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第四章计算机硬件计算机系统包括许多组成部件，这些部件其中之一就是计算机硬件。硬件这个术语，指的就是计算机设备，它由中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入设备、输出设备和通信设备组成。图3.1计算机系统硬件构成通信设备辅助存储器●磁盘●光盘●磁带输入设备●键盘●计算机鼠标●触摸屏●源数据自动化输出设备●打印机●视频显示终端●绘图仪●音频输出中央处理单元（CPU）主存储器总线第一节中央处理器和主存储器中央处理器（centralprocessingunit，CPU）是计算机系统处理符号、数值和字母的部件，它控制着计算机系统的其他部件。主存储器（primarystorage），临时存储处理过程中的数据和程序指令。一、算术逻辑单元和控制单元算术逻辑单元（arithmetic-logicunit，ALU）处理那些在控制单元控制下从内存中得到的数据。它执行加、减、乘、除，并且决定一个数值是正的还是负的或者是零；它判定一个数量是大于还是小于另一个数量，或者是相等。控制单元（controlunit）协调和控制计算机系统的其他部件。它从计算机系统的内存中提取指令，解释这些指令并通知系统中其他的相应部件执行。图3.2中央处理器和主存储器输入设备输出设备辅助存储器算术逻辑单元22+11=339＜10控制单元中央处理单元（CPU）主存储器T#U184数据总线地址总线控制总线图机器周期的各个步骤解码器指令寄存器地址寄存器存储寄存器累加器中央处理单元7.算术逻辑单元执行所期望的运算6.命令算术逻辑单元执行所期望的运算5.从主存储器把数据送到存储寄存器4.放入地址寄存器3.放入指令寄存器2.指令解码1.取指令8.把结果送到累加器指令周期执行周期二、主存储器主存储器（primarystorage）具有三个功能：（1）它存储正在执行的全部或者部分程序。（2）它存储管理计算机操作的操作系统程序。（3）它存储程序正在使用的数据。数据和程序在处理之前、在处理步骤之间被存放在主存储器中，在处理完成之后，被返回到辅助存储器或者被输出。只读存储器（ROM）主存储器是由半导体构成的。其中一部分内部存储器称为只读存储器（read-onlymemory，ROM），它只能被读出，而不能被写入。其内部保存着计算机制造商输入的一段固定的控制程序，它也可以存放计算机的操作系统。把控制程序存储在ROM中，可以使计算机“读取”执行计算机系统基本操作所需的指令，同时防止用户意外地将控制程序改动或删除。随机存储器（RAM）主存储器的另一部分称为随机存储器（randomaccessmemory，RAM），它被用来临时保存用户正在处理的程序和数据。由于存储在RAM内的数据可以被用户访问和修改，所以RAM也经常被称为读/写（read/write）存储器。RAM是挥发性的，当计算机由于供电中断或者关闭电源，随机存储器的内容会丢失。因为这个原因，RAM又被称为易失性存储器。表3.1计算机存储性能字节（byte）千字节（KB）兆字节（MB）吉字节（GB）太字节（TB）8位的串1000字节*1000000字节1000000000字节1000000000000字节*实际上是1024个存储位置。三、微处理器和处理能力现代的中央处理单元使用的是一种被称为微处理器（microprocessor）的半导体，它把整个中央处理单元所用的所有的存储、逻辑和控制电路都集成在一个单一的芯片上。微处理器的速度和性能决定着计算机的处理能力。微处理器的主要性能指标微处理器的主要性能指标有三个：字长、时钟速度及数据总线宽度。字长是计算机在某一时刻可以处理的位的个数。如一个32位的芯片在一个单一的机器周期内可以处理32个位，即4个字节。时钟速度以兆赫兹（megahertz）（缩写为MHz，代表每秒百万个周期）来度量。数据总线作为中央处理器、主存储器和其他设备的干线，决定了同一时刻可以移动多少数据。