指令在存储器中的存放顺序

一、计算机硬件系统的基本组成及其功能

根据冯·诺依曼的理论，经典的冯·诺依曼计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成。其中运算器又被称为算术逻辑单元 (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、异或、比较等); 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; 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; 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; 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。

随着计算机技术的不断发展，计算机硬件系统的基本组成虽没有发生根本性的改变，但是其外在表现出现了一些变化，如运算器与控制器集成为中央处理器等 (当前的中央处理器甚至还包含部分存储器)。因此，本书从“中央处理器—存储系统—输入和输出设备”的角度对计算机硬件系统的基本组成及其功能进行介绍。

1. 中央处理器概述

(1) 中央处理器的功能。

中央处理器，即CPU (Central Processing Unit的缩写)。CPU是计算机的核心配件，负责计算机所有操作的指令读取、译码和执行。CPU具有以下4个方面的基本功能:

①指令顺序控制

这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机工作的正确性。

②操作控制

一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

③时间控制

时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。

④数据加工

数据加工是指对数据进行算术运算和逻辑运算或进行其他的信息处理。

(2) 中央处理器功能的实现过程。

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令 (指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数本身)，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。具体包括以下步骤:

①提取。

提取是指从存储器或高速缓冲存储器中检索指令 (为数值或一系列数值)。由程序计数器 (Program Counter) 指定存储器的位置 (程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹)。

提取指令之后，程序计数器根据指令长度增加存储器单元。指令的提取必须常常从相对较慢的存储器寻找，因此导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。

②解码。

CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构 (ISA) 定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码 (Opcode)，其指示要进行哪些运算。其他的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法 (Addition) 运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值 (即立即值)，或是一个空间的定址值: 暂存器或存储器位址，以定址模式决定。在旧的设计中，CPU里的指令解码部分是无法改变的硬件设备。不过在众多抽象且复杂的CPU和指令集架构中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写，方便变更解码指令。

③执行。

在提取和解码阶段之后，紧接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。

例如，要求一个加法运算，算术逻辑单元 (Arithmetic Logic Unit，ALU) 将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。ALU内含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算 (比如，加法和位元运算)。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里可能会设置运算溢出 (Arithme-tic Overflow) 标志。

④写回。

写回是指以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其他案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体中。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果。这些一般称作“跳转”(Jumps)，并在程式中带来循环行为、条件性执行 (透过条件跳转) 和函式。许多指令会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可借由随后跳转指令来决定程式动向。在执行指令并写回结果之后，程序计数器值会递增，重复整个过程，下一个指令周期正常地提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令位置，且程序继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC管线”，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及 (常称为微控制)。

2. 存储系统概述

(1) 存储器的作用。

计算机真正工作的场所就是在主存 (内存)。所有系统的驱动程序、操作系统、工作数据、成品/半成品应用程序等都必须先加载 (Load) 到内存才能由CPU读取。尤其对Win-dows或比较大型的程序，要求的内存更多。

现代计算机系统中的存储系统的存储结构是多层次的，除了主存外，高速缓存、辅助存储器在计算机系统中都起着非常重要的作用。高速缓存的速度比主存储器快，作为CPU与内存的缓冲区，主要起到平衡CPU与主存之间的速度的作用，有效地解决CPU速度与主存速度的不平衡问题。辅助存储器 (如硬盘、软盘) 也被称为外存，用来存放暂时不参与运行的程序和数据以及永久存储信息。辅助存储器的容量很大，但存取速度慢，且不能为CPU直接访问，必须先将信息调入主存后，才能为CPU所访问。

(2) 存储器的分类。

由于存储器在计算机系统中具有举足轻重的地位，所以，存储器的发展是相当快的。不但存储容量不断增大、存取速度不断提高，而且存储器的种类也不断增多。根据存储器的存储介质、存储方法以及存储器在计算机中作用划分的不同，相应地有各种存储器的不同分类。

①按存储器件和存储介质进行分类。

构成存储器的存储器件与存储介质有很多。磁芯、半导体、光电材料、磁膜、磁泡和其他磁性材料都曾用来构造存储器。20世纪50年代的存储器介质主要是磁芯，20世纪70年代则主要由半导体材料代替，近年来光存储器的发展也很迅猛。目前主要采用的存储器介质主要是以半导体器件、磁性材料为主。双稳态半导体电路和CMOS晶体管以及磁性材料的存储元均可以存储一位二进制代码 (0或1)，所以都可以用作存储器构件。用半导体器件构成的存储器称为半导体存储器。半导体存储器的种类也是很多的，如各种随机存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器 (Read Only Memory，ROM)、可编程只读存储器 ( Programmable ROM，PROM)、可擦写存储器 ( Erasable Programmable ROM， EPROM)、闪速存储器 (Flash Memory) 以及电可擦只读存储器 (Electronic Erasable Pro-grammable Read Only Memory，EEPROM) 等都属于半导体存储器。现在几乎所有的计算机主机板和插卡及其他设备都有它们的ROM，主要是记录一些控制程序和协议等，也有各自的RAM来储存资料。而通常说到的计算机内存就多指系统的RAM，早期的RAM都是直接焊接在主机板上面的，而现在RAM已经模块化成为单列直插存储模块 (Single In-line Memory Module，SIMM) 和双列直插存储模块 (Dual In-line Memory Module，DIMM)，更灵活于扩充或更换。

