硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)中的物理設(shè)備實(shí)體

/硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)中的物理設(shè)備實(shí)體，如計(jì)算機(jī)的中央處理器（又稱CPU,由運(yùn)算器和控制器組成）、內(nèi)外儲(chǔ)存器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等。軟件是指計(jì)算機(jī)所使用的各種程序的集合及有關(guān)的文檔資料，這些程序是計(jì)算機(jī)語言編制的，它包括計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行所需的系統(tǒng)軟件和用戶為解決某應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H問題所需的應(yīng)用軟件。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)于軟件和硬件的功能沒有一個(gè)明確的分界線。軟件實(shí)現(xiàn)的功能可以用硬件來實(shí)現(xiàn)，稱為硬化或固化。例如，微機(jī)的只讀存儲(chǔ)器ROM芯片中就固化了系統(tǒng)的引導(dǎo)程序。同樣，硬件實(shí)現(xiàn)的功能可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，稱為硬件軟化。例如，在多媒體計(jì)算機(jī)中，視頻卡用于對(duì)視頻信息進(jìn)行處理(包括獲取、編碼、壓縮、存儲(chǔ)、解壓縮和回放等)，而現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)都是通過軟件（如播放軟件）來實(shí)現(xiàn)此功能。對(duì)某些功能是用硬件還是用軟件實(shí)現(xiàn)，與系統(tǒng)價(jià)格、速度、所需存儲(chǔ)量及可靠性等諸多因素有關(guān)。一般來說，同一功能用硬件來實(shí)現(xiàn)時(shí)，速度快、所需儲(chǔ)存量較少，但靈活性和適應(yīng)性差，且成本較高；用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，可提高靈活性和適應(yīng)性，但這通常是以降低速度來換取的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件是相輔相成，缺一不可的。硬件是基礎(chǔ)，硬件本身只是一臺(tái)“裸機(jī)”，無法工作。軟件是靈魂，只有硬件本身，而沒有相應(yīng)軟件的機(jī)器就無法工作。只有當(dāng)硬件和軟件很好地協(xié)調(diào)配合，才能有效地發(fā)揮計(jì)算機(jī)所具有的功能，來解決用戶需要解決的實(shí)際問題，達(dá)到為用戶服務(wù)的目的。硬件系統(tǒng)1946年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼(VonNeumann)在一篇題為“關(guān)于電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)的初步討論”的學(xué)術(shù)報(bào)告中，提出了“儲(chǔ)存程序”的概念，并且進(jìn)行了論證。其主要觀點(diǎn)可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。（1）計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部分組成的體系結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示。（2）計(jì)算機(jī)中處理的數(shù)據(jù)模型是由二進(jìn)制數(shù)所表示的指令和數(shù)據(jù)。（3）將事先編制好的程序和原始數(shù)據(jù)一并存入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。在不受人工干預(yù)的情況下，計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、高速地從存儲(chǔ)器中取出指令并且執(zhí)行（被歸納為：二進(jìn)制、儲(chǔ)存程序、程序控制）的思想。馮·諾依曼的上訴思想奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。六十多年來，雖然計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從性能指標(biāo)、運(yùn)算速度、工作方式、應(yīng)用領(lǐng)域等各方面都與當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了很大差別，但其基本結(jié)構(gòu)并沒有變，所以，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)又稱為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在流行的微型計(jì)算機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)都是由主機(jī)、鍵盤和顯示器構(gòu)成。臺(tái)式計(jì)算機(jī)的主機(jī)安裝在主機(jī)箱內(nèi)，在主機(jī)箱內(nèi)有中央處理器CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、系統(tǒng)主板、硬盤及驅(qū)動(dòng)器、CD-ROM驅(qū)動(dòng)器、電源、顯示器配置器（又稱顯示卡或圖形加速卡）、USB接口等。為了能綜合處理多媒體信息，通?？赡苓€有音頻、視頻處理設(shè)備、各種媒體輸入/輸出設(shè)備等。例如，攝像機(jī)、話筒、錄像機(jī)、錄音機(jī)、掃描儀、視頻卡、聲卡、家電控制卡、通信卡、操縱卡、觸摸屏等。下面，我們將以微型計(jì)算機(jī)硬件情況為例來介紹一臺(tái)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)。中央處理器CPU在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，運(yùn)算器和控制系統(tǒng)稱為中央處理器，簡稱CPU（CentralProcessingUnits）?