電子計算機的硬件系統和工作原理

吳國發

（2025年4月9日）

內容提要：本文先介紹計算機的基本概念；再介紹計算機的硬件系統及其部件，然后概述計算機的工作原理以及計算機的技術指標。

關鍵詞：電子計算機 微型機 硬件 CPU 控制器 運算器 存儲器

（A）電子計算機的基本概念

通常所說的計算機是由大規模集成電路組成的電子計算機。

微型計算機簡稱“微型機”、“微機”，也稱為“微電腦”。微型機的硬件以微處理器為基礎。通用微型機的軟件主要是操作系統、辦公套件等。

計算機與美國英特爾(Intel)公司密切相關。

1971年11月，英特爾公司推出了世界上第一個微處理器4004。這是4位字長處理芯片。

微處理器是由一片或幾片大規模集成電路組成的中央處理單元 (Central Processing Unit，CPU）。這些電路執行控制器、運算器（算術邏輯部件）和內存儲器（又稱主存儲器）的功能。

微型計算機是使用微處理器作為CPU的計算機。微型機屬于第四代計算機。

完整的計算機系統包括兩大部分：硬件(Hardware)和軟件(Software)。沒有安裝任何軟件的微型機稱為裸機。

計算機硬件是構成微型機的所有電子器件、機械設備的總稱。微型機軟件是計算機的程序和相應的數據以及文檔的總稱。

微型機除了硬件、軟件以外，還有“固件(Firmware)”。把微型機系統啟動、運行時經常被調用并且不需要改動的程序存儲在只讀存儲器(ROM)中，即把軟件固化在硬件(ROM)中，這就成為固件。

桌面計算機，筆記本電腦，平板電腦，游戲機，嵌入式計算機，以及種類眾多的手持智能設備（包括手機）都屬于計算機的范疇。飛機、汽車、機器人等復雜的智能設備中都有嵌入式計算機。

計算機的大多數設備都緊密地安裝在一個單獨的機箱中，該機箱稱為主機。也有一些設備可能放置在機箱附近并與之連接，例如顯示器、鍵盤、鼠標，等等。

通用桌面計算機可以分成個人計算機(PC)、網絡服務器(Server)、網絡工作站(Workstation)。

個人計算機(PC)只提供單用戶服務。

如果微型機運行Windows Server（微軟服務器，以前是Windows NT）或Unix操作系統，那么這個PC機就成為服務器（Server）。服務器與若干個工作站就形成一個小型計算機網絡。在計算機網絡中，多個用戶共享服務器上的軟件和其它資源。

大型計算機網絡使用的服務器不是PC機，而是大型計算機或巨型計算機。

與CPU一同工作的數據存儲器有兩種：內存儲器和外存儲器。內存儲器包括只讀存儲器ROM和隨機存取存儲器RAM。

完整的計算機的其它設備有電源和各種輸入/輸出設備。

（B）計算機的硬件系統概述

硬件通常是指構成計算機的設備實體。我們這里介紹微型計算機和小型計算機的硬件系統。

一臺計算機的硬件系統由五個基本部分組成：控制器（CU），運算器（ALU），存儲器（RAM、ROM等），輸入和輸出設備（I/O設備）。計算機存儲器包括主存儲器（內存儲器）和輔助存儲器（外存儲器）。

此外，還包括中央處理器（CPU）和系統總線。

計算機的五大基本部分通過系統總線完成指令所傳達的操作。

當計算機在接受指令后，由控制器指揮，先將數據從輸入設備傳送到存儲器存放，再由控制器將需要參加運算的數據傳送到運算器；由運算器進行處理；處理后的結果由輸出設備輸出。

由控制器、運算器和主存儲器組成中央處理單元(CPU)。CPU電路都集成在芯片內。CPU是計算機硬件系統的核心。

國際上使用最廣的微型機芯片是美國英特爾公司的x86架構的芯片。美國AMD公司研制的芯片也具有x86架構。

中國科學院計算技術研究所研制的龍芯已經在中國得到很多應用，但是與x86架構芯片不兼容。

計算機輸入/輸出設備與輔助存儲器合稱為計算機外圍設備。

下面是計算機硬件系統組成示意圖：

（C）計算機的基本硬件簡介

（1）中央處理器（CPU）

CPU（Central Processing Unit）意為中央處理單元，又稱中央處理器。微型機的中央處理器又稱為微處理器。

CPU由控制器、運算器和寄存器組成。CPU通常集中在一塊芯片上，是計算機系統的核心設備。

計算機以CPU為中心。輸入和輸出設備與存儲器之間的數據傳輸和處理都通過CPU來控制執行。

（2）控制器（CU）

計算機控制器（CU）是對輸入的指令進行分析，并統一控制計算機的各個部件完成特定任務的部件。

控制器由指令寄存器、狀態寄存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。

計算機的工作方式是執行程序。計算機程序是為完成某一任務所編制的特定指令序列。各種指令操作按一定的時間關系有序安排。控制器產生各種最基本的不可再細分的微操作的命令信號，即微指令，以指揮整個計算機有條不紊地工作。

