计算机硬件组成步骤（实用易懂系列教程--计算机的硬件组成）

大家好，除了翻译专业文档外，我也发布实用易懂系列教程，这个教程主要以大学本科计算机教程为主线，结合自己工作经验及最新技术情况，补充而来，适合所有的人，包括小朋友（家长学会了，可以教小朋友）。今天是本系列的第二课，计算机的硬件组成

硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体。原始的冯•诺依曼（VonNeumann）计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已转向以存储器为中心了。

数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。

在微处理器问世之前，运算器和控制器是两个分离的功能部件，加上当时的存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此以运算器为中心的，其他部件通过运算器完成信息的传递。

随着微电子技术的进步，人们研制出了微处理器，将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。

同时，随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍的扩大，加上需要计算机处理，加工的信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转化为以存储器为中心的组织结构。

图 1-1 所示为计算机最基本的组成框图。

（1）控制器。控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。控制器的组成包含如下。

① 程序计数器 PC：存储下一条要执行指令的地址；

② 指令寄存器 IR：存储即将执行的指令；

③ 指令译码器 ID：对指令中的操作码字段进行分析解释；

④ 时序部件：提供时序控制信号。所谓时序，是具有先后时间顺序

（2）运算器。运算器也称为算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit，ALU），其主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算。运算器的组成包含如下。

① 算术逻辑单元 ALU：数据的算术运算和逻辑运算；由"And Gate"（与门） 和"Or Gate"（或门）构成，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。工程师可设计能完成任何运算的ALU，不论运算有多复杂；问题在于运算越复杂，ALU成本越高，在处理器中占用的空间越大，消耗的电能越多。 于是，工程师们经常计算一个折中的方案，提供给处理器（或其他电路）一个能使其运算高速的ALU，但同时又避免ALU设计的太复杂而价格昂贵。强大的处理器，比如英特尔酷睿和AMD64系列对一些简单的运算采用1号选项，对最常见的复杂运算采用2号选项，对极为复杂的运算采用3号选项。这是具有在处理器中构造非常复杂的ALU的能力为前提的。

② 累加寄存器 AC：通用寄存器，为 ALU 提供一个工作区，用在暂存数据；

③ 数据缓冲寄存器 DR：写内存时，暂存指令或数据；

④ 状态条件寄存器 PSW：存状态标志与控制标志（争议点：也有将其归为控制器的）。

（3）主存储器，简称主存。存储现 场操作的信息与中间结果，包括机器指令和数据，断电后消失。32位（比特）的地址最大能表达4GB的存储器地址，64位是32位的40亿倍，完全够用。市场中主要有的内存类型有SDRAM、DDR SDRAM和RDRAM三种。

三种内存类型中DDR SDRAM内存占据了市场的主流，而SDRAM内存规格已不再发展，处于被淘汰的行列。RDRAM则始终未成为市场的主流，只有部分芯片组支持，而这些芯片组也逐渐退出了市场，RDRAM前景并不被看好。。DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写，是双倍速率同步动态随机存储器的意思。DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的，仍然沿用SDRAM生产体系。截至2017年，DDR运行频率主要有100MHz、133MHz、166MHz三种，由于DDR内存具有双倍速率传输数据的特性，因此在DDR内存的标识上采用了工作频率×2的方法，也就是DDR200、DDR266、DDR333和DDR400，一些内存生产厂商为了迎合发烧友的需求，还推出了更高频率的DDR内存。DDR4的整体性能和传输速度都比DDR3更优秀，DDR3的工作电压是1.5V，而DDR4是1.2V，并且能源节省高达40%。DDR3的最高速率为2133MT/s ，DDR4的数据传输率也从2133MT/s起跳，最高速率在2013年的标准中暂定为4266MT/s。

（4）辅助存储器。辅助存储器也称为外存储器，通常简称为外存或辅存。存储需要长期保存的各种信息。主要有普通机械硬盘，固态硬盘，磁带等。固态硬盘是以半导体状态做记忆介质，机械硬盘是以磁做记忆介质的。由于固态硬盘是半导体做记忆介质的，所以比机械硬盘的读写速度快得很多。固态硬盘是以半导体做记忆介质的，所以比机械硬盘抗震动和抗摔，完全性更高。机械硬盘没有速写次数限制而固态硬盘却有。目前有专门针对企业用的固态硬盘，一块可以达到1T，用到对数据读取较多，写入较少的数据仓库，大数据等项目。

磁带是磁带存储系统是所有存储媒体中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。在实际中，经常做为数据库的备份，能防止操作失误等人为故障。

（5）输入设备。输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并 且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。按输入信息的形态可分为字符

（包括汉字）输入、图形输入、图像输入及语音输入等。目前，常见的输入设备有键盘、 鼠标、扫描仪等。

（6）输出设备。输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。目前，最常用的输出设备是打印机和显示器。有些设备既可以是输入设备， 同时也可以是输出设备，例如，辅助存储器、自动控制和检测系统中使用的数模转换装置等。