第1章计算机橛要与技术·7 1.3硬件概念入门 我们已经在上节通过程序揭示了计算机软件，在本节中我们将打开机箱盖学习其中的硬件。 任何一台计算机的基础硬件都要完成相同的基本功能：输人数据、输出数据、处理数据和存储数 据。本书的主题就是描述这些功能是怎样完成的，随后各章将分别讨论这四项任务。 本书在遇到重要知识点时，都会用“重点”标题加以强调，希望读者对其重点记忆。全书 大致有十多个重要知识点，这里是第一个，即计算机是由完成输人、输出、处理和存储数据任务 的五个部件构成的。 重点 组成计算机的五个典型部件是输入、输出、存储器、运算器和控制器，其中最后两个部件通 常合称为处理器。图1-4表示了一台计算机的标准组成。该组成与硬件技术无关，你总能够把任 何计算机（无论是现在的还是过去的)中的任何部件归于这五种之一。为了加深读者对这一重 点的印象，我们将在每章开始都给出此图。 偏译程序 接口 计算机 制器 运算器 性能评价 输出 处理器 存储器 图1-4组成计算机的五个典型部件 处理器从存储器中得到指令和数据，输入部件将数据写入存储器，输出部件从内存中读出数据，控 制器向运算器、存储器、输人和输出部件发出命令信号。 图1-5给出了一台计算机的照片，它带有键盘、无线鼠标和显示器。该照片展示了组成计 算机的两个关键部件：输入设备，如键盘和鼠标；输出设备，如显示器。输人是为计算机 提供数据，输出则是将计算结果反馈给用户。有些设备例如网络和硬盘，既有输人，又有 输出。 PDG 白输入设备(input device):为计算机提供信息的装置，如键盘和鼠标。 输出设备(output device):输出计算结果给用户或其他计算机的装置
8·第1章计算机概要与技术 第6章将详细介绍V0设备，这里我们先对计算机硬件做一些基本的介绍，由外部V0设备开始。 图1-5桌面计算机 液晶显示器(liquid crystal display,LCD) 是主要的输出设备，键盘和鼠标是主要的输 入设备，右边是一条以太网电缆，用于将笔 记本电脑连接到网络上。笔记本电脑包括处 理器、内存和额外的V0设备。该系统由 Machook Pro15英寸笔记本电脑连接到一台 外部显示器而构成。 1.3.1剖析鼠标 在参加一次计算机会议的演讲中，我产生了鼠标的概念。那个演讲者的演讲非常乏味，于是 我开始做白日梦，萌生了这个想法。 -—Doug Engelbart 通过计算机显示器，我将飞机降落在航空母舰的甲板上，观察到一个原子打到势阱中，乘着 火箭以接近光的速度飞翔，同时我了解到计算机最深层的工作原理。 一一Ivan Sutherland,计算机图形学之“父”，科学美国人，1984 虽然许多用户认为使用鼠标是理所当然的事情，但将鼠标作为指点设备的概念是由Dog Engelbart于1967年最先提出的。当时，他演示了他的样机原型。而所有工作站（包括Macintosh 和Windows操作系统)都使用鼠标作为指点设备的灵感则是始于1973年，由Alto提出。到了20 世纪90年代，所有桌面计算机都使用了鼠标，它成为了基于图形显示器的用户接口标准。 最初的鼠标是电动机械式的，用一个大球在平面上滚动，产生坐标x、y两个计数器增量， 每个增量显示鼠标移动了多远。 现在，电动机械式鼠标大多被光电鼠标取代了。光电鼠标实际上是一个小型的光处理器，使 用LED提供光源，带有一·个极小的黑白照相机和一个简单的光处理器。当LED照亮鼠标底下的 平面时，照相机以每秒1500次的采样频率将拍摄的照片连续地输送给光处理器。光处理器通过 对比照片，就可判定鼠标移动的方向和距离。电动机械式鼠标被光电鼠标所取代，说明了一个普 遍的现象：由于电子学可降低成本并提高可靠性，因此电子技术能够取代老式的机电技术。在稍 后我们还将看到另一个例子：闪存。 1.3.2显示器 最吸引人的/0设备应该是图形显示器了。所有的笔记本电脑、手持计算机、计算器、手机 和几乎所有的桌面计算机现在都用LCD°来获得轻巧、低功耗的显示效果。LCD并非光源，而是 PDG 日 液晶显示(liquid crystal display):这是一种显示技术，将液体聚合物的薄层带电或者不带电，来传输或者阻止 光线的传输