用磁性材料构成的存储器称为磁表面存储器，磁表面存储器是在金属或塑料载体上均匀地涂抹一层磁性材料，利用该磁层存储信息，日常所用的磁盘和磁带等都属于磁表面存储器。磁表面存储器的容量大、价格低，但访问速度慢，一般用作辅助存储器作用。

光存储器是一种利用激光技术进行访问的存储器，如今经常用到的CD－ROM (只读光盘)、MO (可读写光盘)、WORM (一次写入、多次读出光盘) 都属于光存储器。这类存储器的容量很大，但访问速度也慢，一般也作为辅助存储器使用。

存储器的实际存取速度取决于构成存储器的存储介质物理状态的改变速度。

②按存取方式分类。

对存储器的存取方式是很多的，如顺序存取、随机存取、直接存取、关联存取等。如果可以随机地、个别地对存储器中的任何存储单元进行存取，这种存储器被称为随机存储器(RAM)。计算机内存就多指系统的RAM。如果在读取存储器的内容时，只能按照一定的顺序存取，即存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器就被称为顺序存储器。磁带就是一种典型的顺序存储器。直接存取则介于随机存取和顺序存取之间，如磁盘就是一种直接存取存储器。在存取信息时，磁盘需要完成两个逻辑操作，首先直接指向整个存储器的某一区域 (磁道或磁头)，然后对所指向的区域按顺序存取。关联存取存储器是一种随机存取存储器，通过在一个字中比较所要的位置进行特定地匹配，并且能同时在所有字中进行。换句话说，关联存取存储器是按内容访问 (而不是按地址访问) 的存储器，它将存储单元所存内容的某一部分作为检索项 (称为关键字项) 对存储器进行检索，然后对存储器中与检索内容相符的存储单元内容进行读出或写入。

③按物理特性分类。

不同的存储器的物理特性也不尽相同，有些存储器只能短暂存储信息，时间长了或掉电就会丢失信息; 有些存储器则可以长久保存信息，即使掉电也不会导致信息丢失。从这种角度分，存储器可以分为易失性存储器和非易失性存储器。随机存储器 (RAM) 属于易失性存储器，只有加电信息才能保存，掉电则会使信息丢失; 只读存储器 (ROM) 则属于一种非易失性存储器，即使掉电也不会丢失，因此，计算机主板上用于保存系统信息的BIOS就是采用非易失性存储器。另外，随着存储器技术的不断发展，只读存储器也出现了不同的种类。根据存储内容能否擦除，存储器又分为可擦存储器和不可擦存储器。如掩模式只读存储器和一次编程只读存储器 (PROM) 就是不可擦存储器，其中的数据只能读出，不能改变;而EPROM和EEPROM则是可擦存储器，可以反复擦除和向其中写入信息。

④按存储位置分类。

现代计算机系统中的存储器是一个多层次的存储器系统。不同的存储器分布在计算机系统中不同的地方，起着不同的作用。可以据此将存储器分为高速缓存、主存 (内存) 和辅存 (外存)。现今的高速缓存已经集成到CPU内部，其容量最小，每位价格高，但速度很高，接近于CPU的处理速度; 主存的存取速度仅次于高速缓存，容量较大，每位价格也比较高; 辅存的速度最慢，但容量最大，单位存储容量价格最低。这几种存储器在计算机中各自担负不同的职责，都发挥着非常重要的作用。

(3) 存储器的主要性能指标。

存储器的性能对计算机系统的性能有很大的影响。从用户的观点看，存储器最重要的性能指标就是存储器的容量和性能。

①存储容量。

存储容量指存储器能够存储的二进制信息的数量。内存的存储容量通常以字节 (Byte)或字 (Word) 为单位，外存的存储容量通常以字节为单位。字节是一个很小的度量单位 (1字节=8位二进制信息)，因此为了表示的方便，又引入了比字节更大的度量单位，如千字节 (Kb)、兆字节 (Mb)、吉字节 (Gb)、特字节 (Tb) 等。

②存取速度。

存取速度也是反映存储器性能的重要参数之一。CPU对存储器的操作有读和写两种，从存储器中提取信息的操作称为读操作，将信息写入存储器的操作称为写操作。存取操作的时间越短，则单位时间内CPU与存储器交换的信息就越多，这一方面有利于平衡CPU与存储器的速度差异，另一方面有利于计算机数据处理速度的提高。主存的存取速度通常用存取时间、存取周期来衡量。