图微处理器举例微处理器字长时钟速度数据名称制造商（兆赫兹）总线宽奔腾英特尔3275—20064奔腾Ⅱ英特尔32233—45064奔腾Ⅲ英特尔32800+64PowerPC摩托罗拉32100—40064IBM，苹果阿尔法康柏641000+64（Alpha）2134ADM公司毒龙高级微设备64600—100064（AMDAthlon）四、多处理器和并行处理许多计算机使用多处理器执行它们的处理任务。例如，个人计算机时常使用一个协同处理器（coprocessor）来加快处理速度，协助处理器执行诸如数学计算或者图形处理等特定任务，使中央处理器能够处理其他任务。通过将若干个处理器连接起来对同一任务同时工作也可以加快处理速度。在并行处理（parallelprocessing）中，多个处理器把一个问题分解成若干个小部分，同时对其工作。图3.4串行处理和并行处理程序CPU程序CPU程序CPU任务2CPU任务3CPU任务4CPU任务5结果串行处理任务1结果任务2结果CPU任务1并行处理第二节辅助存储器辅助存储器（secondarystorage）又称为二级存储器，用来保存数据和CPU所访问的程序。辅助存储器是非挥发性的，即使计算机在断电的情况下依然可以保存数据。一、磁盘当今，使用最为广泛的辅助存储介质是磁盘（magneticdisk）。有两种磁盘：软盘（用于个人计算机）和硬盘（用于商用驱动器和个人计算机）。软盘软盘（floppydisk），是一种流行的外部存储设备，它一般用于将数据或程序从一处转移到另一处。软盘的表面被划分为呈同心圆分布的不可见的磁性轨道。每个磁道上包含着许多扇区。磁道和扇区被编号，使计算机可以在磁盘上的特定位置存储数据。一张磁盘上的磁道和扇区的数量主要取决于计算机操作系统进行的格式化（也叫初始化）操作。格式化（formatting）操作可以创建出计算机系统能够读写信息的磁道和扇区。一旦格式化后，高密度的3.5英寸软盘大约可以存储1,440,000字节（1.44Mb）的信息，大致相当于720页用的打字机打出的材料。硬盘硬盘（harddisk）是一种使用速度比软盘更快、信息存储量大得多的外部存储设备。硬盘在计算机系统中是永久在线的。为了数据保护和安全，用户要把硬盘上的内容拷贝到软盘、磁带或CD-ROM上。由于硬盘的容量大大超过软盘，拷贝上的内容会需要很多磁盘并很费时。由于这个原因磁带机成为流行的信息备份设备。可移动硬盘也是一个理想的选择。存在硬盘上的数据属于非易失性数据。二、光盘光盘也被称为压缩盘或者激光光盘，它存储数据的密度要比磁盘大许多倍，而且对于个人计算机和大型计算机都适用。光盘以高密度压缩的形式可以存储巨大量的数据，不仅包括文本，而且还包括图像、声音以及全运动视频。光盘通过让来自于光头的低功率激光束扫描光盘来读取数据。CD—ROM个人计算机最常用的光盘系统叫做只读光盘存储器（compactdiskread-onlymemory，CD—ROM），是一张存储数据可以被快速读取的大容量盘片。一个用于个人计算机的4.75英寸的光盘可以存储多达660MB字节的信息，几乎是高密度软盘的300多倍。当大量的不变化的数据必须被压缩以便于检索或者存储图形图像和声音时，CD—ROM存储器是最合适的。CD—ROM和软盘相比，不容易受到磁、尘埃或者鲁莽的操作的破坏。CD—RM现代技术的发展已允许用户生产可重写光盘（CD—RW），然而在实际应用中，可重写光盘存储设备与磁盘存储器相比并没有竞争优势。它的存取速度要比磁盘慢，而且要比磁性介质贵。可重写光盘主要用于信息只是偶尔更新或者对计算机系统数据进行备份需要大量的数据存储的应用。DVDs数字视频盘（Digitalvidesdisks，DVDS）也被称为数字多用途盘，是和CD—ROM大小一样但是具有更高性能的光盘。它可以容纳最少为4.7G字节的数据，相当于133分钟的电影，其中包括视频、多声道和字幕说明。它的储存容量大约是CD—ROM光盘的7倍，与当前的CD—ROM技术相比，它使多媒体计算机系统具有更广泛的应用。