计算机硬件知识

1．计算机系统组成

完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成，只有两者相互配合，计算机才能正常工作。计算机硬件系统是计算机工作的物质基础。计算机软件系统包括系统软件和应用软件。

2．计算机硬件系统

计算机硬件系统包括中央处理器、存储器、输入设备（键盘、鼠标等）和输出设备（显示器、打印机等）。从理论上讲，中央处理器（即CPU，包括运算器、控制器）和主存（内存储器）组成主机。

主机是计算机硬件系统中最基本的部分。存储器有内存储器和外存储器之分，内存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）等；外存储器包括软盘存储器（现在基本不用）、硬盘存储器、磁带存储器、光盘存储器、U盘等一系列移动存储设备等。输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、手写笔、摄像头等。输出设备包括显示器、打印机和绘图仪、音响等。

3．信息编码及其运算

（1）ASCII码。

通常，大部分信息是用字符的组合来表示的，在这里，字符可以是字母、数字和其他一些符号。例如，26个英文字母、10个阿拉伯数字、运算符（＋、－、*、／）、关系符码（＞、＜、＝）等都是字符。在计算机中，所有信息都用二进制代码表示，字符在计算机中一般要用若干位二进制代码表示。n位二进制代码能表示2ⁿ个不同的字符。

ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码）码是目前微型计算机中使用最广泛的一种字符编码。ASCII码用7位二进制数来编码（占一个字节），可表示128个字符，最高位为“0”或作奇偶校验用。若将原来的高三位扩展为4位后，00000000—01111111的编码与原来的编码相同，10000000—11111111增加了128个字符，如“α”、“β”、“γ”等。例如，大写字母A的ASCII码值为01000001，即十进制数65，小写字母a的ASCII码值为1100001，即十进制数97。

（2）汉字编码。

在我国，汉字是我们常用的信息符号，国家标准GB2312-80中规定，以ASCII码中的94个字符为基础，由任意两个ASCII码组成一个汉字编码（即一个汉字由两个字节组成），第一个字节称为“区”，第二个字节称为“位”，则国标码最多可表示94×94（共8836）个汉字符号。在国标码中，实际收录各种字符7445个，其中汉字6763个，而其中一级汉字3755个，二级汉字3008个；同时收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个字符。为了避免国标码和ASCII码的两重定义，在计算机内部存储时，将汉字的各个字节的最高位都置为1，这时的汉字编码称为机内码。

（3）机内代码及其运算。

在计算机中，参加运算的数有正与负之分，数的符号也是用二进制来表示的。用二进制表示带符号的数称为机器码。通常规定，带符号数使用最高二进制位作为符号位，常用的机器码有原码、反码、补码。

（4）原码。

求原码的简单方法：设X，若为正数，则符号位为0，X的其余各位取值不变；若X为负数，则符号位为1，X的其余各位取值不变。例如：

如果X＝＋1110001则［X］_原＝01110001

如果X＝－1110001则［X］_原＝11110001

（5）反码。

求反码的简单方法：设X，若为正数，则符号位为0，X的其余各位取值不变；若X为负数，则符号位为1，X的其余各位取值求反。例如：

如果X＝＋1110001则［X］_反＝01110001

如果X＝－1110001则［X］_反＝10001110

（6）补码。

求补码的简单方法：设X，若为正数，则符号位为0，X的其余各位取值不变；若X为负数，则符号位为1，X的其余各位取值求反，且最低位加1。例如：

如果X＝＋1110001则［X］_补＝01110001

如果X＝－1110001则［X］_补＝10001111

（7）补码加、减运算。

在计算机中，实际上只有加法运算，减法运算要转换成加法运算进行；同样，乘法运算也转换成加法运算进行，除法运算转换成减法运算。

在计算机内部，对任意一个带有符号的二进制数来说，都是按其补码的形式来进行存储和处理的，所以在计算机中的运算用补码进行加减运算。在用补码进行加减运算时，连同符号位一起参加运算。