存取时间又称为访问时间或者读/写时间，是指启动一次存储器读 (或写) 的命令到存储器完成读 (或写) 操作所需的时间。例如，从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始，到存储器中所需要的内容完全读出所需的时间是读出时间; CPU向存储器发出有效地址开始，到要写入的信息完全写入存储器中所需要的时间是写入时间。存储器的存取时间越小，存储速度越快。目前大多数计算机的存取时间都是以纳秒 (Nanoseconds，简记为ns) 为单位，1ns相当于光线穿越11.72英寸[1]所需的时间。并且随着存储器技术的进一步发展，存储器的存取时间越来越低，存取速度越来越快。存取周期又称为读/写周期或访内周期，是指从接收到地址到实现一次完整的读出和写入数据的时间，是存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。计算机的运行速度与存储器的存取周期有着直接的关系，因此它是存储器的一项重要参数。在一般情况下，存取周期越短，计算机运行的速度才能越快。半导体双极型存储器的存取周期一般为几至几百纳秒，MOS型存储器的存取周期一般为十几至几百纳秒，目前常用的存储芯片的存取周期为120～200ns。

一个存储器系统的存取周期不仅与存储器芯片的存取周期有关，而且还与存取路径中的缓冲器以及地址/数据线的延时有关，往往是三者之和。目前SDRAM内存条的存取周期不尽相同，PC－100内存条为8～12ns，PC－133内存条为7ns，反映出存取速度相当高。但随着存储器技术的进一步发展，存储器的存取周期还将进一步下降。例如，采用DDR (Doub-le Data Rate，DDR) 技术的存储器的存储周期更低，因而存取更快。

③传输率。

传输率是指数据存入存储器或从存储器读取出的速率。随机存储器的传输率为存取周期的倒数。例如，前述PC－100内存条和PC－133内存条的传输率分别可以达到125～83MHz和143MHz。

④可靠性。

可靠性是指存储器对电磁场、温度变化等因素造成干扰的抵抗能力 (也称为电磁兼容性) 以及在高速使用时也能正确地存取 (称为动态可靠性)。半导体存储器采用大规模集成电路工艺制造，内部连线少，体积小，易于采取保护措施。与相同容量的其他类型存储器相比，半导体存储器抗干扰能力强。

⑤集成度。

实际用的存储器 (如内存条) 往往由若干存储器芯片扩展而成。存储器芯片的集成度越高，构成相同容量的存储器的芯片数就越少。半导体存储器的集成度是指在一块数平方毫米芯片上所制作的基本存储单元数，常以“位/片”表示，也可以用“字节/片”表示。MOS型存储器的集成度高于双极型存储器，动态存储器的集成度高于静态存储器，这也是动态存储器普遍用作微型计算机主存储器的原因。

⑥功耗。

半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，但是散热不容易，因此在保证速度的前提下应尽量减小功耗。功耗反映了存储器件的耗电情况以及发热程度，功耗越低，存储器的工作状态越稳定。一般而言，MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器。

(4) 存储器的组成。

①存储体。

存储体由众多存储元构成，是存储信息的场所。存储体中的各存储元通常组成一定的结构，一般是组织成二维矩阵的形式。对存储体中某个具体存储元的访问则是根据接入存储体的X选择线 (行线) 和Y选择线 (列线) 来选中。较大容量的存储器一般将各个字的同一位组织在一个集成片中，多个同样的存储片再组织成多位的存储器。

②地址译码电路。

地址译码电路用于将从地址线送来的地址信号翻译成对应存储单元的选择信号。其中输入的信息来自CPU的地址寄存器。地址寄存器用于存放要访问的存储单元的地址。CPU要对某一存储单元进行读写时，就在地址总线上输出该存储单元的地址信号。地址信号经地址译码器将二进制代码转换成译码器输出端的高电位，以驱动相应的读写电路，从而选择所要访问的存储单元。

③驱动器。

在双译码结构中，每条X方向的选择线要驱动一条字线上的所有存储元电路，电容负载很大。因此，为了能够驱动挂在X方向选择线上的所有存储元电路，必须在译码后增加一个驱动器。

④I/O电路。

I/O电路处于数据总线和被选用的单元之间，用于控制被选中的存储单元读出或写入，该电路兼有信息放大作用。

⑤片选与读/写控制电路。

目前每一片的存储容量终究还是有限的，所以，一个存储体总是要由一定数量的存储芯片组成。在进行地址选择时，首先要选片，用地址译码器输出和一些控制信号形成片选信号(记为CS)，只有当CS有效选中某一片时，此片所连的地址线才有效，才能对这一片上的存储单元进行读或写的操作。究竟对存储芯片是读还是写，这一任务由读/写控制电路来完成。

⑥输出驱动。

为了扩展存储器的字数，常需将几片RAM的数据线并联使用; 或与双向的数据总线相接。这就需要用到集电极开路或三态输出缓冲器。上述几部分是SRAM存储器的基本组成，也是其他存储器的主要组成部分。在有些RAM中为了节省功耗，采用浮动电源控制，对未选中的单元降低电源电压，使其还能维持信息，这样可降低平均功耗; 在动态MOS型RAM中，还有预充、刷新等方面的控制电路。在存储器的组成部件中，存储体是核心，其余各部分是存储体的外围线路，这些外围线路都是为存储体服务的，以便准确、高效地读/写存储器中的数据。

3. 输入和输出系统概述

计算机的输入、输出系统简称为I/O系统。一个计算机系统的综合能力、可扩展性、兼容性和性能价格比，都与I/O系统有密切的关系。I/O系统是计算机系统中最具有多样性和复杂性的部分。

