計算機硬件技術淺析

王 鈺

（西安航空學院計算機工程系，陜西 西安 710077）

1 計算機硬件簡介

計算機硬件是指計算機系統中由電子、機械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱。這些物理設備按系統結構的要求構成一個有機整體為計算機軟件的運行提供物質基礎。簡言之，計算機硬件的功能是輸入并存儲程序和數據，以及執行程序，把數據加工成可以利用的形式。從外觀上看，微機由主機箱和外部設備組成。主機箱內部主要包括：CPU、內存、主板、硬盤驅動器、光驅、各種擴展卡、連接線、電源等；外部設備包括鼠標、鍵盤、顯示器、音箱等，這些設備通過接口和連接線與主機相連[1]。

2 計算機硬件技術

計算機硬件技術，是以計算機硬件系統結構和工作原理為核心，逐步掌握各個硬件模塊的原理與功能，從而能夠利用硬件技術進行系統開發。

3 計算機硬件技術的范疇

計算機硬件技術主要面向計算機軟方向專業開設，因此是一門綜合性的硬件技術課程，其范疇包括：計算機系統概述、電路元器件、計算機數制、常用邏輯部件、硬件結構及原理、指令與匯編語言、接口與外部系統、單片機系統[2]。

其中，對每個知識點都做了詳細的分析，以計算機組成為例，如下圖所示：

圖1 計算機硬件組成

圖中涵蓋了計算機五大硬件模塊：運算器、控制器、輸入設備、輸出設備和存儲器，箭頭表明了各種信息流向。圖中，我們首先要了解各個硬件模塊的功能，從而根據箭頭分析各種信息在硬件設備中如何傳遞。

4 硬件技術的核心

硬件技術的核心包括如下幾個方面：

（1）計算機硬件組成原理

計算機硬件組成原理為掌握硬件技術的基礎。

（2）微處理器

微處理器是計算機核心部件，主要包括運算器和控制器。微處理器技術，重點是對指令和指令系統的理解。

同一廠商會在一個處理器產品的基礎上不斷研發下一代新的兼容產品，而新一代處理器與前一代要實現指令兼容，即新一代指令系統包含前一代處理器的全部指令，同時可能增加新指令。而不同廠商之間也可能生產指令兼容的處理器產品。如何提高處理器性能，也是各個廠商爭先研究的對象，一般采取的技術包括：流水線、超標量、超線程、Cache、擴展指令集、多核心等。

（3）總線

總線就是嚴格定義的信號線集合，用于實現計算機各個部件之間信息傳輸的通道[3]。總線具備公共性、標準型和可擴展性等特征。通過總線可實現點對點連接或者多點連接。只能實現點對點連接的通道在概念上不是總線，習慣上也稱為總線。

在計算機中，總線一般分三種：數據總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。

DB：傳輸數據內容，與內存、I/O之間雙向傳輸；

AB：傳輸的存儲位置，如存儲器地址、端口地址等，與I/O接口或之間單向傳輸；

CB：傳輸各種控制信號，如存儲器讀/寫、端口讀/寫等，與I/O接口之間單向傳輸。

（4）接口

接口是用于完成計算機主機系統與外設之間的信息交換[4-5]。接口由接口硬件（接口電路、連接器、連接電纜等）和接口軟件（程序）組成。如下圖所示：

圖2 接口電路的構成

接口功能主要包括：數據傳送、數據緩沖、信號變換、中斷、差錯控制、高層通信協議、即插即用、電源管理、動態配置等。接口構成都是通過數據變換機制來完成。對接口的操作是程序對接口的訪問（讀/寫）的方式，不同接口電路支持不同的操作方式，常用方式包括查詢、中斷和DMA控制方式。

5 計算機硬件技術總結

熟悉計算機硬件技術，目的是提高計算機應用能力。不僅僅要熟悉各個硬件模塊的功能，還需了解相關最新技術的發展趨勢及新標準，利用硬件性能測試方法，能解決在實際使用中出現的問題。

［1］李桂秋,宋維堂.計算機硬件技術基礎[M].高等教育出版社,2012：5-8.

［2］王福瑞.單片微機測控系統設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社,2000：57-61.

［3］周洪利,朱衛東,陳連坤.計算機硬件技術基礎[M].北京：清華大學出版社,2012：159-162.

［4］何為民,潘仕彬.計算機組成與嵌入式系統[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007：45-47.

［5］張忠華.多媒體計算機硬件基礎教程[M].北京：清華大學出版社,2013：100-105.