电子计算机的硬件系统和工作原理

电子计算机的硬件系统和工作原理

吴国发

（2025年4月9日）

内容提要：本文先介绍计算机的基本概念；再介绍计算机的硬件系统及其部件，然后概述计算机的工作原理以及计算机的技术指标。

关键词：电子计算机 微型机 硬件 CPU 控制器 运算器 存储器

（A）电子计算机的基本概念

通常所说的计算机是由大规模集成电路组成的电子计算机。

微型计算机简称“微型机”、“微机”，也称为“微电脑”。微型机的硬件以微处理器为基础。通用微型机的软件主要是操作系统、办公套件等。

计算机与美国英特尔(Intel)公司密切相关。

1971年11月，英特尔公司推出了世界上第一个微处理器4004。这是4位字长处理芯片。

微处理器是由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理单元 (Central Processing Unit，CPU）。这些电路执行控制器、运算器（算术逻辑部件）和内存储器（又称主存储器）的功能。

微型计算机是使用微处理器作为CPU的计算机。微型机属于第四代计算机。

完整的计算机系统包括两大部分：硬件(Hardware)和软件(Software)。没有安装任何软件的微型机称为裸机。

计算机硬件是构成微型机的所有电子器件、机械设备的总称。微型机软件是计算机的程序和相应的数据以及文档的总称。

微型机除了硬件、软件以外，还有“固件(Firmware)”。把微型机系统启动、运行时经常被调用并且不需要改动的程序存储在只读存储器(ROM)中，即把软件固化在硬件(ROM)中，这就成为固件。

桌面计算机，笔记本电脑，平板电脑，游戏机，嵌入式计算机，以及种类众多的手持智能设备（包括手机）都属于计算机的范畴。飞机、汽车、机器人等复杂的智能设备中都有嵌入式计算机。

计算机的大多数设备都紧密地安装在一个单独的机箱中，该机箱称为主机。也有一些设备可能放置在机箱附近并与之连接，例如显示器、键盘、鼠标，等等。

通用桌面计算机可以分成个人计算机(PC)、网络服务器(Server)、网络工作站(Workstation)。

个人计算机(PC)只提供单用户服务。

如果微型机运行Windows Server（微软服务器，以前是Windows NT）或Unix操作系统，那么这个PC机就成为服务器（Server）。服务器与若干个工作站就形成一个小型计算机网络。在计算机网络中，多个用户共享服务器上的软件和其它资源。

大型计算机网络使用的服务器不是PC机，而是大型计算机或巨型计算机。

与CPU一同工作的数据存储器有两种：内存储器和外存储器。内存储器包括只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。

完整的计算机的其它设备有电源和各种输入/输出设备。

（B）计算机的硬件系统概述

硬件通常是指构成计算机的设备实体。我们这里介绍微型计算机和小型计算机的硬件系统。

一台计算机的硬件系统由五个基本部分组成：控制器（CU），运算器（ALU），存储器（RAM、ROM等），输入和输出设备（I/O设备）。计算机存储器包括主存储器（内存储器）和辅助存储器（外存储器）。

此外，还包括中央处理器（CPU）和系统总线。

计算机的五大基本部分通过系统总线完成指令所传达的操作。

当计算机在接受指令后，由控制器指挥，先将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器；由运算器进行处理；处理后的结果由输出设备输出。

由控制器、运算器和主存储器组成中央处理单元(CPU)。CPU电路都集成在芯片内。CPU是计算机硬件系统的核心。

国际上使用最广的微型机芯片是美国英特尔公司的x86架构的芯片。美国AMD公司研制的芯片也具有x86架构。

中国科学院计算技术研究所研制的龙芯已经在中国得到很多应用，但是与x86架构芯片不兼容。

计算机输入/输出设备与辅助存储器合称为计算机外围设备。

下面是计算机硬件系统组成示意图：

（C）计算机的基本硬件简介

（1）中央处理器（CPU）

CPU（Central Processing Unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。微型机的中央处理器又称为微处理器。

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。

计算机以CPU为中心。输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。

（2）控制器（CU）

计算机控制器（CU）是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成特定任务的部件。

控制器由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。

计算机的工作方式是执行程序。计算机程序是为完成某一任务所编制的特定指令序列。各种指令操作按一定的时间关系有序安排。控制器产生各种最基本的不可再细分的微操作的命令信号，即微指令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。