第1章计算机概要与技术·9 控制光的传输。典型的LCD内含棒状液态分子团，在不施加任何电压的情况下，液晶处于初始 状态，并将入射光的方向扭转90度，让背光源的人射光能够通过整个结构，在显示屏上呈现白 色；而当施加电压时，光线不再弯曲，显示屏呈现为黑色。今天，大多数LCD显示器采用一种 动态矩阵显示e(active matrix display)技术，其每个像素e（pixel)都有一个三极管精确地控制 电流，使图像更清晰。在彩色有源矩阵中，还有一个红一绿一蓝屏决定三种颜色分量的强度，·每 个点需要有三个三极管开关。 图像是由像素矩阵组成的，可由位图(bit map)来表示。根据屏幕的大小和分辨率，显示 矩阵的大小范围为从640×480像素到2560×1600像素（2008年)。彩色显示器上的每色可用8 位表示，每像素用24位，可表示几百万种不同的颜色。 支持图像的计算机硬件主要是光栅刷新缓冲（raster refresh buffer),或帧缓冲（frame buff ),用于保存位图。屏幕上的图像实际上保存在帧缓冲中，每个像素的位元模式以指定的刷新 速率逐个读出并发送到显示器上。图1-6给出了一个简化的帧缓冲，其每个像素只有4位。 帧缓冲 光福扫描CRT显示 001 Yo 10 X X Xo X 图1-6左边帧缓冲中每个坐标点决定了右边光栅扫描CRT显示中对应点的色度 像素(X,Y）的位元模式为0011，相对于像索(X1,Y,)的位元模式1101来说更亮一些。 位图的目的是忠实地将图像在屏幕上复现出来，其难点在于人眼能精确发现屏幕上任何细 微的变化。 1.3.3打开机箱 如果打开计算机机箱，我们会看到吸引人的薄塑料底板，上面有几十个灰色或黑色的长方 块。图1-7显示了图1-5中笔记本电脑的内部，图中上部是主板°，前面是两个磁盘驱动器（左 边是硬盘驱动器，右边是DVD驱动器)，中间的空间用于存放笔记本电脑的电池。 主板上那些小的长方块是集成电路⑧(integrated circuit),俗称芯片（chip)。主板由三部分 组成：连接前面提到的各种/0设备的电路、内存和处理器。 内存®是程序运行时的存储空间，它同时也用于保存程序运行时所使用的数据。图1-8给出 了内存的照片，其中每个内存由8片集成电路构成。图1-8中的内存由多片DRAM芯片组成， 被用来承载程序的指令和数据。与串行访问内存（如磁带）不同的是，无论数据存储在什么位 置，DRAM访问内存所需的时间基本相同。 曰动态矩阵显示(active matrix display)：一种液晶显示技术，使用晶体管控制单个像素上光线的传输。 像素(pixl):图像元素的最小单元。屏幕是由成千上万的像素组成的矩阵而形成。 板(m):包含一组集成电路芯片的塑料板，包括处理器、cahc、内存以及连接V0设备（网终。 硬盘等)的接口。 @集成电路(integrated circuit):也叫芯片，一种将几十个至几百万个晶体管连接起来的设备。 国内存(memory):程序运行时的存储空间，同时还存储程序运行时所需的数据。 ⑧DRAM(dynamic random access memory):动态随机访问内存，可随机访问任何地址的内存