(1) 输入设备。

输入设备是外部向计算机传送信息的装置。其功能是将数据、程序及其他信息，从人们熟悉的形式转换成计算机能接受的信息形式，输入到计算机内部。计算机的输入设备按功能可分为下列几类:

一是字符输入设备: 键盘。

二是光学阅读设备: 光学标记阅读机、光学字符阅读机。

三是图形输入设备: 鼠标器、图形板、(电子游戏机中的) 操纵杆。操纵杆是将纯粹的物理动作 (手部的运动) 完完全全地转换成数学形式(一连串0和1所组成的计算机语言)。

四是图像输入设备: 摄像机、扫描仪、传真机、数字相机。

五是模拟输入设备: 模数转换器 (模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件)。

下面对常见的几种输入设备做简单介绍:

①键盘。

键盘按其结构原理可划分为触点式键盘和无触点式键盘，其中，触点式键盘利用机械触点的分离与闭合判断电路的通断，由于磨损、氧化等易产生接触不良等故障; 无触点式键盘通过按键上下运动使电容的电量发生变化，达到检测开关的通断，不存在磨损和接触不良等问题，且密封组装有防尘特性。

键盘按其与主机通信信息可划分为编码键盘和非编码键盘，其中，编码键盘就是当某个键被按下后，能够提供一个与之相对应的编码信息，功能全部由硬件完成; 非编码键盘是用较为简单的硬件和专用的程序来识别被按键的位置，提供一个与位置相对应的中间代码(扫描码)，然后又专用软件将其转换成规定的编码，即功能由软件完成。

②鼠标器。

鼠标器是指控制计算机显示器上光标移动的输入设备。一般有两种接口方式，即PS/2接口和USB接口方式。其特点是快速、精确地光标定位，优良的人机交互。鼠标可以分为机电式鼠标和光电式鼠标，其中机电式鼠标是由一个外涂橡胶的钢球，两对发光、光电管和栅轮组成，进行代表X、Y方向的定位和测距从而完成光标定位; 光电式鼠标则没有机械滚动部分，代之以两对互为直角的光电探测器，分别代表X、Y方向进行光标的定位。在操作系统中安装鼠标器的驱动程序，就可在系统中配置使用鼠标器。IBM－PC机，通过软中断INT33H调用鼠标器驱动程序，可进行的操作有鼠标器初始化、开始显示光标、停止显示光标、读光标位置与按钮状态、设置光标位置、读鼠标位移量等。

③扫描仪。

扫描仪是把图形图像和字符变为二进制图像数据的计算机输入设备。扫描仪可以分为台式、手提、黑白和彩色等不同类型，其主要技术指标包括分辨率、扫描幅面以及扫描速度。配有专用软件的扫描仪可以把图形、图像和文字、字符变为二进制图像数据存入计算机存储器，同时还可通过显示器将输入的图形、图像显示出来。其接口有并行口和SCSI接口两种形式。

④数字相机。

当想把一幅美丽的风景变成计算机能够处理的图像，传统的处理过程是: 通过使用胶片相机把风景拍摄下来，冲成照片，再通过扫描仪把照片扫描成计算机能够处理的图像。现在，有了数字相机，这一系列工序变得简单多了，当数字相机把某个风景拍摄下来时，它已经是计算机能够处理的图像了。

数字相机与扫描仪类似，采用数千个微小的光传感器将反射光转换为电脉冲。数字拍摄时，数字相机的镜头和普通胶片相机一样打开，但在相机后面接受反射光的不是基于卤化银的胶卷，而是一个布满成千上万个光敏晶体管的微型芯片，这些晶体管就是著名的电荷耦合设备CCD，将光转换成电脉冲，光线越强，电荷量越大。CCD可以把亮度分级，但并不认识颜色。和所有的数字设备一样，这些产品通过把三个基本色混合到一个像素来产生自然的彩色。为了做到这一点，数字相机必须分三次来完成一幅彩色相片。

数字相机用三个彩色滤色镜来为CCD提供合适的光线: 红色、绿色、蓝色。对每一种颜色，数字相机存储8位颜色信息 (即256种颜色)，这样每个像素经过三次拍摄，最后可以达到24位的颜色信息 (即1670万种颜色)，这个数值远远超过了人眼能够分辨的颜色数量。CCD的精度决定了最高分辨率，这是选购数字相机时就应考虑的一个重要参数，当然镜头的质量和图像处理技术也是一个重要的性能指标。

一旦按下快门，镜头和CCD完成了相应的感光工作，最后的彩色图像便以压缩图像的格式存放在数字相机的存储器里。一个专门的压缩芯片 (通常采用标准的JPEG压缩方法)使原始位图图像压缩到只有原来大小的几十分之一甚至更小，然后数据存入数字相机的存储器里。大多数字相机允许用户设置图像质量，至少有两种: 高质量和低质量。高质量相片通常可达到800×600像素甚至更高。一般的数字相机只能存放有限的高质量图像，通常只有几十张，这主要是由数字相机存储器的大小决定的。如果是存储低质量的图像照片，那么可以存储上百张或几百张。

