電子計算機的硬件系統(tǒng)和工作原理

吳國發(fā)

（2025年4月9日）

內(nèi)容提要：本文先介紹計算機的基本概念；再介紹計算機的硬件系統(tǒng)及其部件，然后概述計算機的工作原理以及計算機的技術指標。

關鍵詞：電子計算機 微型機 硬件 CPU 控制器 運算器 存儲器

（A）電子計算機的基本概念

通常所說的計算機是由大規(guī)模集成電路組成的電子計算機。

微型計算機簡稱“微型機”、“微機”，也稱為“微電腦”。微型機的硬件以微處理器為基礎。通用微型機的軟件主要是操作系統(tǒng)、辦公套件等。

計算機與美國英特爾(Intel)公司密切相關。

1971年11月，英特爾公司推出了世界上第一個微處理器4004。這是4位字長處理芯片。

微處理器是由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理單元 (Central Processing Unit，CPU）。這些電路執(zhí)行控制器、運算器（算術邏輯部件）和內(nèi)存儲器（又稱主存儲器）的功能。

微型計算機是使用微處理器作為CPU的計算機。微型機屬于第四代計算機。

完整的計算機系統(tǒng)包括兩大部分：硬件(Hardware)和軟件(Software)。沒有安裝任何軟件的微型機稱為裸機。

計算機硬件是構成微型機的所有電子器件、機械設備的總稱。微型機軟件是計算機的程序和相應的數(shù)據(jù)以及文檔的總稱。

微型機除了硬件、軟件以外，還有“固件(Firmware)”。把微型機系統(tǒng)啟動、運行時經(jīng)常被調(diào)用并且不需要改動的程序存儲在只讀存儲器(ROM)中，即把軟件固化在硬件(ROM)中，這就成為固件。

桌面計算機，筆記本電腦，平板電腦，游戲機，嵌入式計算機，以及種類眾多的手持智能設備（包括手機）都屬于計算機的范疇。飛機、汽車、機器人等復雜的智能設備中都有嵌入式計算機。

計算機的大多數(shù)設備都緊密地安裝在一個單獨的機箱中，該機箱稱為主機。也有一些設備可能放置在機箱附近并與之連接，例如顯示器、鍵盤、鼠標，等等。

通用桌面計算機可以分成個人計算機(PC)、網(wǎng)絡服務器(Server)、網(wǎng)絡工作站(Workstation)。

個人計算機(PC)只提供單用戶服務。

如果微型機運行Windows Server（微軟服務器，以前是Windows NT）或Unix操作系統(tǒng)，那么這個PC機就成為服務器（Server）。服務器與若干個工作站就形成一個小型計算機網(wǎng)絡。在計算機網(wǎng)絡中，多個用戶共享服務器上的軟件和其它資源。

大型計算機網(wǎng)絡使用的服務器不是PC機，而是大型計算機或巨型計算機。

與CPU一同工作的數(shù)據(jù)存儲器有兩種：內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器包括只讀存儲器ROM和隨機存取存儲器RAM。

完整的計算機的其它設備有電源和各種輸入/輸出設備。

（B）計算機的硬件系統(tǒng)概述

硬件通常是指構成計算機的設備實體。我們這里介紹微型計算機和小型計算機的硬件系統(tǒng)。

一臺計算機的硬件系統(tǒng)由五個基本部分組成：控制器（CU），運算器（ALU），存儲器（RAM、ROM等），輸入和輸出設備（I/O設備）。計算機存儲器包括主存儲器（內(nèi)存儲器）和輔助存儲器（外存儲器）。

此外，還包括中央處理器（CPU）和系統(tǒng)總線。

計算機的五大基本部分通過系統(tǒng)總線完成指令所傳達的操作。

當計算機在接受指令后，由控制器指揮，先將數(shù)據(jù)從輸入設備傳送到存儲器存放，再由控制器將需要參加運算的數(shù)據(jù)傳送到運算器；由運算器進行處理；處理后的結果由輸出設備輸出。

