什么是计算机硬件

1．计算机硬件概念

计算机硬件（Computer Hardware）是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础，承担着计算机实现数据加工、数据存储、数据传送、操作控制等基本功能的相关工作。

根据冯·诺依曼的存储程序控制原理，计算机硬件主要由五大部件构成，它们分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。其中，运算器和控制器是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的主要组成部件，CPU和主存（内部存储器）和在一起称为主机，外存（外部存储器）和输入、输出设备以及其他外部辅助设备称为外设。图6．1．1为计算机硬件系统组成图。

2．计算机硬件系统的主要组成部件

前面介绍了计算机硬件系统的组成部分［1，2］，下面我们对每一部分给出简单描述。

（1）运算器

运算器是对数据进行加工处理和运算的部件，核心是加法器，主要由算术逻辑单元（Arithmetic and Logical Unit，ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。

图6．1．1　计算机硬件系统组成

运算器的操作和操作种类都由控制器决定，它在控制器的作用下与内存交换数据，负责进行各类基本的算术运算、逻辑运算和其他操作。运算器与控制器组成CPU的核心部分。

（2）控制器

控制器（Control Unit，CU）是整个计算机系统的指挥中心，主要功能是负责对指令进行分析，并根据指令的不同要求，有序地、有目的地向各个部件发出相应的控制信号，使计算机的各部件协调一致、有条不紊地自动工作。

控制器中包括一些专用的寄存器。它由程序计数器、指令寄存器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。

运算器和控制器是CPU的两大部件，此外CPU还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。CPU不仅是硬件系统的核心部件，也是整个计算机系统的核心部件。现代计算机把传统CPU包含的控制器、运算器、寄存器阵列等部件采用大规模集成电路工艺制成电路芯片，所以CPU芯片又称为微处理器芯片。

（3）存储器

存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，是用来存放程序和数据的部件。存储器按用途可分为主存储器、外存储器和Cache。

主存储器，简称主存，也称为内存储器，指主板上的存储部件，可以由CPU直接访问。主存存储速度快但容量较小，一般用来存放当前正在执行的数据和程序，一旦关闭电源或断电，数据就会消失。

外部存储器，简称外存，也称辅助存储器，通常指磁盘、U盘、磁带、光盘存储器等。CPU不能直接访问，它们一般设置在主机外部，存储容量大，价格较低，但存储速度慢，一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据，这些程序和数据会在需要时传到主存。好处是即使断电数据也不会消失，能够长期保存信息。

Cache是高速缓冲存储器，是设置在CPU和主存储器之间的一级存储器。Cache是为了满足当CPU速度提高时，访问存储器的速度和CPU的速度相匹配而增设的。它的存储速度比主存储器更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据。

（4）输入设备

输入设备（Input Device）主要用来完成信息的输入，将外界的图形、声音、文字、数字、编制的程序等数据信息输送到计算机中，并把它们转换成计算机内部可以识别和接收的信息方式。如键盘、鼠标、光笔、图像扫描仪等设备都属于输入设备。

（5）输出设备

输出设备（Output Device）主要用来完成信息的输出，将计算机处理的结果以图形、声音、文字、数字等人或设备可以识别的形式送出计算机。如显示器、打印机、绘图仪等设备均属于输出设备。

输入设备和输出设备简称I/O设备，是计算机和外界交互联系的桥梁。

图6．1．2为计算机硬件五大部件的工作原理图。

图6．1．2　计算机硬件系统工作原理图

（6）其他硬件设备

硬件系统中除了上述提到的五大组成部件外，还包括电源、主板、声卡、显卡、调制解调器、光驱、音响、风扇、机箱等，凡是看得见、摸得着的电子元件都属于计算机硬件设备，这些辅助硬件和计算机硬件的五大部分，相互协作，为人类提供更好的服务保证。