10·第1章计算机概要与技术 硬盘 处理器带散热器DIMM电池插槽主板 带散热器DVD 驱动器 的风扇内存插槽 的风扇 驱动器 图1-7图1-5中笔记本电脑的内部 左下方具有白色标签的闪亮盒子是-个1O0 CB SATA硬盘驱动器，右下方那个闪亮的金属盒子则是DVD驱 动器。它们两个之间的洞是笔记本电脑电池的位置。电池洞上的那个小洞则是存储器DMM。图1-8是DMMs 的一个特写图， 它会从笔记本电脑的底层被插入。在电池洞和DVD驱动器的上方是-一个印制电路板(P℃ 板)，也被称为主板，它包含了计算机的大多数电子器件。本图上半部分的两个闪亮的圈是两个具有覆膜的风 扇。处理器就是左边风扇的下面的那个大的突起的矩形。本图版权属于OtherWorldComputing.com。 装题 图1-8打开笔记本电脑底部所看到的内存 PDG 主存在左边一块或多块小板子上，右边是存放电池的空间。DRAM安装在这些小板子（叫做DIMM, dual inline memory module,双列直插内存模块)上并插人连接器。本图片由OtherWorldComputing com提供
第1章计算机概要与技术·11 处理器是主板上最活跃的部分。它严格按照程序中的指令运行，将数字相加，测试结果，并 按结果发出控制信号使/0设备作出动作。处理器上面有风扇和散热器（见图1-7的左边)。有 时候人们把处理器称为中央处理器，即CPU。 为进一步理解硬件，图1-9展示了一款微处理器的内部细节。处理器从逻辑上包括两个主要 部件：数据通路和控制器，分别相当于处理器的肌肉和大脑。数据通路负责完成算术运算，控 制器负责指导数据通路、存储器和/0设备按照程序的指令正确执行。第4章将对数据通路和 控制器进一步详细说明。 HTHY.链路I慢速VO保险线 128-bit FPU 读取 L1数据 2MB 512KB 储 4 12t57 执 萄 L3ǖ（标 L2 型指 解 转移 北桥 > 核4 核3 HT PHY,链路4假速VO保险丝 图1-9 AMD Barcelona微处理器内部 左边是AMD Barcelona微处理器芯片的显微镜照片，右边是该处理器包含的主要模块。图中的芯片由4个处 理器构成，或称四核(core)处理器。而图1-7中笔记本电脑的每个芯片由2个核构成，称为Intel Core2Duo。 在处理器内部使用的是另外一种存储器一缓存⑧。缓存是一种小而快的存储器，一般作为 DRAM的缓冲。cache采用的是另一种存储技术，称为静态随机访问存储器(SRAM)⑧，其速度 更快而且不那么密集，因此价格更贵（见第5章）。 读者可能已经注意到，在软件和硬件的描述上有一个共同点：越是深入，展示的信息就越 多；反过来，将低层的细节隐藏起来，就可以在高层次描述上采用较简洁的模型。使用“分层” 或“抽象”⑧的方法，是设计复杂计算机系统的一种主要技术。 最重要的抽象之一是硬件和底层软件之间的接口。鉴于其重要性，该抽象被命名为计算机 的指令集体系结构⑧，或简称体系结构(architecture)。计算机体系结构包括了程序员正确编写二 进制机器语言程序所需的-一切东西，如指令、V0设备，等等。一般来说，操作系统需要封装VO 操作、存储器分配和其他低级的系统功能细节，以便应用程序员无需在这些细节上分心。提供给 中央处理器单元(central processor unit):也被称为处理器，处理器是主板上最活跃的部分。它严格按程序中的 指令运行，将数字相加，测试结果，并按结果发出控制信号使/0设备动作等。 数据通路(datapath):是处理器中执行算术操作的部分。 目 控制器(control)：处理器中根据程序的指令，指挥数据通路、存储器和V0设备的部分。 缓存(cache memory):缓存是一种小而快的存储器，一般作为大而慢的存储器的缓冲。 国静态随机访问存储器(static random access memory):一种存储器的集成电路，但是更快，比DRAM集成度低。 因 抽象(abstraction):一种掩盖底层计算机系统细节的模型，为了方便构建复杂的系统，暂时(temporarily)是不 PDG 可见的。 ⊕ )指令集体系结构(instruction set architecture):也叫体系结构。是低层次软件和硬件之间的抽象接口，包含了需 要写机器语言程序正确运行的所有信息，包括指令、寄存器、存储访问和V0等