由控制器、運算器和主存儲器組成中央處理單元(CPU)。CPU電路都集成在芯片內(nèi)。CPU是計算機硬件系統(tǒng)的核心。

國際上使用最廣的微型機芯片是美國英特爾公司的x86架構的芯片。美國AMD公司研制的芯片也具有x86架構。

中國科學院計算技術研究所研制的龍芯已經(jīng)在中國得到很多應用，但是與x86架構芯片不兼容。

計算機輸入/輸出設備與輔助存儲器合稱為計算機外圍設備。

下面是計算機硬件系統(tǒng)組成示意圖：

（C）計算機的基本硬件簡介

（1）中央處理器（CPU）

CPU（Central Processing Unit）意為中央處理單元，又稱中央處理器。微型機的中央處理器又稱為微處理器。

CPU由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通常集中在一塊芯片上，是計算機系統(tǒng)的核心設備。

計算機以CPU為中心。輸入和輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸和處理都通過CPU來控制執(zhí)行。

（2）控制器（CU）

計算機控制器（CU）是對輸入的指令進行分析，并統(tǒng)一控制計算機的各個部件完成特定任務的部件。

控制器由指令寄存器、狀態(tài)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(zhí)行程序。計算機程序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(chǎn)生各種最基本的不可再細分的微操作的命令信號，即微指令，以指揮整個計算機有條不紊地工作。

當計算機執(zhí)行程序時，控制器首先從指令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(chǎn)生控制信號，用以驅(qū)動相應的硬件完成指令操作。簡言之，控制器就是協(xié)調(diào)指揮計算機各部件工作的元件。

（3）運算器（ALU）

運算器又稱算術邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）。運算器的主要任務是執(zhí)行各種算術運算和邏輯運算。

算術運算是指各種數(shù)值運算，比如加、減、乘、除等。

邏輯運算是進行邏輯判斷的非數(shù)值運算，比如與、或、非、比較、移位等。

計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的。根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式，運算器從存儲或寄存器中取得操作數(shù)；進行計算后，送回到指令所指定的寄存器中。運算器的核心部件是加法器和若干個寄存器。加法器用于運算，寄存器用于存儲參加運算的各種數(shù)據(jù)以及運算后的結果。

（4）存儲器

存儲器分為內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）、外存儲器（簡稱外存或輔存）。外存儲器一般也可作為輸入/輸出設備。計算機把要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中。

內(nèi)存一般由半導體器件構成。半導體存儲器可分為三大類：隨機存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM），特殊存儲器。

RAM是隨機存取存儲器（Random Access Memory）。它的特點是可以讀和寫；存取任一單元所需的時間相同。通電時存儲器內(nèi)的內(nèi)容可以保持；斷電后，存儲的內(nèi)容立即消失。

RAM可分為動態(tài)（Dynamic RAM）和靜態(tài)（StaticRAM）兩大類。

動態(tài)隨機存儲器DRAM是用MOS電路和電容作為存儲元件的。由于電容會放電，所以需要定時充電以維持存儲內(nèi)容的正確，因此稱之為動態(tài)存儲器。

所謂靜態(tài)隨機存儲器SRAM是用雙極型電路或MOS電路的觸發(fā)器作為存儲元件的。它沒有電容放電造成的刷新問題。只要有電源正常供電，觸發(fā)器就能穩(wěn)定地存儲數(shù)據(jù)。

DRAM的特點是集成密度高，主要用于大容量存儲器。SRAM的特點是存取速度快，主要用于調(diào)整緩沖存儲器。

ROM是只讀存儲器（Read Only Memory）。它只能讀出原有的內(nèi)容，不能由用戶再寫入新內(nèi)容。原來存儲的內(nèi)容是由生產(chǎn)廠家一次性寫入的，并永久保存下來。