除了以上设备外，计算机的输入设备还包括数字摄像机、汉字识别系统、语言识别系统、条形码、光笔、图形板和触摸屏等输入设备。

(2) 输出设备。

输出设备是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。输出设备的功能是将计算机内部二进制形式的信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。常见的输出设备有打印机、显示器、绘图仪、数/模转换器、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。有的设备兼有输入、输出两种功能，如磁盘机、磁带机等，它们既是输入设备，也是输出设备。在多媒体计算机系统中，录像机、VCD、DVD、语音输入、语音输出等均是输入输出设备。

①显示器。

显示器是计算机系统中最基本的输出设备之一，分为CRT显示器、液晶显示器和等离子显示器。显示器的性能指标主要包括屏幕尺寸、点间距、对比度、帧频、行频、扫描方式、灰度等级和彩色数量。其中屏幕尺寸为显示器屏幕的对角线长度; 长宽比例一般为4∶3或16∶9; 点间距为显示器屏幕上像素间的距离; 颜色数为每个像素点可显示的颜色数 (灰度级); 对比度为图像 (字符) 与背景的浓度差; 帧频为字符或图像每秒在屏幕上出现的次数; 行频为单位时间内电子束在屏幕上从左到右的扫描次数; 扫描方式为电子束扫过荧光屏上所有像素的方式，分隔行和逐行扫描方式。

②打印机。

打印机可按照接口、打印方式和字形等分为不同类型。主流的分类方式是按照打印机的工作原理进行分类，具体分为点阵打印机、激光打印机和喷墨打印机三类。

点阵针式打印机的特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低，字符种类不受限制，较易实现汉字打印，还可以打印图形和图像。针式打印机的印字方法是由打印针印出的n (横) ×m (纵) 个点阵组成字符图形。显然，点越多，印字质量越高，西文字符的点阵通常有5×7，7×7，7×9等几种，若要打印汉字至少要加密到16×16点阵或24×24点阵。值得注意的是，字符由n×m个点阵组成，并不意味着打印头就装有n×m根打印针。为减少打印头制造的难度，串行点阵打印机的打印头中一般只装有一列m根打印针，每根针可以单独驱动，即印完一列后打印头沿水平方向移动一步微小距离，n步以后，形成一个n× m点阵，照此逐个字符打印。针式打印机有单向打印和双向打印两种。当打印完一行字符以后，打印纸在输纸机构控制下前进一行，同时打印头 (字车) 回到一行的起始位置重新由左至右打印。这个过程为单向打印。双向打印指的是自左至右一行字符打印完毕后，字车无须回车，在输纸的同时字车走到反向打印的起始位置再从右至左打印一行。反向打印结束，字车又回到正向打印起始位置。由于省去了空回车时间，所以打印速度大大提高。打印头是针打的关键部件，它由打印针、磁铁、衔铁等组成。打印针是钢针或由钨铁合金材料制成，简易型点阵打印机有7根或9根打印针，在打印位置垂直排列。有的打印头有两列各7根或9根针交错排列，可以同时打印两列点阵。中文打印机LQ1600有两排共24根针。打印控制器与显示控制器类似，主要包括字符缓冲存储器、字符发生器、时序控制电路和接口电路四部分。主机将要打印的字符通过接口电路送到缓冲存储器，在打印时序逻辑控制下，从缓存中顺序取出字符代码，对字符代码进行译码，得到字符发生器ROM的地址，逐列取出字符点驱动打印头，形成字符点阵。输纸机构由步进电动机驱动，每打印完一行字符，要按给定的要求走纸，走纸的步距由字符行间距离决定。输纸机构有摩擦传动输纸和链式传动输纸两种。摩擦传动输纸机构的印纸两侧没有孔，靠压轮带动纸前进。链式传动输纸机构将打印纸的纸孔套在链轨上，链带动打印纸前进。色带的作用是供给色源。打印过程中，色带必须不断移动，以改变其受击打的位置，否则色带极易破损。驱动色带不断移动的装置被称为色带机构。针式打印机中使用的多为环形色带，它装在一个塑料的带盒内，色带可以随打印头的动作自动循环。针式打印机打印时，驱动的仅仅是质量很小的打印针，惯性小，速度快。选字操作是全电子线路控制，所以选字时间很短。串行针式打印机的打印速度为每秒100个字符左右。彩色针式打印机的工作原理与单色的基本相同，仅是使用的色带和色带机构不同，色带为四色带，在一条色带上平行地分为黑、蓝、红和黄4种颜色。打印时，色带机构既要带动带做单向循环移动又要带动带盒做上下位移，变换打印头所接触的色带部位，从而打出不同颜色。虽然色带上只有4种颜色，但可打印两次，从而可获得7种颜色 (黑、蓝、红、黄、紫、橙、绿)。