（8）补码加法运算。

公式［X＋Y］_补＝［X］_补＋［Y］_补。

例如：已知X＝＋0110011，Y＝－0101001，求［X＋Y］_补。

求解过程如下：［X］_补＝00110011，［Y］_补＝11010111

［X＋Y］_补＝［X］_补＋［Y］_补＝00110011＋11010111＝00001010。

因为计算机中运算器的位长是固定的，上述运算中最高位产生的进位被丢掉，所以运算结果不是100001010，而是00001010。

（9）补码减法运算。

公式［X－Y］_补＝［X］_补－［Y］_补＝［X］_补＋［－Y］_补，公式中的［－Y］_补称为负补。做补码减运算之前，应该先求出减数的负补。求负补的方法是：对补码（包括符号位）的每一位求反，且最低位加1。例如：已知X＝＋1001101，Y＝＋0111001，求［X－Y］_补。求解过程如下：

［X］_补＝01001101，［Y］_补＝00111001，［－Y］_补＝11000111

［X－Y］_补＝［X］_补＋［－Y］_补＝01001101＋11000111＝00010100

（10）计算机中数值存放形式。

数值在计算机中的存储形式主要有：位（bit）、字节（Byte）、字（Word）、双字（Dword）、四字（Qword）、字符串（String）。

位由单一的一位二进制数所构成。位是数的最小表示形式，每一位代表一种状态，而这种状态只能是0或1。字节由8位连续的二进制位组成。字节是存储单元的最基本单位。字由两个连续字节组成，即字由16个二进制位所组成。另外，在特定计算机中，字是其用来一次性处理事务的一个固定长度的位组。一个字的位数（即字长）是计算机系统结构中的一个重要特性。双字由两个连续存放的相邻的字组成。四字由四个连续存放的相邻的字组成。字符串又称串，它是用单引号引起来的能表示多个字节数据的完整数据。

数值单位称谓及其换算方式如下：1Byte＝8bit，1KB＝2¹⁰B＝1024B，1MB＝2¹⁰KB＝1024KB，1GB＝2¹⁰MB＝1024MB，1TB＝2¹⁰GB＝1024GB。

（11）定点数和浮点数。

定点数是指数据中小数点的位置固定不变。小数点定点位置有两种：①小数点固定在最低位右边，这种定点数称为整数；②小数点固定在符号位与有效位之间，即S.XXXXXXX形式。由于受字长表示范围的限制，定点数所能表示的范围有限，在计算过程中容易出现计算结果超出字长表示范围的情况，即溢出。

浮点数表示一个数的形式（设基数为2）可以写成N＝M×2^E。其中M代表尾数，E代表阶码。计算机中浮点数只能用尾数M和阶码E表示，其形式如图2.1所示。

图2.1　浮点数表示

浮点数的精度由尾数的位数决定，数的表示范围由阶码的位数决定。为了最大限度地使用计算机的精度，充分利用尾数表示有效数据，浮点数采用规格化形式。规格化形式对尾数提出的限制是1/2≤∣M∣＜1。例如：设X＝2³×0.0110，用规格化浮点数形式表示如下。

①用浮点数表示：用补码、浮点数形式表示阶码X_j＝011，尾数为X_s＝0.0110。此时X尾数中小数点后第一位的真值是“0”而不是1，所以该数不是一个规范化的数，需要进行规格化处理。

②做规格化处理：进行规格化处理时，先把尾数左移一位，尾数X_s＝0.1100，再把阶码减1，X_j＝010。这时尾数1/2＜∣X_s∣＝0.1100＜1，所以该数是一个规格化数。

4．数据校验方法

计算机系统运行时，在各个部件之间经常需要进行数据交换，为了保证数据在传送过程中的正确无误，不仅需要设计高可靠的硬件电路，同时还必须引入差错检查机制，对数据信息进行校验以检测是否有数据传送错误。

常用的校验码有奇偶校验码、海明码和循环冗余码（CRC）。

5．中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）负责完成大部分的信息处理操作，是计算机的核心部件，是执行各种运算的中心，是控制调度全机工作的中心。CPU一般认为由运算器和控制器组成。运算器完成指令所规定的运算和操作；控制器控制运算器和寄存器组正确地完成某一操作。其实，寄存器组也是CPU的重要组成部分，它用于在指令执行过程中存放操作数和中间数据，而且存取速度远远大于内存和外存。