ROM可分為可編程（Programmable）ROM、可擦除可編程（ErasableProgrammable）ROM（EPROM）、電擦除可編程（ElectricallyErasable Programmable）ROM。EPROM存儲的內(nèi)容可以通過紫外光照射來擦除，這使它的內(nèi)容可以反復更改。

特殊固態(tài)存儲器，包括電荷耦合存儲器、磁泡存儲器、電子束存儲器等，它們多用于特殊領域內(nèi)的信息存儲。

下面是計算機存儲器組成示意圖：

（5）輸入輸出設備（I/O設備）

輸入設備是用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們變?yōu)橛嬎銠C能識別的二進制存入到內(nèi)存中。

常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆等。

輸出設備用于將存入在內(nèi)存中的由計算機處理的結果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兡芙邮艿男问捷敵觥?/p>

常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。

（6）總線

計算機系統(tǒng)五大部件之間的互連的方式有兩種

1.分散連接：各部件之間使用單獨的連線。

2.總線連接：將各部件連到一組公共信息傳輸線上。

總線是連接計算機各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質(zhì)。總線具有匯集與分配數(shù)據(jù)信號、選擇發(fā)送信號的部件與接收信號的部件、總線控制權的建立與轉(zhuǎn)移等功能。

典型的微機計算機系統(tǒng)的結構通常多采用單總線結構。

一般按信號類型將總線分為三組：AB（AddressBus）為地址總線，DB（Data Bus）為數(shù)據(jù)總線，CB（ControlBus）控制總線。

總線傳輸特點：某一時刻只能有一路信息在總線上傳輸，即分時使用。

總線上信息的傳輸有下列兩種方式：

串行：每條線可一位一位的傳輸二進制代碼，一串二進制代碼可在一段時間內(nèi)逐一傳輸完成。

并行：若干條傳輸線同時傳輸若干條二進制代碼。

（D）計算機的工作原理概述

計算機的基本工作原理如下：

計算機在運行時，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數(shù)據(jù)進行指定的運算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結果送到內(nèi)存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進行下去。直至遇到停止指令。程序與數(shù)據(jù)一樣存取，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成指令規(guī)定的操作。

計算機基本工作原理最初是由美籍匈牙利數(shù)學家馮.諾依曼于1945年提出來的，故稱為馮.諾依曼原理。

馮諾依曼體系結構計算機的工作原理可以概括為八個字：存儲程序，程序控制。

存儲程序：將解題的步驟編成程序（通常由若干指令組成），并把程序存放在計算機的存儲器中（指主存或內(nèi)存）。

程序控制：從計算機主存中讀出指令并送到計算機的控制器，控制器根據(jù)當前指令，控制全機執(zhí)行指令規(guī)定的操作，完成指令的功能。重復這一操作，直到程序中的指令執(zhí)行完畢。

計算機指令是計算機根據(jù)預定的安排，自動地進行數(shù)據(jù)的快速計算和加工處理的命令。人們預定的安排是通過一連串指令（操作者的命令）來表達的，這個指令序列就稱為計算機程序。一條指令規(guī)定計算機執(zhí)行一個基本操作。一個程序規(guī)定計算機完成一個完整的任務。一種計算機所能識別的一組不同指令的集合，稱為該種計算機的指令集或指令系統(tǒng)。

在微機的指令系統(tǒng)中，主要使用了單地址和二地址指令。其中，第1個字節(jié)是操作碼，規(guī)定計算機要執(zhí)行的基本操作；第2個字節(jié)是操作數(shù)。

計算機指令包括以下類型：數(shù)據(jù)處理指令（加、減、乘、除等），數(shù)據(jù)傳送指令，程序控制指令，狀態(tài)管理指令。

整個內(nèi)存被分成若干個存儲單元，每個存儲單元一般可存放8位二進制數(shù)（字節(jié)編址）。每個在位單元可以存放數(shù)據(jù)或程序代碼。為了能有效地存取該單元內(nèi)存儲的內(nèi)容，每個單元都給出了一個唯一的編號來標識，即地址。