激光打印机的主要部件包括墨粉、感光鼓 (硒鼓)、显影轧辊、显影磁铁、初级电晕放电极、清扫器等，都装置在墨盒内。当墨盒内墨粉用完后，可以将整个盒卸下更换。其中感光鼓一般是用铝合金制成的一个圆筒，鼓面上涂敷一层感光材料。激光发生器是激光打印机的光源，具有很好的单色性和方向性。可以聚焦成细的光束，激光束通过扫描反射镜反射到感光鼓上。打印的图像形成于墨盒中央的感光鼓上，墨粉由显影轧辊传送到鼓上，再传送到打印纸上，最后墨粉由定影轧辊熔融到打印纸上。感光鼓的直径较小，要打印一页纸，感光鼓必须转动好几圈。激光印字过程可以分成带电、曝光、显影、转印、定影和清除残像六个步骤。激光打印机输出速度快，印字质量高，而且可以使用普通纸张。它的印字质量明显优于点阵式打印机。普通激光印字机的印字分辨率都能达到300DPI (每英寸300个点) 或400DPI，甚至600DPI。特别是对汉字或图形/图像输出，是理想的输出设备。激光打印机是非击打式硬拷贝输出设备，也是逐页输出的。常用的输出幅面为A4，因此也将这一类设备称为页式输出设备。而普通击打式打印机是逐字或逐行输出。页式输出设备的输出速度用每分钟输出的页数 (Pages Per minute，PPM) 来表示。高速激光打印机的速度在100PPM以上，中速为30～60PPM。它们主要用于大型计算机系统。低速激光打印机的速度为10～20PPM，主要用于办公自动化系统和文字编辑系统。打印设备与计算机之间的接口比较简单分为串行接口和并行接口两种。串行接口采用标准的RS－232接口，每次输出一位数据。并行接口每次输出一个字节数据。

喷墨打印机是类似于用墨水写字一样的打印机可直接将墨水喷射到普通纸上实现印刷，如喷射多种颜色墨水则可实现彩色硬复制输出。喷墨打印机的喷墨技术有连续式和随机式两种，目前币场上流行的各种型号打印机大多采用随机式喷墨技术。而早年的喷墨打印机以及当前输出的大幅面打印机采用连续式喷墨技术。

③声卡。

随着现在电脑技术的飞速发展，声卡已经成为多媒体电脑不可缺少的部分: 玩游戏、语音输入、打IP电话等，每一样都少不了它。声卡的关键技术包括: 数字音频、音乐合成、MIDI和音效。数字音频部分包括44.1KHz的频率采样和以16位的分辨率录制和播放声音信号，还包括声音信号的压缩方法。一般采用自适应脉冲码调制法 (ADPCM)。音乐合成主要有FM合成和波形表和成法。音效是近年来集成电路工业中数字声音信号处理技术的结晶，它从硬件上实现了回声、和声等，使得声卡发出的声音更生动。

现在的声卡一般都具有Line-in、Lin-out、MIC、SPEAK、游戏杆/MIDI五个接口和三个连接器。Line-in用来连接其他外部声源，如微型CD播放器、调协器、数字录音机 (DAT)等，进行播放或录音; Line-out连接的是我们常见的有源音箱; MIC专门用于连接外接语音输入话筒 (麦克风); SPEAK用来连接无源音箱或功率很小的音箱; 游戏杆/MIDI专门用来连接游戏操纵杆或数字电声乐器MIDI设备; CD源连接器 (CD Audio Interface) 用于连接光驱尾部的四针连接器，从而实现在播放CD时，将光驱的音频输出信号直接送往声卡，并通过声卡对该信号进行处理后再输出; PC喇叭连接器用于连接主板上的PC喇叭; CD－ROM驱动器接口用于连接光驱。

④光盘刻录机。

CD－ROM虽然解决了大容量数据的存取问题，可它只能读、不能写是其一大缺陷，因此刻录机便应运而生。刻录机包括只能一次写入的CD－R (CD Recordable) 和可有限次重复写入的CD－RW (CD ReWritable) 两种类型。CD－R型盘片可在CD－R驱动器和普通CD－ROM驱动器上使用，可广泛用于数据备份、数据交换、数据库分发、档案存储和多媒体软件出版等领域，但不能改写是其最大的缺点。CD－RW则可多次改写，市场上的最新的CD－ROM一般都支持CD－RW读取。按接口不同，刻录机又有IDE接口和SCSI接口之分。SCSI接口的刻录机速度快，性能好，但价格昂贵。随着技术的进步，IDE刻录机的性价比也逐渐提高。现在市场上的刻录机品牌主要包括理光、索尼、松下、飞利浦、奥林巴斯、Acer、Samsung及AOpen等。其产品也从早期的倍速写入发展到目前的8倍速、16倍速、32倍速。

选择刻录机时，不但要看速度、稳定性、兼容性、寿命、售后服务，还要看缓存大小。若缓存容量不足往往会导致缓存欠载运行 (Buffer Under Run) 错误而引起刻录过程中断，使CD－R盘片报废。缓存的容量应越大越好，一般的CD－R刻录机都采用了容量为1－2MB的缓存，Acer的CRW8432A更采用了8MB缓存。

二、计算机硬件发展趋势

随着计算机技术的不断发展和进步，计算机硬件出现了以下发展趋势:

1. 元器件互连

元器件的迅速发展引起其互连技术的急剧改变。因此元器件内部的互连以及系统级或体系结构级之间的互连技术都是至关重要的。元器件的发展使单位面积芯片所含的电路数量每三年增加4倍，门器件密度每三年增加2.5倍，而要求芯片尺寸每三年增加1.5倍。于是就促使了元器件互连技术的发展，其发展趋势是常规的TAB工艺 (在芯片周围的压焊区进行热压焊)，将受到未来要求更高的互连密度的限制，此时可用新的焊接技术 (如激光焊接)帮助TAB工艺。其次是在给定组装技术的条件下，最有竞争力的互连技术为倒焊法 (Flip Chip) 和自动载带焊接法 (TAB)。对于高引线数 (400～600根引线) 的互连，最流行的选择是倒焊法，它将更能满足未来互连技术的需要。

片式元器件 (SMC，SMD) 和表面安装技术 (SMT) 被国外誉为“组装技术革命”。它与传统的通孔插装元器件的插装技术相比，具有明显的高密度、高可靠性且适合电路高速度工作，易于使组装、生产自动化和降低生产成本等。对于未来具有多处理机或其他并行结构的高性能系统来说，要求系统级的互连具有高密度和短延时的特点。但在近期须采用某种形式的高宽频带的“开关”或总线技术。

促使计算机硬件系统前进的基本推动力是继续缩小元器件的尺寸，增加速度和电路密度。然而，继续缩小元器件的尺寸，终究会达到其物理极限。因此，要在较高性能、较低成本的计算机系统中取得更大进展，就要求有新的结构原理和新的互连技术的出现。光学互连技术和高温超导互连技术可望有较大进展，这些技术只要有一项或几项获得突破，就会戏剧性地改替计算机系统的成本和性能。

2. 大容量数据存储器

对于未来高性能的系统来说，大容量数据存储器是一种关键性的器件。其主要技术指标是读/写吞吐率、密度、存取速度以及存储容量，并具有几种不同的储存技术，即内存储用固态DRAM芯片，联机存储用磁盘，而存档和周期性存取的大型数据库则采用磁带。

随着计算机的存储对磁盘、磁带需求的不断增加，对其质量和性能的要求也越来越高。将导致磁盘和磁带存储在其自身的发展过程中，也会部分地被价格较低而性能较高的新产品所代替。生产新产品的材料可能是导电聚合物、压电材料、阻抗可控的衬底材料、高矫顽力的磁性记录介质、液晶材料以及可选光记录材料等。

固态技术的发展，即以通常称作“固态盘”的超大规模集成电路 (VI，SI) 存储器将代替转动的磁介质存储器。这些涌现出来的固态技术也可能成为未来存储器的主要技术。新的半导体异型结构 (超点阵结构) 器件在电子学、光发射以及光敏等性能方面显得比硅好，可用于数据存储。崭露头角的光盘存储器——只读型光盘已用于数据分配。用SOI技术能获得更高密的芯片，可适用于数据库操作的逻辑部件或更大容量的存储器。由此看来，传统的磁介质存储器 (至少在新产品中) 可能出现越来越少的趋势。

存储技术上的发展，可能会出现新的突破。例如，磁光技术和垂直记录等。如果磁光技术的研究出现新的进展，就能显著地改变光盘产品的性能和存储密度，那么这项技术的发展趋势将超过传统的磁盘技术和光盘技术，而成为一种先进的产品。

计算机处理器运算速度的迅速增加，有能力将大量数据集中在检索子系统以保证其快速地检索。垂直记录是保证其快速检索的一种有效的方法。特点是介质上的信息其磁化方向与介质表面相垂直，使得每个空间运动点的密度更大，从而加快其传输速率，加快检索速度。如果这项技术取得突破，它将与磁光记录抗衡，并且可超过磁介质存储器的十倍。

3. 巨型计算机

巨型计算机 (以下简称巨型机) 是提供快速和最有效的通用科学计算系统，为解决重大科学问题起到了关键性的作用。目前已成为热核能利用的研究，核武器模拟，空间技术发展，长期气象预报，石油地质勘探、水坝、建筑、飞机和汽车结构试验模拟的有力工具。

早期的巨型机是串行处理器，对用户来说没有太多的特殊要求，因而在使用上没有多大困难。随着计算机的发展，串行计算机逐渐地朝着向量处理机的方向发展。向量计算机向人们提出了新的挑战，要求用户从它们的代码中取消标量运算，并编制出高级的向量化程序。后来，并行与向量——并行系统又得到发展，此系统包含了执行不同任务的独立处理机，并要求用户重新研究程序设计方法。

另外，在巨型机市场中，又出现了一个新的普及型巨型机或小巨型机的类型。这些系统的特征是具有强大的向量或高级标量处理功能，但从价格上来看又远比巨型机便宜得多，因此它们已被用于传统的高性能科学计算应用中。对于小巨型机的另一种选择是附加阵列处理机，以增加数值计算能力。在某些情况下，向量处理能力将以多道处理模式扩充到一个以上的处理机。小巨型机已为新的体系结构提供了广阔的用武之地。随着计算机不断增加体系结构的多样性，未来的前景更具有挑战性。大规模并行系统是改进速度的最有希望的途径，但它要求有较为高效的软件。

