计算机硬件系统组成及工作原理
一、计算机硬件系统组成
任何一台计算机，都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件组
成，其结构框图如网1—1所示。
1．运算器
运算器是对数据进行运算的部件，它能够快速地对数据进行加、减、乘、除等基本算术运
算及“与”、“或”、“非“等逻辑运算。在运算过程
二胎 产假中，运算器不断得到由存储器提供的数据，运算
后把结果(包括中问结果)送回存储器保存起
来。整个运算过程是在控制器统一指挥下，按程
序中绢诽的操作次序进行的。
运算器主要由算术逻辑单元(A小hme小
L08ic Un入简称Aeu)、寄存器以及一些控制
数据传送的电路组成。算术逻辑单元是运算器
中实现算术和逻辑运算的电路；寄存器是运算
器中的数据暂存器，在运算器中往往设置多个
寄存器，每个寄存器能够保存一个数据。寄存器
可以直接为算术逻辑单元提供参加运算的数
据，运算的中间结果也可以保存在寄存器中。这
样，一个简单的运算过程就可以在运算器内部
完成，避免了频繁地与存储器打交道的工作，从
而提高了运算速度。Atmel代理运算器中还设有标志寄存器，它用来存放运算结果的特征．如进位标志
(c)、零标志(Z)、符号标志(s)等。在不同的机器中，标志寄存器的标志位有不同的规定。
2．控制器
控制器是计算机的控制中心，计算机的工作就是在控制器的控制下有条不亲地协调工
作。控制器通过地址访问内存储器，逐条取出选中单元的指令，分析指令，并根据指令码产生
相应的控制信号作用于其他各个部件，控制这些部件完成指令要求的操作。上述过程周而复
始，保证了计算机能自动、连续地工作。
控制器主要由指令计数器(又称程序计数器)、指令寄存器、指令译码器、时序电路及操
作控制器等电路组成。当计算机执行程序时，指令计数器中保存的是耍执行的下一条指令的
地址，控制器根据这个地址，从内存中取出指令并送人指令寄存器。指令译码器对指令寄存
器中的指令代码进行分析后，发出各种相应的操作命令，指挥计算机的有关部件进行工作，
比如一次内存读／写操作，一个算术／逻辑运算操作，或一个输入／输出操作等。
指令计数器是控制器中的一个重要部件，它的功能是指示程序的执行顺序。在取指令阶
段它保留本条指令的地址，当指令执行完成后它存放的是下条将要执行的指令地址。它的位
长一般是能表示内存的最大容量。AT90CAN64下条指令地址的形成有两种可能，一种是顺序执行，下条
指令地址通过指令计数器自动加1完成，另一种是通过转移指令形成下条指令地址。
通常将运算器和控制器合在一起称为中央处理单元CPU(CentralPr。cessinR Unlt)，
碎屏cPu是计算机的核心部件，现已做在一块集成芯片里。
3．存储器
(1)内存和外存
存储器是用来存放信息的部件。计算机的存储器可分为内存储器（也称主存储器）
计算机的存储器可分为内存储器(也称主存储器)和外存储器(也称辅助存储器)。
内存直接与cPu相连，可由CPu直接读写信息，是cPu能根据地址线直接寻址的存
储空间。它一般用来存放正在执行的程序或正在处理的数据。由于内存的数据交换非常频
繁，因此内存的速度会直接影响整机的性能。目前的内存都是由半导体存储器芯片组成，其
特点是体积小、耗电低、存取速度快、可靠性好，并且集成度越来越高，而成本降低又很快，因
此，即使是个人微机也可配置较大的内存[如32MB或64MB)。
外存储器不能与CPU直接交换信息，CPU需按输入／输出方式访问这部分存储空间。
外存一般用来存放暂时不用但又需长期保留的程序或数据。存放在外存的程序必须调入内
存后才能运行。外存一般是由磁性介质材料(如磁盘、磁带)或光盘制成，其上存放的信息不
会因断电而丢失。与内存相比，外存的存储容量较大，价格也相对便宜，但存取速度较促。常
用的外存有软盘、硬盘、磁带及光盘等。
(2)半导体存储器的分类
目前各类计算机的内存普遍采用半导体存储器，从不同的角度可以对半导体存储器进
行不同的分类。
①按读写功能分类，可分为只读存储器和随机存储器。
只渎存储器简称ROM(Read Only Memo，y)，它需要领先写入程序或数据，写入的程序
金雅中图片称为固化程序，具有很高的可靠性。RoM的特点是在计算机正常工作时，其内容可以反复
被读出，但不能改写，掉电后信息不会丢失*只读存储器适用于数据写入后不变或极少需要