按照馮·諾依曼存儲程序的原理，計算機在執(zhí)行程序時須先將要執(zhí)行的相關程序和數(shù)據(jù)放入內(nèi)存儲器中。在執(zhí)行程序時，CPU根據(jù)當前程序指針寄存器的內(nèi)容取出指令并執(zhí)行指令；然后再取出下一條指令并執(zhí)行；如此循環(huán)下去直到程序結束指令時才停止執(zhí)行。其工作過程就是不斷地取指令和執(zhí)行指令的過程，最后將計算的結果放入指令所指定的存儲器地址中。

（E）計算機的技術指標

1，CPU類型

CPU類型是指微機系統(tǒng)所采用的CPU芯片型號，它決定了微機系統(tǒng)的檔次。如?Intel系列?的?酷睿(Core)，AMD系列?的?銳龍(Ryzen)。

2，字長

字長是指CPU一次最多可同時傳送和處理的二進制位數(shù)。字長直接影響到計算機的功能、用途和應用范圍。如Pentium（奔騰）是64位字長的微處理器，即數(shù)據(jù)位數(shù)是64位，而它的尋址位數(shù)是32位。

3，時鐘頻率

時鐘頻率又稱主頻，它是指CPU內(nèi)部晶振的頻率。它反映了CPU的基本工作節(jié)拍。時鐘頻率的常用單位為兆赫（MHz）。

4，機器周期

一個機器周期由若干個時鐘周期組成。在機器語言中，使用執(zhí)行一條指令所需要的機器周期數(shù)來說明指令執(zhí)行的速度。一般使用CPU類型和時鐘頻率來說明計算機的檔次。如Pentium III 500等。

5，運算速度

運算速度指計算機每秒能執(zhí)行的指令數(shù)。單位有MIPS（每秒百萬條指令）、MFLOPS（每秒百萬條浮點指令）。

6，存取速度

存取速度是指存儲器完成一次讀取或?qū)懘娌僮魉璧臅r間，稱為存儲器的存取時間或訪問時間。

7，存儲周期

連續(xù)兩次讀或?qū)懰枰淖疃虝r間，稱為存儲周期。對于半導體存儲器來說，存取周期大約為幾十到幾百毫秒之間。它的快慢會影響到計算機的速度。

8，存儲器容量

內(nèi)存儲器容量即內(nèi)儲存器能夠存儲信息的字節(jié)數(shù)。

外存儲器是可將程序和數(shù)據(jù)永久保存的存儲介質(zhì)，其容量是無限的，如硬盤。

U盤已是微機系統(tǒng)中不可缺少的外部存儲設備。

9，內(nèi)、外存儲容量的常用單位

①位/比特（bit）：這是內(nèi)存中最小的單位，二進制數(shù)序列中的一個0或一個1就是一比特。在電腦中，一個比特對應著一個晶體管。

②字節(jié)（B，Byte）：是計算機中最常用、最基本的存在單位。一個字節(jié)等于8個比特，即1 Byte = 8 bit。

③千字節(jié)（KB，KiloByte）：電腦的內(nèi)存容量都很大，一般都是以千字節(jié)作單位來表示。1 KB = 1024 Byte。

④兆字節(jié)（MB，MegaByte）：上世紀90年代流行的微機硬盤和內(nèi)存等一般都是以兆字節(jié)（MB）為單位。1MB= 1024KB。

⑤吉字節(jié)（GB，GigaByte）：市場流行的微機的硬盤已經(jīng)達到430GB、640GB、810GB、1TB等規(guī)格。1GB= 1024MB。

⑥太字節(jié)（TB，Terabyte）：1TB=1024GB。最新有了PB這個概念，1PB=1024TB。