CPU的功能包括：读取指令、解释指令、读取数据、处理数据、保存数据。

计算机的运行速度主要取决于CPU和内存的性能，常采用每秒钟执行的百万条指令数MIPS（Million of Instruction Per Second）来衡量。

6．存储器系统

计算机的存储器系统是由分布在计算机各个不同部件的多种存储设备组成的。

寄存器（Register）位于CPU内部。主存储器（Main-memory）又称内部存储器，可以被处理器直接存取的存储器。辅助存储器（Auxiliary Memory）又称外部存储器，处理器需要通过输入／输出系统与之交换数据。

除了正在执行的程序和处理的数据存放在主存储器外，其他所有的信息都保存在辅助存储器中，当需要时再从辅助存储器中调入主存。

存储器的地址位数N决定了其可寻址的存储单元的个数M＝2^N，例如，某计算机使用了32位地址信号，其寻址空间为M＝2³²＝4GB。

（1）主存储器的分类。

①随机存储器（Random Access Memory，RAM）是构成内存的主要部分，它可以根据需要随时读出或写入内容。随机存储器内容是以某种电触发器的状态存储的，断电后信息无法保存，因此只能用于暂存数据。我们常说的内存就是RAM。

②只读存储器（Read Only Memory，ROM）内容只能读出不能写入。其特点是数据不易丢失，即使计算机断电后ROM存储单元的内容依然保存。只读存储器一般用于存储计算机系统中固定的程序和数据，如引导程序、监控程序等，计算机主板上有一些出厂信息就是以ROM的方式存在的如BIOS基本的输入输出模块就存放在ROM中。

（2）辅助存储器的分类。

①磁带存储器：现在常见的数码摄像机的存储设备就是磁带，存储信息量很大，但是如果需要存取数据，则必须将磁带转到相应的位置才可以操作。

②磁盘存储器：包括软盘和硬盘，软盘的大小有1.2MB和1.44MB两种，随着USB闪存盘（USB Flash Disk，U盘）的广泛使用，软盘已慢慢淡出历史舞台。硬盘是普通计算机必配的磁盘，存取速度是辅助存储器中最快的，容量很大，从最初的10MB、20MB，已经发展到250GB、500GB，甚至1TB以上了。

③光盘存储器：分为只读型光盘（Compact Disk Read-Only Memory，CD-ROM）和可擦写光盘（Erasable Optical Disk，EOD），除了容量在650MB左右的CD光盘，还有容量在4.7GB～17GB的DVD（Digital Video Disc）光盘、EVD（Enhanced Versatile Disk）光盘。

（3）高速缓冲存储器（Cache）。

高速缓冲存储器（高速缓存）是处于CPU和内存之间的一种存储器、它的速度比内存快，主要是为解决CPU速度快而内存速度相对较慢这一问题而采取的一种措施，可使CPU的处理速度加快。

（4）U盘。

U盘是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与计算机连接，实现即插即用。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而改称谐音的“U盘”。后来U盘这个称呼因其简单易记而广为人知，现在这两者已经通用。

（5）各种存储器存取速度比较。

寄存器＞高速缓存＞内存＞硬盘＞U盘＞光盘＞其他辅助存储器。

7．输入／输出系统（Input/Output系统，I/O系统）

（1）输入设备。

①键盘。键盘的物理结构有三种：机械式、电容式、薄膜式。

②鼠标。按构造和工作原理鼠标可分为机械式和光电式。按鼠标和主机之间电缆连接器的种类可分为串行口鼠标、PS/2鼠标、USB鼠标、无线鼠标。

③光笔输入，手写笔输入。

④图像输入设备：摄像头、摄像机、扫描仪。

⑤语音输入设备：麦克风话筒。

⑥光学字符识别。光学字符识别是通过扫描输入字符的图像，并识别出其代表的字符。印刷体字相对规范因而识别率较高，相比之下手写体的识别就较困难了。

⑦条形码输入。条形码已经在各行各业得到了广泛应用，其工作原理是用粗细不同的明暗条纹来表示数码等各种信号，利用光电效应，把这些条纹分别转换成不同的电信号，经过译码即可知道其对应的符号。

