第二章计算机硬件

1、第二章 微型计算机硬件组成2.1 计算机硬件的基本结构 2.1.1计算机系统组成 一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。硬件通常是指一切看得见，摸得着的设备实体，是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。单纯的硬件系统又称为裸机，裸机只能识别0和1组成的机器代码，没有软件系统的计算机几乎是没有用的。软件系统通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。 2.4计算机硬件的基本组成2.4.2计算机的硬件系统 1冯诺依曼结构以美籍匈牙利数学家冯诺依曼（John Von Ncumann）为首的研制小组提出了“存储程序控制”的计算机结

2、构。 存储程序概念可以简要地概括为以下三点：（1）计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大基本部件组成。（2）计算机内部采用二进制来表示指令和数据。（3）将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。 业的管理信息系统等专用应用软件：如各企、实时控制软件等件包、数据库管理系统通用应用软件：办公软应用软件排错程序等实用程序：诊断程序、等、语言处理程序：等、操作系统：系统软件软件系统等、调制解调器、集线器网络设备：网络适配器盘、闪存（优盘）等外存：软盘、硬盘、光印机、绘图仪、音响等输出设备：显示器、打化仪、麦克风等、扫描仪、光笔、

3、数字输入设备：键盘、鼠标外部设备高速缓冲存储器（）随机存储器（）只读存储器（内存控制器运算器）中央处理单元（主机硬件系统计算机系统JavaBasic VisualCDOSOS/2LinuxUNIXWindowsCache)RAMROMCPU计算机系统的组成一一 硬件系统 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成，如下图所示：计算机硬件系统主机外部设备中央处理器内存贮器运算器控制器外存储器输入设备输出设备存储器中央处理器运算器控制器内存贮器外存储器存储器输入设备输出设备2.4计算机系统的组成与工作原理2计算机的硬件系统组成输入设备输出设备辅助存储器主存储器运算器控制

4、器CPU存储器控制流数据流外设主机2计算机的硬件系统组成通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Process Unit，CPU)，它是构成硬件系统的核心。中央处理器和主存储器（内存储器）一起组成了主机部分。除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）称为外围设备或外部设备。（1）运算器运算器是对信息进行处理和运算的部件。（2）控制器控制器是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不亲地自动工作。 2.4计算机系统的组成与工作原理2计算机的硬件系统组成 （3）存储器存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置

5、，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。 （4）输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。 （5）输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。 1. CPU n CPU就是中央处理器，是负责运算和控制的控制中心，是电脑的关键部件，相当于人的大脑一样。2.主板（MainBoard)n主板是电脑系统中最大的一块电路板，布满各种电子元件、插槽、接口等。n电脑通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起来形成一套完整的系统。3.内存 (Memory)n内存是电脑的一个临时存储器，它

6、只存放正在运行的程序、正在处理的信息等。它的容量和处理速度直接决定了电脑数据传输的快慢 KINGMAX 胜创 ：MPLB62D-68KX3 PC300 256MB 4.硬盘(Harddisk)n硬盘是我们熟知的电脑配件之一，简单的说就是一个大容量存储器n硬盘性能的高低往往影响着整个系统的表现6.显卡显卡n显卡的作用是转换和传递由CPU处理后的运算数据，输出图像到显示器。n显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能显示出字符和图像。5.显示器(Display) 顾名思义就是电脑的一个显示设备，是最见的输出设备输出设备之一。一般来说，显示器的身价决定于它所采用的显象管，好的显象管可以提供更好的视觉效果，

7、寿命也更长，目前液晶显示器也开始流行。液晶显示器目前主流的17纯平显示器7.光盘驱动器(CD-ROM、光驱)DVD + CD-RW复合刻录光驱DVD光驱光驱是用来读取已经写入数据的只读光盘的专用设备CD-ROM-光盘8.软驱、软驱、键盘、鼠标键盘、鼠标n鼠标、键盘一直以来都不被许多人所重视，不过它们却是现代电脑不可缺少的输入设备输入设备，没有它们就相当于人没有手一样。无线鼠标和键盘9.其它设备其它设备n现代电脑除了上面所列举的配件外，还有很多的相关配件，包括有网卡、MODEM、打印机、扫描仪、绘图仪、手写板等等系统软件应用软件包括操作系统（如DOS、Windows）、程序编译系统及解释系统、数