在所有新型的计算机系统中，软件起着关键性的作用。巨型机中软件的关键问题是对于操作系统的支持和协同处理。一般用户倾向于系统独立接口的概念，即允许多种功能能够在若干系统元部件之间方便的移植，导致了以UNIX操作系统为基本操作系统，可使工作站/大型主机具有非凡的可移植性。

巨型机资源的利用是个极为重要的问题、传统的巨型机是许多用户共享资源。数据通信链路提供数据存取服务，实现的方法可通过专用的点对点连接，或通过共享网络服务器连接。为充分利用巨型机提供的高性能，则需要高质量、高速度的数据通信与之配合。

4. 新型并行处理机

并行性蕴含着提高信息处理速度和解决大规模问题的巨大潜力，展现出由多个处理机组成更大的计算机系统以及由超大规模集成电路组成计算机的美好前景，因此研究和发展并行处理技术已成为获取高速度、高性能计算机系统的一个重要途径。事实上，今天的各种巨型机、大型机、小型机、超级小型机，以及工作站都已具有并行处理能力。近年来，新型并行结构和实验系统有一种朝着能适应多种应用的并行处理商品化方向发展的趋势。

新型并行系统的未来商品化发展，将会依赖于半导体元件的基础硬件技术和并行计算的软件技术。同时那些用于新型并行处理机的基础器件和元件的性能将得到显著改进，而其价格将逐渐降低。引用高级基础硬件技术的新型系统将跟踪高级工作站和单处理机趋向，由于这些新颖的结构，软件环境需要更长一点的时间来进行开发和移植到不同的机器上去。预测相关软件技术的进步还要困难一些，但有两个明显的因素推动着它们前进。一是一些发达国家肯于在基础研究方面的大量投资，二是商品市场的需求，用户为新型并行结构，如图像处理、地震模型和流体力学等领域寻求应用，并要求在自动化分解、算法设计以及并行程序方面有所突破。

在并行处理机系统中，每个处理单元的性能高低对整个并行系统的效能有较大的影响。由于RISC处理机速度快，并具有一系列优良的特性，所以RISC技术与并行处理技术的结合将是新型并行处理机的另一个重要发展趋势。

在新型的并行处理机领域，并行处理的硬件技术已具备较好的基础，并取得了一系列的进展，然而并行处理的软件技术还仅仅是处于一种萌芽状态。对于传统的计算机，软件的好坏仅使计算机表现出性能上高低只差2～3倍，最多差5～10倍。但在并行处理机中，软件的好坏而使系统表现出来的性能高低可差50～100倍。对于大规模并行处理结构，软件对于系统总体性能的影响较大。

新型并行处理机最可能出现突破的领域是软件，这些软件主要指语言与程序设计、操作系统、编译程序及这些软件工具与现有软件工具的接口。软件工具的接口问题将涉及以往巨大软件资源的继承问题。开发具有将串行机程序自动转换成并行代码能力的并行编译程序，是解决这一问题的最好途径。编译技术具有发挥并行处理系统的很大潜力。

5. 工作站、小型机与处理机

工作站、小型机与处理机广泛地应用于各种领域，但其性能和关键技术正进一步得到改进。其主要的技术趋势是单处理机与多处理机的发展。

(1) 单处理机。

精简指令系统的计算机 (RISC) 体系结构的出现是对传统的复杂指令系统的计算机(CISC) 体系结构的一种巨大冲击，同时又对各种新机型的设计产生了不同程度的影响。RISC技术的基本思想是采用简单而有效的指令系统，并使指令格式力求一致，并尽量采用寄存器—寄存器操作，可使处理机结构大为简化。加之配合优化的编译技术，便有可能研究出结构简洁、功能强大的计算机。

未来的工作站及服务器的高性能状态将取决于RISC的结构。目前，已经有一种基于CMOS的RISC机能达到与最高速的ECL小型机相同的整型和标量浮点型运算的性能。RISC机用于非浮点的密集计算问题已经超过巨型机的性能水平，虽然速度仅仅是计算机性能和能力的一个侧面，但对许多紧急防御的应用来说，它是一个重要方面。在性能方面，RISC结构正在出现一种根本性的改变。

对于单处理机技术的发展已有较好的规划，其性能方面的潜在突破将来自IC技术的突破。

(2) 多处理机。

小规模多处理机很容易用VLSI微生理机或单板机来构成。较小的、共享存储器多处理机之所以具有吸引力是由于其程序设计模型的简单性和灵活性。当自动并行化软件变得更为通用时，可有效的用来开发这类机器。若这种机器能像并行处理机那样比较快的解决一个问题，则其性能效果就会明显地表现出来。但目前小规模多处理机的吞吐率往往还赶不上一台快速的单处理机。

多处理机的潜在突破，在于改用高级的制造技术、编译技术等，但最重要的领域可能在于软件和建立某种结构方法，以提供规模可伸缩的能力和有效的程序设计。