三、磁带磁带（magnetictape）是仍然被用来作为辅助存储设备存储大量信息的一种比较老的技术。它仍然被用于大型计算机的批处理应用和存档数据。但是，越来越多的组织正在从使用老式的卷轮式磁带转向使用大容量的盒式磁带。盒式磁带的存储量要比老式磁带的存储量大得多（高达35G字节）。而且，在今天，这种盒式磁带已经成为存储了数百个这种盒式磁带的自动化系统的部分。第三节输入和输出设备人和计算机系统之间的交互大都是通过输入和输出设备。信息系统的速度不仅仅依赖于中央处理器的速度和性能，而且还依赖于输入和输出设备的速度、性能和设计。输入/输出设备常常被称为外围设备（peripheraldevices）。一、输入设备键盘是向计算机录入文本和数值型数据的主要录入手段。但是在今天高度图形化的计算机环境下，在发出命令和进行选择上，诸如计算机鼠标和触摸屏等指示设备越来越流行。（一）鼠标计算机鼠标（computermouse）的点—击操作方式使它日益成为键盘和基于文本命令的替代方式。通过它用户可以选择命令，移动文本和图标，或进行其他一系列操作。在平坦的表面上移动鼠标，就可以相应地在屏幕上移动一个指针，等同于以前闪烁的光标。指针是一个小小的图像标记，指示用户下一个输入字符出现的位置。鼠标指针的形状通常像一个箭头，但在执行特定任务时可能改变形状。（二）触摸屏触摸屏（touch-screen）使用起来很方便，对那些使用传统键盘有困难的人或对简单输入过程感兴趣的人特别有用。用户可以用手指或者一个指示物来触摸敏感的视频显示器来输入有限量的数据。具有彩色图形，声音和简单的菜单的触摸屏，常常在零售商店、饭馆和商店区的信息厅里使用。（三）源数据自动化源数据自动化（sourcedataautomation）技术以计算机可读形式在产生数据的同一时刻和同一地点来捕捉数据。它的优点之一是人们利用键盘输入数据时产生许多错误的情况几乎不存在了。主要的源数据自动化技术有光符识别、磁墨水字符识别、笔输入、数字扫描仪、声音录入和传感器。光符识别光符识别（opticalcharacterrecognition，OCR）设备把专门设计的标记、符号和编码译成数字形式。使用最为广泛的光码是条形码（barcode），它被用在超级市场和零售商店的销售点系统。条形码还在图书馆、仓库和运输设施中被使用。这些码除了包括唯一的标识数据外，还包括时间、日期和地点等数据。这些信息在物品的生产和其他处理过程中，对分析物品的运动状态和判定这些物品发生的状况很有用。磁墨水字符识别磁墨水字符识别（magneticinkcharacterrecognition，MICR）技术主要用于银行业的支票处理。典型的支票的底端部分包含着标志着该银行检查帐户的字符和专用磁墨水事先印制好的支票号。磁墨水字符识别机把这些字符译成计算机可以识别的数字形式。数字扫描仪扫描仪（digitalscanner）是一种能将页面文本翻译成计算机可读格式的输入设备，用于将文本和图形图像输入到计算机里。它将纸上的图片转换成计算机能够识别的数字化信息。语音输入设备语音输入设备（voiceinputdevices）能对人声发出的指令作出反应。这些系统将语音数据直接转换成适合输入计算机的电子化形式。这方面的研究正在深入，以后用户即使只拥有一个按键式电话、一个听筒、一台显示器，也可以充分地利用计算机系统。传感器传感器（censors）是直接从所处环境收集数据并向计算机系统输入的设备。二、输出设备显示器显示器（monitor）又叫显示屏或简称屏幕，是最常用的输出设备。显示器的类型由计算机系统的种类和个人需求决定。微机系统上大部分显示器可以同时显示文本和图形。许多显示器配备了控制钮，用来调节亮度和对比度，部分部件可以倾斜以获得最佳可视效果。显示器的典型应用是作为高分辨率的彩色显示设备。在使用各种类型的应用软件时，可以设计各种前景和背景的色彩混合效果，并通过高分辨率的色彩产生优质的图像显示。打印机打印机（printer）产生的输出信息是硬