，F(xiàn)在流行的微型計(jì)算機(jī)中，運(yùn)算器和控制器并不是兩個(gè)獨(dú)立的部件，而是被集成在一塊芯片上，構(gòu)成微處理器。運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算數(shù)邏輯單元（ArithmeticandLogicUnit，ALU），由數(shù)據(jù)寄存器、累加器、，作是運(yùn)算，大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算任務(wù)都是在運(yùn)算器中進(jìn)行的。在計(jì)算機(jī)中，算術(shù)運(yùn)算是指加、減、乘、除等基本運(yùn)算；邏輯運(yùn)算是指邏輯判斷關(guān)系，常用邏輯運(yùn)算有“與”、“或”和“非”。通常以每秒鐘能夠完成的算術(shù)運(yùn)算次數(shù)來衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。運(yùn)算器的運(yùn)算速度是非?？斓摹Ｒ虼?，計(jì)算機(jī)才有高速處理信息的能力。運(yùn)算器中的數(shù)據(jù)取自于內(nèi)存儲(chǔ)器，運(yùn)算后的結(jié)果又送回內(nèi)存儲(chǔ)器。運(yùn)算器對(duì)內(nèi)存儲(chǔ)器的讀寫操作是在控制器的控制之下進(jìn)行的?？刂破骺刂破饔沙绦蛴?jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序部件和微操作控制部件等組成，是計(jì)算機(jī)的“神經(jīng)中樞”和“指揮中心”，它從內(nèi)存依次取出指令，對(duì)其譯碼，并按每條指令所規(guī)定的功能，向整個(gè)系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)施對(duì)其他部件的控制，使計(jì)算機(jī)各部件統(tǒng)一協(xié)調(diào)地運(yùn)作。在整個(gè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，大致可分為內(nèi)部操作和外部操作，內(nèi)部操作是指內(nèi)存與CPU之間的通信（或數(shù)據(jù)傳遞、信號(hào)傳遞）；外部操作是指輸出、輸入設(shè)備與內(nèi)存間的通信（或數(shù)據(jù)傳遞、信號(hào)傳遞）?？梢哉f，CPU是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的核心，是計(jì)算機(jī)的中樞神經(jīng)，無論是內(nèi)部操作還是外部操作，都離不開CPU的運(yùn)算、判斷和處理。因?yàn)橄到y(tǒng)的所有計(jì)算、比較和判斷都是在CPU內(nèi)完成的。由圖1-4“計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)”可以看出：在控制器的控制指揮下，外部操作通過輸入設(shè)備將指令、數(shù)據(jù)等傳遞到內(nèi)存儲(chǔ)器中，再由運(yùn)算器處理后返回內(nèi)存，通過輸出設(shè)備輸出結(jié)果，達(dá)到工作的目的。CPU一般有通用CPU和嵌入式CPU兩種類型。通用CPU和嵌入式CPU的區(qū)別，主要在于運(yùn)用模式的不同一般來說，通用CPU追求高性能，功能比較強(qiáng)，能運(yùn)行復(fù)雜的操作系統(tǒng)和大型運(yùn)用軟件。嵌入式CPU則強(qiáng)調(diào)處理特定應(yīng)用問題的高性能，主要用于運(yùn)行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級(jí)操作系統(tǒng)在性能和功能上有很大的變化范圍，比如用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。微處理器微型計(jì)算機(jī)一般采用通用CPU，最具代表性的產(chǎn)品是美國Intel公司的微處理器系列。其型號(hào)先后有4004、4040、8080、8085、8088、8086、80286、80386、80486、Pentium（奔騰）、Celeron（賽揚(yáng)）、Itanium（安騰）、Xeon(至強(qiáng))、Core（酷睿）等產(chǎn)品，功能越來越強(qiáng)，工作速度越來越快，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，從每秒鐘完成幾十萬次基本運(yùn)算發(fā)展到上億次，每個(gè)微處理器包含的半導(dǎo)體電路元件也從2300個(gè)發(fā)展到數(shù)千萬個(gè)，Penneitium4微處理器已集成了4200萬個(gè)晶體管。CPU產(chǎn)品并非由Intel公司一家生產(chǎn)，IBM、Apple、Motorola、AMD、Cyrix等也是著名的微處理器產(chǎn)品的生產(chǎn)公司。圖1-5分別為Intel公司的酷睿2Duo、AMD公司的羿龍IIX6和我國國產(chǎn)的龍芯1號(hào)三款CPU外形圖。CPU型號(hào)是計(jì)算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)之一，人們習(xí)慣用CPU的檔次來大體表示微型計(jì)算機(jī)的規(guī)格。例如，使用了Pentium4CPU的微型計(jì)算機(jī)便成為Pentium4機(jī)型，裝有K8CPU的微型計(jì)算機(jī)稱為K8機(jī)型。另外，衡量CPU性能的主要技術(shù)指標(biāo)還有字長(CPU內(nèi)部各寄存器之間一次能夠傳遞的數(shù)據(jù)位)、位（圖1-5中Intel公司的酷睿2為64位）、主頻[CPU內(nèi)核（整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算器）電路的實(shí)際運(yùn)行頻率，也稱做CPU內(nèi)頻]、外頻（CPU總線頻率，是由主板為CPU提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率）等。Intel公司生產(chǎn)的微處理器主要用于臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和移動(dòng)PC、服務(wù)器和工作站，以Pentium系列為主、表1.1列出了當(dāng)前Intel公司微處理器的主要性能。