改变的应用场合，如作为字库、固定的数据和程序等。
miki 张木易 只读存储器又分为掩膜、可编程、可按写可编程等多种类型。
随机存储器简称RAM(Random A c凹ss Memory)，其特点是在计算机正常工作时，可
随时对存储器写入或读出信息，读写信息的时间和地址都是任意的、无关的。但RAM中存
储的信息在掉电后会丢失。随机存储器常用于存放频繁访问或频繁更新的程序或数据，计算
机的内存就是由随机存储器构成的。
②按半导体制造工艺分类．可分为双极型和Mos型存储器。
双极型存储器是用晶体管—晶体管逻辑电路(TTI‘)做成的，一般为随机存储器。其特点
越秀公园是工作速度快，但功耗大，集成度低，AT89C2051且工艺也较复杂，主要用作高速缓存、超高速计算机的
主存等。
M()S型(Me船10xNe Semiconductor)存储器是用金属氧化物半导体管制成的，其特点
是功耗小，集成度高，但速度上略低于双极型存储器，是当前计算机内存的主要芯片。
田按信息保存方式分类，可分为静态随机存储器与动态随机存储器。
静态随机存储器(sRAM)不需要刷新，即在通电状态下，只要不写入新的信息，信息始
终保持不变。静态随机存储器的电路设计简单，但其集成度要低于动态随机存储器，且成本
也较高。常用于小容量或高速的存储系统，如高速缓存、视频存储器等。
动态随机存储器(DRAM)所存信息将随时间而衰减，所以必须木断定时刷新。由于动
态随机存储器必须设计相应的刷新电路，因此其结构和实现上均较静态随机存储器复杂，并
且刷新时，存储器处于占用状态，不能读写，因此对总体性能有一定影响。不过由于动态随机
存储器具有容量大、集成废高、价格低等优点，它仍是当前计算机内存采用的主要芯片。
综上所述，半导体存储器的类型可归纳如下：
现代微型计算机，为追求更大容量的内存空间，EAM主要采用动态M05器件，ROM
空间也有逐渐增大之势，利用它的拧电不丢失性固化一些系统软件。
(3)存储器的主要技术指标
①存储容量：足指存储器所能存取二进制信息的位数，一般以字节为单位
(Byte)可以存放8位二进制数。在此基础上，有下面的换算关系：
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⑦存取时间：指存取一个数据所需的时间，即指读、写周期，它直接影响到计算机的运行
速度。现阶段半导体存储器的存取时间已达几十ns。
②可靠性：存储器用来存放程序和数据，要求工作时有很高的可靠性，即每个单元的每
—
—位均能正确无误的存取二进制信息，否则计算机将无法正常工作。通常，计算机加电后，首
先对内存每个单元进行检查，正确后才可继续工作。
④功耗：一般是指每个存储单元或每个芯片的功耗。
和散热等问题。通常手册中会给出工作功耗和维持功耗
4．输入设备
该指标关系到芯片的集成度、组装
输入设备是用来输入程序和数据的部件，它由面部分组成：输入接口电路和输入装置。
目前计算机常用的输入装置有键盘、鼠标器、光笔、图像扫捞仪、数字化仪、电传打字机、
磁带机、磁盘机等。不同的输入装置，物理性能相差极大，它们各有自己的工作特点，因此这
些实际的输入装置不能直接与主机交换信息，而必须在主机与输入装置之间插入——块称为
“接口电路”的特殊逻辑部件，通过它实现主机与输入装置之间的信息交换。
设置接口电路的主要原因是：主机与实际装置的工作速度相差极大．主机是高速电于装
置，而输入装置是电子机械设备；不同的输入装置工作方式不一样，数据格式也不一样，例
如，有的输入装置采用并行方式与主机交换信息，有的则采用串行方式与主机交换信息。因
此，通过接n电路来解决主机与外设之间的速度匹配、实现数据缓冲及实现数据格式的变换
等问题。
5．输出设备
输出设备能以人们接受的形式输出计算机运行的结果。与输入设备道理一样，输出设备
也包括输出接口电路和输出装置两个部分。ATMEL代理商计算机常用的输山装置有显示器、打印机、绘图
仪、磁带机和磁盘机等。
上面我们简要介绍了计算机硬件系统的基本组成，介绍丁五大部件的功能。在硬件系统
中，通常人们把cPu、内存以及连接主要输入输出装置的接口电路统称为主机．其他则称为
外部设备。微型计算机的主机，生产厂家已能将其制做在一块印刷电路板上，这就是通常所
说的主机板，简称主板。wxq$#
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