（2）输出设备。

①音频信号输出：音响、耳机等。

②绘图仪，是能按照人们要求自动绘制图形的设备。它可将计算机的输出信息以图形的形式输出，主要可绘制各种管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图与计算机辅助设计图等。最常用的是X-Y绘图仪。

③显示器。显示器按照使用的器件可以分为阴极射线管显示器（CRT）和液晶显示器。显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描两种，采用逐行扫描的图像稳定，人眼不易疲劳。分辨率和灰度是显示器的两个重要技术指标。

④打印机，分为针式打印机、激光打印机和喷墨打印机。针式打印机利用打印钢针在色带上击打，将色点落在纸上形成字符或图形。激光打印机利用电子成像转印技术进行打印，主要原料为墨粉。喷墨打印机通过打印头上的喷墨孔喷绘出字符或图形，主要原料是油墨，装油墨的盒子称为墨盒。

（3）输入输出接口。

显示卡常见接口：视频图形适配器（Video Graphics Adapter，VGA）、数字视频接口（Digital Visual Interface，DVI）、高清晰度多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）。

磁盘设备常见接口有电子集成驱动器（Integrated Drive Electronics，IDE）、串行高级技术附件（Serial Advanced Technology Attachment，SATA）、小型计算机系统接口（Small Computer System Interface，SCSI）和光纤通道四种。IDE接口硬盘多用于家用产品中，部分应用于服务器，SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只在高端服务器上，价格昂贵。SATA是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，主要应用于家用市场。

8．总线结构

计算机中有许多部件，计算机工作时各部件之间需要经常进行数据交换、地址传送、控制信号和状态信号的发送。这些信息的传递需要信息传递的通路，总线就是这条通路。

典型的计算机总线结构由内部总线和外部总线组成。内部总线用于连接CPU内部各个模块；外部总线则用于连接CPU、存储器和I/O系统，外部总线又称为系统总线。

系统总线分成三类：数据总线（Data Bus，DB）、地址总线（Address Bus，AB）和控制总线（Control Bus，CB）

计算机的最大存储量根据地址总线的根数可以得出。例如地址总线为32根，每根线传送的地址信号有两种情况，所以有2³²个存储单元，最大存储量为4G。

9．指令系统

指令是一组由“0”和“1”组成的二进制代码串，CPU所完成的操作是由其执行的指令来决定的，这些指令被称为机器指令。CPU所能执行的所有机器指令的集合称为该CPU的指令系统（又称指令集）。不同类型的计算机的指令系统不同。计算机程序是一系列指令的有序集合，通过在计算机上运行程序可以完成一个任务。

通常，机器指令由操作码部分和操作数（或地址）部分组成。操作码指该指令所要执行的操作（如加法运算或分支跳转等）；操作数部分是指指令执行操作时所需要的操作数。这一部分存放的数可以是操作数本身，也可以是操作数地址或操作数地址的计算方法。

根据指令的功能，可将指令分成若干类。一般计算机包括如下几类指令。

（1）数据传送类：执行取数、存数、传送等操作的指令类。

（2）算术运算类：执行加、减、乘、除等算术运算的指令类。

（3）逻辑类：执行与、或、非、移位、比较等逻辑运算的指令类。

（4）数据变换类：用于对操作数的格式进行变换。

（5）控制权转移类：修改程序计数器的值，从而改变程序流的执行方向。

（6）系统控制类；分配和管理系统资源。

（7）I/O（输入／输出类）：执行内存和外部设备之间传输信息操作的指令类。

10．计算机体系结构

计算机的指令系统规定了程序员进行程序设计的基本指令或者机器指令。指令系统的复杂性取决于所使用的指令格式、数据格式、寻址格式、通用寄存器、操作码规格以及流控制机制。根据以往设计处理器的经验，已经形成了两种有关指令系统结构的思想流派，即CISC和RISC。

CISC是复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer）的简称，微处理器是台式计算机系统的基本处理部件，每个微处理器的核心是运行指令的电路。指令由完成任务的多个步骤所组成，把数值传送进寄存器或进行相加运算。

RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于20世纪80年代的MIPS主机。RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢，相反，指令集越小就越简单，也就会越快。因此RISC能够以更快的速度执行操作。