存储器测试设备

2.3　计算机系统组成

2.3.1　计算机系统的组成

计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。

（1）计算机硬件

硬件是指组成计算机的各种物理设备，也就是计算机中那些看得见、摸得着的实际物理设备。它包括五大功能部件，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，以及将它们组织成一个计算机系统的体系结构。

运算器与控制器合称为中央处理器（CPU），在早期的结构中，运算器与控制器曾是相对独立的两部分，如今，则将它们组织成一个整体，它是执行指令功能的核心部件，控制着数据流与信息流的操作；此外，它向计算机系统中的其他部件发出各种控制信息，收集各部件的状态信息，与其他部件交换数据信息，所以被称为中央处理器，是计算机硬件系统的核心。在微型机与其他应用大规模集成电路的系统中，常将CPU集成于一块芯片之中构成单片CPU。

存储器用来存放程序和数据，以及计算处理所获得的中间结果或最终结果。我们总是希望系统中的存储器容量大，存取速度高，但这往往是矛盾的。为此，常将存储器分为几级。可由CPU按地址直接访问的，称为主存储器（Memory），它速度较快，而容量有一定限制，目前多用半导体存储器构成。中央处理器和主存储器一起组成了所谓的主机部分，相应地又将主存储器称为内存储器。作为主存储器后援的一级称为辅助存储器，由于它位于主机范畴之外，又叫做外存储器。目前多采用磁盘或磁带构成外存，容量可以很大，但速度较主存慢。

从信息传送角度看，输入设备与输出设备可算作一类，输入设备是将数据输入主机，而输出设备是由主机向外输出数据，仅传送方向不同而已。有些设备既可以作为输入设备，也可以作为输出设备，因此常将输入与输出设备合称为I/O设备。由于它们在逻辑划分上也是位于主机之外，又称为外围设备或外部设备。磁盘与磁带一类的外存储器既属于存储系统的一部分，又可看成属于I/O设备范畴。

主机通过一组总线连接各种外围设备，在总线和各种外围设备之间还往往有一些起缓冲、连接作用的部件，称为I/O接口。主机及系统总线常是通用的，采用某种标准，如ISA、PCI等，但所连接的外围设备在数量与种类上是可变的。不同外设的功能与原理差别较大，因此通过不同的接口来屏蔽这些差异。

（2）计算机软件

软件是相对于硬件而言的。软件是为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和。软件通常分为系统软件和应用软件，系统软件包括计算机操作系统、计算机各种管理程序、监控程序、调试程序、编辑程序、数据库管理系统以及各种语言的编译程序或解释程序等。应用软件是为解决各种实际问题而设计的程序。

现代计算机都是硬件和软件结合的产物，硬件与软件是相辅相成的，硬件是计算机的物质基础，没有硬件就无所谓计算机；软件是计算机的灵魂，没有软件，计算机的存在就毫无价值；硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境，而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。实际上，硬件和软件在功能上并没有严格的分界线，因为某些功能既可以通过硬件完成，也可以用软件实现，例如一些专用程序可通过“固件”形式的硬件实现。因此在一个计算机系统中，软硬件各占多大比例，应视技术实现的难易、成本以及速度等因素而定。

本节将重点介绍计算机硬件系统的组成部分，关于软件部分的内容将在第3章详细介绍。

2.3.2　计算机的硬件结构

说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯·诺依曼。从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，德国科学家冯·诺依曼大胆地提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他提出预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

冯·诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照存储程序顺序执行。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。从第一台计算机ENIAC到当前最先进的计算机采用的都是冯·诺依曼体系结构，所以冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中；必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括输入数据和程序的输入设备、输出处理结果的输出设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器，运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

（1）运算器

运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、比较等）。

（2）控制器

控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。

CPU主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成，又称微处理器芯片。CPU的溯源可以一直追溯到1971年。在那一年，当时还处在发展阶段的Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004。这是第一个用于计算机的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器。4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，但是它毕竟是划时代的产品。随后从8086到80286、80386、80486一直到大家耳熟能详的Pentium处理器，CPU一直处于摩尔速度发展之中。

进入21世纪以来，CPU进入了更高速发展的时代，在市场分布方面，仍然是Intel与AMD公司两雄争霸，如今它们又推出了双核、四核等多核处理器，竞争焦点也从单一的主频等指标转向了体系架构、节能、多核等方面，竞争日益激烈。

双核以及多核处理器是目前CPU研发的热点，所谓双核处理器，简单地说就是在一块CPU基板上集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。双核心并不是一个新概念，而只是CMP（Chip Multi-Processors，单芯片多处理器）中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。CMP最早是由美国斯坦福大学提出的，其思想是在一块芯片内实现SMP（Symmetrical Multi-Processing，对称多处理器）架构，且并行执行不同的进程。早在20世纪末，惠普和IBM就已经提出双核处理器的可行性设计。IBM在2001年就推出了基于双核心的POWER4处理器，随后是Sun和惠普公司，先后推出了基于双核架构的UltraSPARC以及PA-RISC芯片，但此时双核处理器架构还都是在高端的RISC领域，直到Intel和AMD相继推出自己的双核处理器，双核心才真正走入了大众应用的微机领域。如今，Intel和AMD又已经推出了四核处理器产品。

（3）存储器

存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息，包括原始的输入数据、经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且，指挥计算机运行的各种程序，即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种。

图2-3　Intel酷睿2双核E8300处理器

①内存储器。微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。从使用功能上分，有随机存储器（Random Access Memory，RAM），又称读写存储器；只读存储器（Read Only Memory，ROM）。

随机存储器有以下特点：可以读出，也可以写入。读出时并不损坏原来存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容。断电后，存储内容立即消失，即具有易失性。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。DRAM的特点是集成度高，主要用于大容量内存储器；SRAM的特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。

只读存储器是只读存储器。顾名思义，它的特点是只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是采用掩膜技术由厂家一次性写入的，并永久保存下来。它一般用来存放专用的、固定的程序和数据，不会因断电而丢失。

②外存储器。计算机的存储器由两部分组成——内存储器和外存储器。内存储器最突出的特点是存取速度快，但是容量小、价格贵；外存储器的特点是容量大、价格低，但是存取速度慢。内存储器用于存放那些立即要用的程序和数据；外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。内存储器和外存储器之间常常频繁地交换信息。需要指出的是，外存储器也属于输入输出设备，它只能与内存储器交换信息，不能被计算机系统的其他部件直接访问。外存储器主要有磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器。磁盘是最常用的外存储器，它通常分为软磁盘和硬磁盘两类。

（4）输入设备

输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。常见的输入设备有鼠标、键盘、触摸屏、语音识别设备、图形识别器、摄像设备和光阅读机等。

（5）输出设备

输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。常用的输出设备有打印机、绘图仪、显示终端、音响设备、大屏幕等。