為隨機存取存儲器(簡稱隨機存儲器或RAM)和只讀存儲器(簡稱ROM)。

計算機硬體軟盤

隨機存儲器。隨機存儲器允許隨機的按任意指定地址向內存單元存入或從該單元取出信息,對任一地址的存取時間都是相同的。由於信息是通過電信號寫入存儲器的,所以斷電時RAM中的信息就會消失。計算機工作時使用的程序和數據等都存儲在RAM中,如果對程序或數據進行了修改之後,應該將它存儲到外存儲器中,否則關機后信息將丟失。通常所說的內存大小就是指RAM的大小,一般以KB或MB為單位。

只讀存儲器。只讀存儲器是只能讀出而不能隨意寫入信息的存儲器。ROM中的內容是由廠家製造時用特殊方法寫入的,或者要利用特殊的寫入器才能寫入。當計算機斷電后,ROM中的信息不會丟失。當計算機重新被加電后,其中的信息保持原來的不變,仍可被讀出。ROM適宜存放計算機啟動的引導程序、啟動后的檢測程序、系統最基本的輸入輸出程序、時鐘控制程序以及計算機的系統配置和磁碟參數等重要信息。

輔助存儲器也稱為外存儲器(簡稱外存),計算機執行程序和加工處理數據時,外存中的信息按信息塊或信息組先送入內存后才能使用,即計算機通過外存與內存不斷交換數據的方式使用外存中的信息。
PC常用的外存是軟磁碟(簡稱軟盤)和硬磁碟(簡稱硬碟),目前,光碟的使用也越來越普及。下面介紹常用的三種外存。

計算機硬體光碟

軟盤。計算機常用的軟盤按尺寸劃分有5.25英寸盤(簡稱5寸盤)和3.5英寸盤(簡稱3寸盤)。二者之間的主要區別是:3.5英寸盤的尺寸比5.25英寸盤小,由硬塑料製成,不易彎曲和損壞;3.5英寸盤的邊緣有一個可移動的金屬滑片,對碟片起保護作用,讀寫槽位於金屬滑片下,平時被蓋住:3.5英寸盤無索引孔;3.5英寸盤的防寫裝置是盤角上的一個正方形的孔和一個滑塊,當滑塊封住小孔時,可以對碟片進行讀寫操作,當小孔打開時,則處於防寫狀態。軟盤記錄信息的格式是:將碟片分成許多同心圓,稱為磁軌,磁軌由外向內順序編號,信息記錄在磁軌上。另外,從同心圓放射出來的若干條線將每條磁軌分割成若干個扇區,順序編號。這樣,就可以通過磁軌號和扇區號查找到信息在軟盤上存儲的位置,一個完整的軟盤存儲系統是由軟盤、軟盤驅動器和軟碟機適配卡組成。軟盤只能存儲數據,如果要對它進行讀出或寫入數據的操作,還必須有軟盤驅動器。軟盤驅動器位於主機箱內,由磁頭和驅動裝置兩部分組成。磁頭用來定位磁軌,驅動裝置的作用是使磁碟高速旋轉,以便對磁碟進行讀寫操作。軟碟機適配卡是連接軟盤驅動器與主板的專用介面板,通過34芯扁平電纜與軟盤驅動器連接。

硬碟。從數據存儲原理和存儲格式上看,硬碟與軟盤完全相同。但硬碟的磁性材料是塗在金屬、陶瓷或玻璃製成的硬碟基片上,而軟盤的基片是塑料的。硬碟相對軟盤來說,主要是存儲空間比較大,現在的硬碟容量已在40GB以上。硬碟大多由多個碟片組成,此時,除了每個碟片要分為若干個磁軌和扇區以外,多個碟片表面的相應磁軌將在空間上形成多個同心圓柱面。

計算機硬體 內存

通常情況下,硬碟安裝在計算機的主機箱中,但現在已出現一種移動硬碟。這種移動硬碟通過USB介面和計算機連接,方便用戶攜帶大容量的數據。

光碟。隨著多媒體技術的推廣,光碟以其容量大、壽命長、成本低的特點,很快受到人們的歡迎,普及相當迅速。與磁碟相比,光碟的讀寫是通過光碟驅動器中的光學頭用激光束來讀寫的。目前,用於計算機系統的光碟有三類:只讀光碟(CD-ROM)、一次寫入光碟(CD-R)和可擦寫光碟(CD-RW)。

一個存儲器中所包含的位元組數稱為該存儲器的容量,簡稱存儲容量。存儲容量通常用KB、MB或GB表示,其中B是位元組(Byte),並且1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB。例如,640KB就表示640×1024=655360個位元組。

4 計算機硬體 -輸入設備

計算機硬體滑鼠

現代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、聲音等都可以通過不同類型的輸入設備輸入到計算機中,進行存儲、處理和輸出。計算機的輸入設備按功能可分為下列幾類:

(1)字元輸入設備:鍵盤;
(2)光學閱讀設備:光學標記閱讀機,光學字元閱讀機;
(3)圖形輸入設備:滑鼠器、操縱桿、光筆;
(4)圖像輸入設備:攝像機、掃描儀、傳真機;
(5)模擬輸入設備:語言模數轉換識別系統。

下面介紹目前最常用的兩種輸入設備即鍵盤和滑鼠器,並簡要說明其他輸入設備的功能。

(1)鍵盤

鍵盤(Keyboard)是常用的輸入設備,它是由一組開關矩陣組成,包括數字鍵、字母鍵、符號鍵、功能鍵及控制鍵等。每一個按鍵在計算機中都有它的惟一代碼。當按下某個鍵時,鍵盤介面將該鍵的二進位代碼送入計算機主機中,並將按鍵字元顯示在顯示器上。當快速大量輸入字元,主機來不及處理時,先將這些字元的代碼送往內存的鍵盤緩衝區,然後再從該緩衝區中取出進行分析處理。鍵盤介面電路多採用單片微處理器,由它控制整個鍵盤的工作,如上電時對鍵盤的自檢、鍵盤掃描、按鍵代碼的產生、發送及與主機的通訊等。

計算機硬體鍵盤

(2)滑鼠器

滑鼠器(Mouse)是一種手持式屏幕坐標定位設備,它是適應菜單操作的軟體和圖形處理環境而出現的一種輸入設備,特別是在現今流行的Windows圖形操作系統環境下應用滑鼠器方便快捷。常用的滑鼠器有兩種,一種是機械式的,另一種是光電式的。

機械式滑鼠器的底座上裝有一個可以滾動的金屬球,當滑鼠器在桌面上移動時,金屬球與桌面摩擦,發生轉動。金屬球與四個方向的電位器接觸,可測量出上下左右四個方向的位移量,用以控制屏幕上游標的移動。游標和滑鼠器的移動方向是一致的,而且移動的距離成比例。

光電式滑鼠器的底部裝有兩個平行放置的小光源。這種滑鼠器在反射板上移動,光源發出的光經反射板反射后,由滑鼠器接收,並轉換為電移動信號送入計算機,使屏幕的游標隨之移動。其他方面與機械式滑鼠器一樣。
滑鼠器上有兩個鍵的,也有三個鍵的。最左邊的鍵是拾取鍵,最右邊的鍵為消除鍵,中間的鍵是菜單的選擇鍵。由於滑鼠器所配的軟體系統不同,對上述三個鍵的定義有所不同。一般情況下,滑鼠器左鍵可在屏幕上確定某一位置,該位置在字元輸入狀態下是當前輸入字元的顯示點;在圖形狀態下是繪圖的參考點。在菜單選擇中,左鍵(拾取鍵)可選擇菜單項,也可以選擇繪圖工具和命令。當作出選擇后系統會自動執行所選擇的命令。滑鼠器能夠移動游標,選擇各種操作和命令,並可方便地對圖形進行編輯和修改,但卻不能輸入字元和數字。

計算機硬體手寫筆

(3)其他輸入設備

以上對常用的鍵盤和滑鼠作了介紹,下面簡要說明另外幾種輸入設備的功能和基本工作原理。

光學標記閱讀機是一種用光電原理讀取紙上標記的輸入設備,常用的有條碼讀入器和計算機自動評卷記分的輸入設備等。

圖形(圖像)掃描儀是利用光電掃描將圖形(圖像)轉換成像素數據輸入到計算機中的輸入設備。目前一些部門已開始把圖像輸入用於圖像資料庫的建設中。如人事檔案中的照片輸入,公安系統案件資料管理,數字化圖書館的建設,工程設計和管理部門的工程圖管理系統,都使用了各種類型的圖形(圖像)掃描儀。

正在研究使計算機具有人的「聽覺」和「視覺」,即讓計算機能聽懂人說的話,看懂人寫的字,從而能以人們接收信息的方式接收信息。為此,人們開闢了新的研究方向,其中包括模式識別、人工智慧、信號與圖像處理等,並在這些研究方向的基礎上產生了語言識別、文字識別、自然語言理解與機器視覺等研究方向。語言和文字輸入技術的實質是使計算機從語言的聲波及文字的形狀領會到所聽到的聲音或見到的文字的含義,即對聲波與文字的識別。

5 計算機硬體 -輸出設備

計算機硬體顯示器

輸出設備(OutputDevice)是人與計算機交互的一種部件,用於數據的輸出。它把各種計算結果數據或信息以數字、字元、圖像、聲音等形式表示出來。常見的有顯示器、印表機、繪圖儀、影像輸出系統、語音輸出系統、磁記錄設備等。