8、据库系统、各种工具软件、驱动程序等如文字处理软件WPS、Word 、电子表格软件Excel 、档案管理系统、收费结算系统等软件计算机系统的组成计算机系统的组成完整的计算机系统硬件运算器控制器中央处理器CPU内存储器随机读写存储器RAM （断电后数据全部消失）只读存储器ROM （厂家写入数据，断电后数据不会消失）输入设备（如键盘、鼠标、扫描仪等）输出设备（如显示器、打印机、音箱等）外存储器（如软盘、硬盘、光盘等）存储器3.2.1中央处理器CPU n 在微型计算机中，运算器和控制器被制作在同一块半导体芯片内，被称为中央处理器，也称微处理器，如图3.8所示。CPU是整个微机硬件系统的核心，是计算机的

9、重要部件，负责对信息和数据进行运算和处理，并实现本身运行过程的自动化。其作用相当于人的大脑，控制着整台电脑的运行。 图3.8 CPU的外观和物理构造n（1）字长 字长是指CPU可以同时处理的二进制数据的位数，是最重要的一个技术性能指标。 n（2）CPU外频 外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，是主板为CPU提供的基准时钟频率，单位是MHz(兆赫兹)。 n（3）CPU主频 CPU主频也称工作频率，是CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率。CPU主频越高，计算机运行速度就越快。n（4）CPU制造工艺 CPU制造工艺是指CPU核心中线路的宽度和制造晶体管图形的尺寸，一般用微米（m）表

10、示。 1.CPU的主要技术指标 2 2CPU CPU 的接口的接口n 目前的主流处理器大多采用针脚式接口，称为Socket，如图3.9所示。因针脚数的不同而有Socket 478、Socket 775、Socket 754 、Socket 939等接口类型。P4系列的Socket 775和AMD Athlon XP系列的Socket A即Socket 754是现在处理器市场中的主流。目前普遍采用的是LGA 封装的P4 Prescott 核心处理器采用无针脚设计，将处理器的针脚转移至主板插座中。 图3.9 CPU的接口3CPU的主要生产厂家 n 目前微机中普遍使用的CPU主要有两个美国生产商生产

11、：Intel和AMD。 Intel和AMD公司的标志4. CPU产品的发展方向产品的发展方向n CPU的制造工艺有它的极限，目前一般采用多核心（即一块集成电路基板上有两个或者多个CPU核心）技术来提高CPU的整体性能。所以Intel和AMD纷纷推出了双核心架构的CPU，未来可能会有更多核心的CPU问世。 图3.11双核心CPU设计原理图3.2.2微机主板 n 主板也称主机板（Main Board）、系统板（System Board）或母板（Mother Board），是微机硬件系统中最大的一块电路版，如图3.12所示。主板是整个微机内部结构的基础，为各种磁和光存储设备、打印机和扫描仪数码相机等

12、I/O设备提供接口；为CPU、内存、显示卡和其他各种功能卡提供安装插槽。 图3.12 主板n CPU插座是放置和固定CPU的地方，中间放置CPU， 外围的支架可固定CPU的散热风扇，如图3.13所示。CPU的插座多为Socket架构，呈白色，根据支持的CPU不同，CPU的插座也不同，主要是针脚数不同。 主板的主要组成部分： 1. CPU插座 图3.13 CPU插座2芯片组 n 芯片组是计算机主板上除了CPU以外最重要的部件之一，是区分主板的一个重要标志，如图3.14所示。可以说，芯片组就是主板的大脑，人的大脑分为左脑和右脑，而芯片组也是由北桥芯片与南桥芯片所组成的。其中北桥芯片控制的是系统总线

13、 ，南桥芯片则是负责大部分的I/O（输入和输出）图3.14 威盛 PT880芯片组3. 内存插槽 n此插槽是主板上用来安装内存条的地方，如图3.15所示。 图3.15 主板上的内存插槽4PCI 插槽 n PCI扩展槽的长度较短，呈白色，一般有2个至6个，通常用来安装声卡、网卡、电视卡等等，如图3.16所示。 图3.16 主板上的PCI插槽5IDE 驱动器和软驱接口 6SATA 硬盘数据线接口 n 硬盘、光驱、软驱是微机中的重要存储设备，它们必须通过数据线和主板连接才能组成一个完整的系统。目前市场上的光驱和一部分硬盘大多数都采用IDE PATA接口，随着存储技术的发展，市场上采用新型SATA串行

14、ATA 接口的硬盘越来越多，因此，大部分主流主板为了支持 SATA 硬盘，都设计了SATA 硬盘数据线接口 图3.17 IDE 驱动器和软驱接口图3.18 SATA 硬盘数据线接口7外部输入及输出接口 图3.19外部输入及输出接口3.2.3微机内存 n 微机内存是计算机的重要部件之一。为了解决CPU的运算速度与外部设备传输速度不匹配的问题，在主板上设置了内存，外部设备先将数据送给内存，然后内存再将数据送给CPU，CPU再将运算结果回送给内存，内存再将数据送到外部设备存储起来。n 内存泛指计算机系统中存放数据与指令的半导体存储单元，包括RAM、ROM、CACHE等。人们习惯将RAM直接称为内存，

