计算机硬件系统
学习目的
- 了解计算机硬件结构。
- 了解输入/输出设备的作用。
- 了解存储器的作用、计算机存储单位（如bit、byte）、字或单元、字长。
- 了解内存储器中 RAM 和 ROM 的概念、外存储器与内存储器的区别、CPU 与内存储器的关系。
- 了解 CPU 的运算器和控制器的作用、CPU 的字长。
硬件结构
根据冯·诺依曼设计思想，计算机硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
简单说一下计算机五大基本部件的关系：输入设备输入数据到内存储器，内存储器存储数据，运算器对数据进行算术运算或逻辑运算，控制器控制其他部件协调工作，输出设备以人类能识别的信息形式（图像、视频、声音）显示处理后的数据。
计算机性能指标不断提升，但是基本结构仍然延续着冯·诺依曼的计算机体系结构。
硬件介绍
输入设备
输入设备的主要作用就是把信息（图像、视频、声音）转变为计算机能接收的电信号（二进制数）送入到计算机中。
例如，键盘输入信息时，敲击的每一个键位都能产生相应的电信号送入计算机。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。
输出设备
输出设备的主要作用就是把计算机处理后的数据（二进制数）转变为人类能接收的信息形式（字符、图像、声音）。
例如，在显示屏显示字符、图像等。常用的输出设备有显示器、打印机、耳机、喇叭等。
存储器
存储器是计算机的记忆装置，基本功能是存储二进制形式的数据和程序。
位：bit，计算机存储的最小单位。
字节：byte，每 8 个 bit 为 1 个 byte。
字长：在计算机中作为一个整体被存取或运算的最小单位称为字（或单元）。字中所包含的二进制位数称为字长，字长都是字节的整数倍。
地址：存储器存储着许许多多二进制数，按照每 8 位二进制数组成一个单元，并且为每一个单元编上一个号码（称之为地址）。根据号码存取数据，就像是根据门牌号码寻找房间一样。
内存储器
内存储器可以与 CPU 直接进行数据交换。
内存储器分为 RAM（read access memory，随机存储器） 和 ROM（read only memory，只读存储器）。
- RAM：存储当前 CPU 使用的程序、数据、中间结果。外存储器与 CPU 交换数据需要先调入内存储器。RAM 的特点是断电失去数据。
- ROM：存储固定不变、重复执行的程序。ROM 的特点是断电不失去数据。
ROM 用于存储一些系统相关信息和开机引导 BIOS 等。RAM 作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。
外存储器
外存储器用来存放长期保存的程序和数据，外存储器的数据需要调用到内存储器才可以与 CPU 进行数据交换。机械硬盘、固态硬盘、U 盘都属于外存储器。
中央处理器
中央处理器的字长代表一次能同时处理的二进制数据的位数。字长越长，计算机的处理能力就越强。早起的微型计算机的字长为 16 位，比如，Intel 8086、80286 等，Pentium II、Pentium III 和 Pentium IV 的字长均为 32 位。现在的中央处理器字长都是 64 位了。
字长越长，数据的运算精度也就越高，计算机的运算能力也就越强，可寻址的空间也就越大。
运算器
运算器对信息进行加工和处理，其速度决定了计算机的计算速度。主要对二进制数进行算术运算或逻辑运算。
控制器
控制器只会和协调计算机各部件有条不紊地工作。控制器主要有指令寄存器、程序计数器等组成。主要从存储器中读取指令、分析指令、执行指令。