當計算機執行程序時，控制器首先從指令寄存器中取得指令的地址，并將下一條指令的地址存入指令寄存器中，然后從存儲器中取出指令，由指令譯碼器對指令進行譯碼后產生控制信號，用以驅動相應的硬件完成指令操作。簡言之，控制器就是協調指揮計算機各部件工作的元件。

（3）運算器（ALU）

運算器又稱算術邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）。運算器的主要任務是執行各種算術運算和邏輯運算。

算術運算是指各種數值運算，比如加、減、乘、除等。

邏輯運算是進行邏輯判斷的非數值運算，比如與、或、非、比較、移位等。

計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的。根據指令規定的尋址方式，運算器從存儲或寄存器中取得操作數；進行計算后，送回到指令所指定的寄存器中。運算器的核心部件是加法器和若干個寄存器。加法器用于運算，寄存器用于存儲參加運算的各種數據以及運算后的結果。

（4）存儲器

存儲器分為內存儲器（簡稱內存或主存）、外存儲器（簡稱外存或輔存）。外存儲器一般也可作為輸入/輸出設備。計算機把要執行的程序和數據存入內存中。

內存一般由半導體器件構成。半導體存儲器可分為三大類：隨機存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM），特殊存儲器。

RAM是隨機存取存儲器（Random Access Memory）。它的特點是可以讀和寫；存取任一單元所需的時間相同。通電時存儲器內的內容可以保持；斷電后，存儲的內容立即消失。

RAM可分為動態（Dynamic RAM）和靜態（StaticRAM）兩大類。

動態隨機存儲器DRAM是用MOS電路和電容作為存儲元件的。由于電容會放電，所以需要定時充電以維持存儲內容的正確，因此稱之為動態存儲器。

所謂靜態隨機存儲器SRAM是用雙極型電路或MOS電路的觸發器作為存儲元件的。它沒有電容放電造成的刷新問題。只要有電源正常供電，觸發器就能穩定地存儲數據。

DRAM的特點是集成密度高，主要用于大容量存儲器。SRAM的特點是存取速度快，主要用于調整緩沖存儲器。

ROM是只讀存儲器（Read Only Memory）。它只能讀出原有的內容，不能由用戶再寫入新內容。原來存儲的內容是由生產廠家一次性寫入的，并永久保存下來。

ROM可分為可編程（Programmable）ROM、可擦除可編程（ErasableProgrammable）ROM（EPROM）、電擦除可編程（ElectricallyErasable Programmable）ROM。EPROM存儲的內容可以通過紫外光照射來擦除，這使它的內容可以反復更改。

特殊固態存儲器，包括電荷耦合存儲器、磁泡存儲器、電子束存儲器等，它們多用于特殊領域內的信息存儲。

下面是計算機存儲器組成示意圖：

（5）輸入輸出設備（I/O設備）

輸入設備是用來接受用戶輸入的原始數據和程序，并將它們變為計算機能識別的二進制存入到內存中。

常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆等。

輸出設備用于將存入在內存中的由計算機處理的結果轉變為人們能接受的形式輸出。

常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。

（6）總線

計算機系統五大部件之間的互連的方式有兩種

1.分散連接：各部件之間使用單獨的連線。

2.總線連接：將各部件連到一組公共信息傳輸線上。

總線是連接計算機各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質?？偩€具有匯集與分配數據信號、選擇發送信號的部件與接收信號的部件、總線控制權的建立與轉移等功能。

典型的微機計算機系統的結構通常多采用單總線結構。

一般按信號類型將總線分為三組：AB（AddressBus）為地址總線，DB（Data Bus）為數據總線，CB（ControlBus）控制總線。

總線傳輸特點：某一時刻只能有一路信息在總線上傳輸，即分時使用。

總線上信息的傳輸有下列兩種方式：

串行：每條線可一位一位的傳輸二進制代碼，一串二進制代碼可在一段時間內逐一傳輸完成。

并行：若干條傳輸線同時傳輸若干條二進制代碼。

（D）計算機的工作原理概述

計算機的基本工作原理如下：

計算機在運行時，先從內存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數據進行指定的運算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結果送到內存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規定操作。依此進行下去。直至遇到停止指令。程序與數據一樣存取，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成指令規定的操作。