15、或称为内存条，如图3.20所示。微机中使用的内存条 随机存取存储器RAM和只读存储器ROM11、 随机存取存储器RAM（Random Access Memory） 随机存取存储器是计算机的主存，CPU对它们既可读出数据又可写入数据。一旦关机断电，RAM中的信息将全部消失。RAM又分为静态内存SDRAM和动态内存DRAM两种。 2、只读存储器ROM（Read only Memory） CPU对ROM只取不存，它里面存储的信息一般由主板制造商写入并固化处理，普通用户是无法修改的，即使断电，ROM中的信息也不会丢失。ROM一般存储主板的BIOS程序，BIOS（Basic Input/Output S

16、ystem，基本输入输出系统），是只读存储器基本输入输出系统的简写。 CACHE（高速缓冲存储器 ）n Cache 的英文原意是“储藏”，它一般使用SRAM（静态内存）制造，它与CPU之间交换数据的速度高于DRAM，所以被称作“高速缓冲存储器”，简称为“高速缓存”。 n 在操作系统启动以后，CPU就把DRAM中经常被调用的一些系统信息暂时储存在Cache里面，以后当CPU需要调用这些信息时，首先到Cache里去找，如果找到了，就直接从Cache里读取，这样利用Cache的高速性能就可以节省很多时间。大多数CPU在自身中集成了一定量的Cache，一般被称作“一级缓存”或“内置Cache”。 3.

17、2.4微机总线与接口 n 任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。n 采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。按总线的功能可分为：地址总线、数据总线、控制总线 。通常所说的总线都包括上述三个组成部分，地址总线用来传送地址信息，数据总线用来传送数据信息，控制总线用来传送各种控制信号。 目前比较流行的总线接口技术 1P

18、CI总线 n PCI是Peripheral Component Interconnect（外设部件互连）的缩写，是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。 图3.22 32位与64位的PCI插槽2IEEE-1394总线 n IEEE1394是一种外部串行总线标准，它可以达到400MB/s的数据传输速率，十分适合视频影像的传输。标准的1394接口可以同时传送数字视频信号以及数字音频信号，相对于模拟视频接口，1394技术在采集和

19、回录过程中没有任何信号的损失，正是由于这个优势，1394卡更多地是被人们当做视频采集卡来使用，如图3.23所示。 图3.23 Firewire扩展接口卡3USB总线 n 通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是一种新型接口标准，如图3.24所示。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。 图3.24 主板上的USB接口USB设备具有以下优点：n（1）可以热插拔。n（2）携带方便。n（3）标准统一。常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打

20、印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。n（4）可以连接多个设备。最高可连接至127个设备。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB1.1的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，USB2.0最高传输率可达480Mbps。4PCI Express串行总线 n PCI Express和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变，如图3.25所示。PCI Express是采用点对点的串行连接方式，这个和以前的并行通道大为不同，它允许和每个设备建立独立的数据传输通道，不用再向整个系统

21、请求带宽，这样也就轻松的到达了其他接口设备可望而不可及的高带宽。现在的显示卡都采用这种总线结构来达到快读传输数据的目的。 图3.25 PCI-E总线插槽3.3外部存储器 n 从计算机系统的结构来看，存储器可分内存储器和外存储器两大类。内存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行；外存储器包括软盘、硬盘、光盘、磁带机、优盘等。 3.3.2硬盘存储器 n 硬盘存储器是将硬盘盘片与驱动器装在一起的，简称硬盘，如图3.27所示。图3.27 硬盘的外内部结构n 硬盘盘片由一个或者多个铝制的碟片组成，这些碟片外覆盖有铁磁性材料。硬盘是集精密机械、微电子电路、电磁转换为一体的电脑存储设备，它存储着电脑系统资

22、源（如操作系统、各种程序、应用软件和工具软件等）和重要的信息及数据。n 硬盘容量计算公式：硬盘容量=盘面数柱面数扇区数512字节1硬盘的性能指标 n（1）容量 n（2）转速 n（3）平均寻道时间 n（4）单碟容量 n（5）缓存 n（6）数据传输率 2硬盘使用注意事项 n（1）正确地开、关主机电源n（2）硬盘在工作时一定要防震n（3）千万不要擅自将硬盘拆开 光盘驱动器 n 光盘驱动器就是我们平常所说的光驱，是读取光盘信息的设备，是多媒体电脑不可缺少的硬件。光盘存储容量大，价格便宜，保存时间长，适宜保存大量的数据，如声音、图像、动画、视频信息、电影等多媒体信息。 n 光盘存储器是基于物理学的“光的

