1.3 硬件系统
1.3.1 计算机的组成
计算机的物理设备叫做硬件（Hardware），它是实现计算机操作过程、输入、输出互联的各种电子设备。计算机设备（Device）既可以指一个价值数亿的巨型计算机系统，也可以指一个只有数十元的鼠标。
硬件系统主要由中央处理器、存储器、输入/输出系统和各种外围设备组成。中央处理器是对信息进行高速运算处理的主要部件，其处理速度可达每秒几亿次以上加法操作。存储器用于存储程序、数据和文件，常由快速的主存储器（容量可达GB及TB级）和慢速海量辅助存储器（容量可达数百GB及TB级）组成。各种输入/输出外围设备是人机间的信息转换器，由输入/输出控制系统管理外围设备与主存储器（中央处理器）之间的信息交换。
人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再通过输出设备把处理后的结果告知人们。
早期的计算机（见图1-2）的输入设备十分落后，根本没有现在的键盘和鼠标。最早的计算机有两层楼那么高，人们只能通过扳动计算机庞大面板上的无数开关来向计算机输入信息，而计算机处理这些信息之后，输出设备也相当简陋。所以，那时的计算机根本无法处理像现在这样各种各样的信息，它实际上只能进行数字运算。
图1-2 早期的计算机
但在当时，就算是这种计算机也是极为先进的了，因为它把人们从繁重的手工计算中解脱了出来，而且极大地提高了计算速度。
（1）1946—1958年为第一代：电子管计算机。以磁鼓作为存储器，使用机器语言、汇编语言编程。世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）于1946年由美国宾夕法尼亚大学研制，其字长为12位，运算速度为5000次/s，使用18800个电子管、1500个继电器，功率为150kW，占地170m2，重达30t，造价100万美元。
（2）1958—1964年为第二代：晶体管计算机。以磁芯作为主存储器，以磁盘作为外存储器，开始使用高级语言编程。
（3）1964—1971年为第三代：集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。
（4）1971年至今为第四代：大规模和超大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外围设备多样化。
冯·诺依曼当时提出的电子计算机中存储程序的概念，构造了电子计算机的基本理论。他提出电子计算机由运算器、逻辑控制器、存储器、输入部件和输出部件5部分组成。冯·诺依曼提出的存储程序和程序控制的理论以及他首先提出的计算机硬件基本结构和组成思想，解决了计算机的运算自动化和速度配合问题，奠定了现代计算机的理论基础，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。
一般认为冯·诺依曼计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备5大部件组成，计算机以运算器为中心。
（1）运算器。运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件。算术运算就是加、减、乘、除四则运算；逻辑运算是指与运算、或运算、异或运算等。
（2）控制器。控制器在计算机中相当于人的大脑，它控制整个计算机有步骤、协调、自动地进行工作。
（3）存储器。存储器是计算机的“记忆”装置，可以存放数字、文字、图形、图像、声音等多种媒体信息。形象地说，存储器就是计算机的信息仓库。
存储器有内存储器（又称主存储器，简称内存或主存）和外存储器（又称辅助存储器，简称外存或辅存）之分。
（4）输入设备。计算机输入设备能够把人们用文字或语言表达的问题直接送到计算机内部进行处理。其主要功能有二：一是用于输入指令，指挥计算机进行各种操作，对计算机反馈的提问做出选择，以便计算机进行下一步操作；二是输入各种字符、图像、视频流等数据资料，供计算机进一步处理。计算机输入设备在不同时代是不相同的。在DOS（磁盘操作系统）时代，键盘几乎是唯一的输入设备；到了Windows时代，鼠标与键盘都是重要输入设备；随着多媒体技术的迅猛发展，扫描仪、手写板、麦克风、数码照相机、摄像头、数字摄像机等都成了输入设备。
（5）输出设备。输出设备是计算机系统最重要的组成部分之一。它把计算机输入的指令、数据加工处理成为人和其他设备能够接受的形式。现代的计算机输出设备可以把计算机处理好的结果以音乐、动画、图像、文字和表格等各种媒体形式生动地展现在人们的面前。输出设备也是人机交互的重要界面。计算机系统的输出设备包括显示器、打印机和音箱等。