(1)顯示器

顯示器(Display)是計算機必備的輸出設備,常用的有陰極射線管顯示器、液晶顯示器和等離子顯示器。陰極射線管顯示器(簡稱CRT)由於其製造工藝成熟,性能價格比高,至今佔據顯示器市場的主導地位。隨著液晶顯示器(簡稱LCD)技術的逐步成熟,開始在市場上嶄露頭角。

陰極射線管顯示器可分為字元顯示器和圖形顯示器。字元顯示器只能顯示字元,不能顯示圖形,一般只有兩種顏色。圖形顯示器不僅可以顯示字元,而且可以顯示圖形和圖像。圖形是指工程圖,即由點、線、面、體組成的圖形;圖像是指景物圖。不論圖形還是圖像在顯示器上都是由像素(光點)所組成。顯示器屏幕上的光點是由陰極電子槍發射的電子束打擊熒光粉薄膜而產生的。彩色顯示器的顯像管的屏幕內側是由紅、綠、藍三色磷光點構成的小三角形(像素)發光薄膜。由於接收的電子束強弱不同,像素的三原色發光強弱就不同,就可以產生一個不同亮度和顏色的像素。當電子束從左向右、從上而下地逐行掃描熒光屏,每掃描一遍,就顯示一屏,稱為刷新一次,只要兩次刷新的時間間隔少於0.01s,則人眼在屏幕上看到的就是一個穩定的畫面。

計算機硬體印表機

顯示器是通過「顯示介面」及匯流排與主機連接,待顯示的信息(字元或圖形圖像)是從顯示緩衝存儲器(一般為內存的一個存儲區,佔16kB)送入顯示器介面的,經顯示器介面的轉換,形成控制電子束位置和強弱的信號。受控的電子束就會在熒光屏上描繪出能夠區分出顏色不同、明暗層次的畫面。顯示器的兩個重要技術指標是:屏幕上光點的多少,即像素的多少,稱為解析度;光點亮度的深淺變化層次,即灰度,可以用顏色來表示。解析度和灰度的級別是衡量圖像質量的標準。

常用的顯示介面卡有多種,如CGA卡、VGA卡、MGA卡等。以VGA(VideoGraphicsArray)視頻圖形顯示介面卡為例,標準VGA顯示卡的解析度為640×480,灰度是16種顏色;增強型VGA顯示卡的解析度是800×600、960×720,灰度可為256種顏色。所有的顯示介面卡只有配上相應的顯示器和顯示軟體,才能發揮它們的最高性能。

計算機硬體印表機

(2)印表機

印表機(Printer)是計算機最基本的輸出設備之一。它將計算機的處理結果列印在紙上。印表機按印字方式可分為擊打式和非擊打式兩類。擊打式印表機是利用機械動作,將字體通過色帶列印在紙上,根據印出字體的方式又可分為活字式印表機和點陣式印表機。

活字式印表機是把每一個字刻在打字機構上,可以是球形、菊花瓣形、鼓輪形等各種形狀。點陣式印表機(dotmatrixprinter)是利用列印鋼針按字元的點陣列印出字元。每一個字元可由m行×n列的點陣組成。一般字元由7×8點陣組成,漢字由24×24點陣組成。點陣式印表機常用列印頭的針數來命名,如9針印表機、24針印表機等。

計算機硬體繪圖儀

非擊打式印表機是用各種物理或化學的方法印刷字元的,如靜電感應,電灼、熱敏效應,激光掃描和噴墨等。其中激光印表機(LaserPrinter)和噴墨式印表機(InkjetPrinter)是目前最流行的兩種印表機,它們都是以點陣的形式組成字元和各種圖形。激光印表機接收來自CPU的信息,然後進行激光掃描,將要輸出的信息在磁鼓上形成靜電潛像,並轉換成磁信號,使碳粉吸附到紙上,加熱定影后輸出。噴墨式印表機是將墨水通過精製的噴頭噴到紙面上形成字元和圖形的。

自動繪圖機

是直接由電子計算機或數字信號控制,用以自動輸出各種圖形、圖像和字元的繪圖設備。可採用聯機或離線的工作方式。是計算機輔助製圖和計算機輔助設計中廣泛使用的一種外圍設備。常見的按繪圖方式分為跟蹤式繪圖機(如筆式繪圖機)和掃描式繪圖機(如靜電掃描繪圖機、激光掃描繪圖機、噴墨式掃描繪圖機)等。按機械結構分為滾筒式(鼓式)繪圖機和平台式繪圖機兩大類。數控繪圖機的傳動方式有鋼絲或鋼帶傳動;有滾珠絲杠或齒輪齒條傳動;有電機傳動,如採用開環控制方式的直線步進電機和採用閉環控制的伺服電機等。

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