23、反射”原理。当我们把带有凹凸那一面向下对着激光头，激光透过表面透明基片照射到凹凸面上，然后聚焦在反射层的凹进和凸起上。凸起面将激光按原路程反射回去，同时不会减弱光的强度；凹进面则将光线向四面发射出去，光驱就是靠光的“反射和发散”来识别数据的。 1 1CD-ROM CD-ROM 光驱光驱nCD-ROM光驱又称为只读光盘驱动器，已经成为个人电脑的基本配置。CD-ROM容量大、兼容性强、速度快、盘体成本低、使用方便，是集光、电、机和磁一体化产品，是计算机上很重要的输入设备，安装软件、听 CD、看电影等都要用到CD-ROM光驱，如图3.28所示。图3.28 摩西52X CD-ROM2CD-R/RW 驱

24、动器 n往光盘上写入内容就要使用CD-R/RW驱动器，俗称光盘刻录机，如图3.29所示。CD-R盘片只能进行一次性写入，CD-RW盘片可以进行反复读写光盘。CD-R盘片是在聚碳酸脂制成的片基上喷涂了一层染料层，染料层分解后不能复原，只能烧录一次。而CD-RW盘片是使用一种特殊的相变材料来存储信息，在高温下能由低反射率的非结晶状态转变为高反射率的结晶状态，从而记录数据信息，具备热转换性，可以反复擦写。 图3.29 索尼CD刻录机3DVD-ROM驱动器 nDVD全称是Digital Vertile Disk （数字通用光驱），光盘容量大，直径为12厘米的光盘其单面单层存储容量就可达4.7GB，其双

25、面双层的盘片存储容量可以达到17GB。 所以DVD 光驱也逐渐成为市场上的主流，如图3.30所示。DVD-ROM除了具备CD-ROM 的全部功能外，还可读取DVD 电影和数据光盘。 图3.30 DVD-ROM驱动器4. DVD4. DVDRWRW驱动器驱动器和和5 5BluBlu-ray-ray蓝光光盘驱动器蓝光光盘驱动器nDVD+RW驱动器即是DVD刻录机。n蓝光光盘驱动器被誉为下一代的光盘驱动器。Blu-ray Disc技术的最大优点是，可以在直径为12厘米的单面单层规格的Blu-ray Disc上刻录容量高达27GB的数据资料。移动存储设备 n 在科技不断发展的时代，越来越多的数据需要人

26、们进行随时随地存储和使用。在这种情况下，移动存储很快地走进了主流市场，开始是USB移动硬盘，其后市场上出现了闪存移动存储器（即优盘）。对于外设而言，移动存储器便于携带，使用简单，速度极快，容量也不断地增大，目前的移动存储设备逐步取代了软盘。1移动硬盘 n 移动硬盘就是以硬盘为存储介质，属于便携式的存储设备。目前市场上大多数的移动硬盘所采用的是标准的2.5英寸笔记本硬盘，如图3.31所示。还有少数采用1.8 英寸超薄笔记本硬盘。它们的特性就是速度较快，容量较大，可以以较快的速度与系统进行数据交换。 图3.31 移动硬盘2. 优盘与MP3播放器 n（1）优盘 优盘 （Only Disk）又叫U 盘

27、，或者闪存（Flash Memory），是一种流行的移动存储产品，主要用于存储较大的数据文件和在电脑之间方便地交换文件，n（2）MP3 播放器 MP3播放器是目前主流的数码播放器，是发展速度最快的一种数码产品。MP3是利用一种音频压缩技术，将声音用110甚至112的压缩率压缩。由于这种压缩方式的全称叫MPEG Audio Layer3，所以人们把它简称为MP3。用MP3形式存储的音乐就叫作MP3音乐，能播放MP3音乐的机器就叫作MP3播放器。3. 微硬盘 n 微硬盘的盘片面积只有1英寸，整体也不过电话卡1/3面积，主流容量却达到了1-15GB级水平，未来会有60GB的产品面世，可反复擦写30万次以上，通常能稳定工作五年 图3.34 微硬盘存储系统的层次结构 图3.35 存储系统的层次结构从图中可以看出，在各种存储设备中，存储速度快慢分别是：CPU寄存器CACHE（高速缓存）内存（RAM）硬盘光驱软驱3.4 常用外部设备 n3.4.1输入设备 图3.36 微机的输入设备结构3.4.2输出设备1. 1. 显示卡显示卡 显示卡就是通常所说的图形加速卡，如图3.42所示。显示卡的基本作用就是控制计算机的图形输出，是连接CPU和显示器之间的纽带。通常由显示芯片、