当计算机执行程序时，控制器首先从指令寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指令操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件。

（3）运算器（ALU）

运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。

算术运算是指各种数值运算，比如加、减、乘、除等。

逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如与、或、非、比较、移位等。

计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数；进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器。加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

（4）存储器

存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中。

内存一般由半导体器件构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器（RAM），只读存储器（ROM），特殊存储器。

RAM是随机存取存储器（Random Access Memory）。它的特点是可以读和写；存取任一单元所需的时间相同。通电时存储器内的内容可以保持；断电后，存储的内容立即消失。

RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（StaticRAM）两大类。

动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容作为存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，因此称之为动态存储器。

所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器作为存储元件的。它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。

DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。

ROM是只读存储器（Read Only Memory）。它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由生产厂家一次性写入的，并永久保存下来。

ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（ErasableProgrammable）ROM（EPROM）、电擦除可编程（ElectricallyErasable Programmable）ROM。EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内容可以反复更改。

特殊固态存储器，包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。

下面是计算机存储器组成示意图：

（5）输入输出设备（I/O设备）

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。

常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。

输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。

常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（6）总线

计算机系统五大部件之间的互连的方式有两种

1.分散连接：各部件之间使用单独的连线。

2.总线连接：将各部件连到一组公共信息传输线上。

总线是连接计算机各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。总线具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。

典型的微机计算机系统的结构通常多采用单总线结构。

一般按信号类型将总线分为三组：AB（AddressBus）为地址总线，DB（Data Bus）为数据总线，CB（ControlBus）控制总线。

总线传输特点：某一时刻只能有一路信息在总线上传输，即分时使用。

总线上信息的传输有下列两种方式：

串行：每条线可一位一位的传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。

并行：若干条传输线同时传输若干条二进制代码。

（D）计算机的工作原理概述

计算机的基本工作原理如下：

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。程序与数据一样存取，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作。

计算机基本工作原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。

冯诺依曼体系结构计算机的工作原理可以概括为八个字：存储程序，程序控制。

存储程序：将解题的步骤编成程序（通常由若干指令组成），并把程序存放在计算机的存储器中（指主存或内存）。

程序控制：从计算机主存中读出指令并送到计算机的控制器，控制器根据当前指令，控制全机执行指令规定的操作，完成指令的功能。重复这一操作，直到程序中的指令执行完毕。

计算机指令是计算机根据预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理的命令。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为计算机程序。一条指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集或指令系统。

在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令。其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作；第2个字节是操作数。

计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等），数据传送指令，程序控制指令，状态管理指令。

整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码。为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中。在执行程序时，CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令；然后再取出下一条指令并执行；如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令所指定的存储器地址中。

（E）计算机的技术指标

1，CPU类型

CPU类型是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。如‌Intel系列‌的‌酷睿(Core)，AMD系列‌的‌锐龙(Ryzen)。

2，字长

字长是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数。字长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium（奔腾）是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。

3，时钟频率

时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率。它反映了CPU的基本工作节拍。时钟频率的常用单位为兆赫（MHz）。

4，机器周期

一个机器周期由若干个时钟周期组成。在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。

5，运算速度

运算速度指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万条浮点指令）。

6，存取速度

存取速度是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。

7，存储周期

连续两次读或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。

8，存储器容量

内存储器容量即内储存器能够存储信息的字节数。

外存储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，其容量是无限的，如硬盘。

U盘已是微机系统中不可缺少的外部存储设备。

9，内、外存储容量的常用单位

①位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比特。在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。

②字节（B，Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte = 8 bit。

③千字节（KB，KiloByte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1 KB = 1024 Byte。

④兆字节（MB，MegaByte）：上世纪90年代流行的微机硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1MB= 1024KB。

⑤吉字节（GB，GigaByte）：市场流行的微机的硬盘已经达到430GB、640GB、810GB、1TB等规格。1GB= 1024MB。

⑥太字节（TB，Terabyte）：1TB=1024GB。最新有了PB这个概念，1PB=1024TB。