表1.1Intel高性能CPU我國國產(chǎn)CPU——龍芯，是中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所研制的以通用CPU為核心并兼顧嵌入式CPU特點(diǎn)的新一代64位CPU，如圖1-5所示。2001年5月，在中科院計(jì)算機(jī)所知識(shí)創(chuàng)新工程的支持下，龍芯課題組正式成立。2002年8月10日，首片龍芯1號(hào)研制成功，2003年10月17日，龍芯2號(hào)研制成功，2008年末龍芯3號(hào)研制成功。4核龍芯3號(hào)采用65nm工藝、主頻1GHz、晶體管數(shù)目達(dá)到4.25億個(gè)。龍芯3號(hào)早期是一款4核處理器，并增加專門服務(wù)于Java程序的協(xié)處理器，以提高Linux環(huán)境下Java程序的執(zhí)行效率，指令緩存追蹤技術(shù)等。龍芯3號(hào)最終將實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)峰值每秒500~1000億次的計(jì)算速度。國產(chǎn)CPU龍芯的誕生，標(biāo)志著我國在現(xiàn)代通用微處理器設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了“零”的突破，打破了我國長期依賴國外CPU產(chǎn)品的無芯的歷史，也標(biāo)志著國產(chǎn)安全服務(wù)器CPU和通用的嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)化的開始。2.主板主板又稱為系統(tǒng)板、母版，是安裝在主機(jī)箱內(nèi)的一塊集成電路板，是微型計(jì)算機(jī)中各種設(shè)備的連接載體，是PC機(jī)的主要核心部件之一，檔次的高低決定了是否能充分發(fā)揮CPU的性能。PC級(jí)主板采用開放式結(jié)構(gòu)，由CPU插座（槽）、主板芯片集（CHIPSET）、Cache（高速緩存）、BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）、內(nèi)存條插槽、PCI插槽（供聲卡、網(wǎng)卡、內(nèi)置Modem等插入）、AGP插槽（主要供AGP顯卡插入）、IDE1和IDE2接口（用于連接硬盤和光驅(qū)，一個(gè)IDE接口可連接1~2個(gè)硬盤和光驅(qū)）、USB接口（通用串行總路線接口，用于連接優(yōu)盤、數(shù)碼相機(jī)等）COM1與COM2接口（用于連接COM接口鼠標(biāo)或外置Modem等串行接口的外圍設(shè)備）、LPT1-2接口（用于連接打印機(jī)等并進(jìn)行接口的外圍設(shè)備）等組成，如圖1-6所示。微型計(jì)算機(jī)通過主板將CPU等各種部件和外部設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來，形成一套完整的系統(tǒng)。PC99技術(shù)規(guī)格規(guī)范了主板的設(shè)計(jì)要求，提出主板各接口必須采用有色識(shí)別標(biāo)志，以方便識(shí)別?！砟壳埃?jì)算機(jī)主板生產(chǎn)也跟顯示器、硬盤、CPU等越來越專業(yè)化，世界上PC兼容機(jī)主板的最大生產(chǎn)基地是中國臺(tái)灣，國內(nèi)流行的主板品牌有ASUSTEK（華碩）、ABIT（升技）、FIC（大眾）、DATAEXPERT（聯(lián)訊）、ELITEGROUP（精英）、ATREND(中凌)、SOYO（梅捷）MSI微星）GIGABYTE（技嘉）、Intel（英特爾）等，儲(chǔ)存器存儲(chǔ)器的功能是用來儲(chǔ)放程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)中各種信息存儲(chǔ)和交流的中心。可根據(jù)需要隨時(shí)向存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)，通常，將信息存入存儲(chǔ)器中稱為“寫”操作；從存儲(chǔ)器中取出信息稱為“讀”操作。存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成的，為使計(jì)算機(jī)能識(shí)別這些單元，給每個(gè)單元一個(gè)編號(hào)，這些編號(hào)稱為“位置”，計(jì)算機(jī)就是根據(jù)位置來訪問存儲(chǔ)器的。就如同在旅館中要知道某人所住的唯一房間號(hào)，才能找到該人一樣。存儲(chǔ)器容量是用來含金量一個(gè)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容大小的，其基本單位是字節(jié)（Byte，B）,每個(gè)字節(jié)由8個(gè)二進(jìn)制位（bit）組成，即1B=8bit。為了方便描述，比字節(jié)大的容量單位有：KB、MB、GB、TB。其換算關(guān)系為：1KB=210B=1024B，1MB=220B=1024K，1GB=230B=1024MB，1TB=240B=1024BG。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩種類型。內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器簡稱內(nèi)存，又稱主存儲(chǔ)器，通常由半導(dǎo)體材料制成。用戶通過輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)送人內(nèi)存；控制器執(zhí)行的指令和運(yùn)算器處理的數(shù)據(jù)取自內(nèi)存，運(yùn)算的中間結(jié)果和最終結(jié)果保存于內(nèi)存；輸出設(shè)備輸出的信息來源于內(nèi)存；內(nèi)存中的信息如要長久保存應(yīng)送到外存儲(chǔ)器中?？傊?，內(nèi)存要與計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件打交道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。因此，內(nèi)存的存儲(chǔ)速度直接影響著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。內(nèi)存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器