計算機基本工作原理最初是由美籍匈牙利數學家馮.諾依曼于1945年提出來的，故稱為馮.諾依曼原理。

馮諾依曼體系結構計算機的工作原理可以概括為八個字：存儲程序，程序控制。

存儲程序：將解題的步驟編成程序（通常由若干指令組成），并把程序存放在計算機的存儲器中（指主存或內存）。

程序控制：從計算機主存中讀出指令并送到計算機的控制器，控制器根據當前指令，控制全機執行指令規定的操作，完成指令的功能。重復這一操作，直到程序中的指令執行完畢。

計算機指令是計算機根據預定的安排，自動地進行數據的快速計算和加工處理的命令。人們預定的安排是通過一連串指令（操作者的命令）來表達的，這個指令序列就稱為計算機程序。一條指令規定計算機執行一個基本操作。一個程序規定計算機完成一個完整的任務。一種計算機所能識別的一組不同指令的集合，稱為該種計算機的指令集或指令系統。

在微機的指令系統中，主要使用了單地址和二地址指令。其中，第1個字節是操作碼，規定計算機要執行的基本操作；第2個字節是操作數。

計算機指令包括以下類型：數據處理指令（加、減、乘、除等），數據傳送指令，程序控制指令，狀態管理指令。

整個內存被分成若干個存儲單元，每個存儲單元一般可存放8位二進制數（字節編址）。每個在位單元可以存放數據或程序代碼。為了能有效地存取該單元內存儲的內容，每個單元都給出了一個唯一的編號來標識，即地址。

按照馮·諾依曼存儲程序的原理，計算機在執行程序時須先將要執行的相關程序和數據放入內存儲器中。在執行程序時，CPU根據當前程序指針寄存器的內容取出指令并執行指令；然后再取出下一條指令并執行；如此循環下去直到程序結束指令時才停止執行。其工作過程就是不斷地取指令和執行指令的過程，最后將計算的結果放入指令所指定的存儲器地址中。

（E）計算機的技術指標

1，CPU類型

CPU類型是指微機系統所采用的CPU芯片型號，它決定了微機系統的檔次。如?Intel系列?的?酷睿(Core)，AMD系列?的?銳龍(Ryzen)。

2，字長

字長是指CPU一次最多可同時傳送和處理的二進制位數。字長直接影響到計算機的功能、用途和應用范圍。如Pentium（奔騰）是64位字長的微處理器，即數據位數是64位，而它的尋址位數是32位。

3，時鐘頻率

時鐘頻率又稱主頻，它是指CPU內部晶振的頻率。它反映了CPU的基本工作節拍。時鐘頻率的常用單位為兆赫（MHz）。

4，機器周期

一個機器周期由若干個時鐘周期組成。在機器語言中，使用執行一條指令所需要的機器周期數來說明指令執行的速度。一般使用CPU類型和時鐘頻率來說明計算機的檔次。如Pentium III 500等。

5，運算速度

運算速度指計算機每秒能執行的指令數。單位有MIPS（每秒百萬條指令）、MFLOPS（每秒百萬條浮點指令）。

6，存取速度

存取速度是指存儲器完成一次讀取或寫存操作所需的時間，稱為存儲器的存取時間或訪問時間。

7，存儲周期

連續兩次讀或寫所需要的最短時間，稱為存儲周期。對于半導體存儲器來說，存取周期大約為幾十到幾百毫秒之間。它的快慢會影響到計算機的速度。

8，存儲器容量

內存儲器容量即內儲存器能夠存儲信息的字節數。

外存儲器是可將程序和數據永久保存的存儲介質，其容量是無限的，如硬盤。

U盤已是微機系統中不可缺少的外部存儲設備。

9，內、外存儲容量的常用單位

①位/比特（bit）：這是內存中最小的單位，二進制數序列中的一個0或一個1就是一比特。在電腦中，一個比特對應著一個晶體管。

②字節（B，Byte）：是計算機中最常用、最基本的存在單位。一個字節等于8個比特，即1 Byte = 8 bit。

③千字節（KB，KiloByte）：電腦的內存容量都很大，一般都是以千字節作單位來表示。1 KB = 1024 Byte。

④兆字節（MB，MegaByte）：上世紀90年代流行的微機硬盤和內存等一般都是以兆字節（MB）為單位。1MB= 1024KB。

⑤吉字節（GB，GigaByte）：市場流行的微機的硬盤已經達到430GB、640GB、810GB、1TB等規格。1GB= 1024MB。

⑥太字節（TB，Terabyte）：1TB=1024GB。最新有了PB這個概念，1PB=1024TB。