计算机导论第2章 计算机硬件系统

第2章计算机硬件系统

本章学习目标

本章主要介绍计算机硬件系统。通过本章的学习,

读者应该掌握以下内容：

•计算机的基本结构

・计算机硬件组成

・计算机总线

•计算机的主要性能指标

•计算机的分类

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第2章计算机硬件系统

■2.1计算机的基本结构

■2.2计算机的硬件组成

■2.3计算机总线

■2.4计算机的主要性能指标

■2.5计算机的分类

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2.1计算机的基本结构

■2.1.1计算rjHi机系统

■2.1.2计算机基本结构

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■2.1.1计算机系统

一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系

统两大部分。计算机是依靠硬件和软件的协同工作

来完成某一给定任务的。

计算机硬件系统

计算机系统

计算机软件系统

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所谓“硬件”是指组成微型机的所有实体部

件。例如键盘、显示器、主机、器件、电阻等

O所谓"软件”是指建立在硬件基础之上的所

有程序和文档的集合。

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■2.1.2计算机基本结构

冯・诺依曼型计算机由五大基本部分组成：运算器、控

制器、存储器、输入设备和输出设备。

＞数据传送线

-控制信号线

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■1.运算器

运算器是对数据进行加工处理的部件。

在控制器的操纵下，它与内存交换数据，负责算术运

算、逻辑运算和移位运算等。

■2.控制器

控制器负责对指令进行分析和判断，发出控制信号，

使计算机各部件协调工作，确保系统的自动运行。

运算器+控制器=中央处理单元(CPU)

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3.存储器

存储器是存放大量程序和数据的部件。

分类：内部存储器、外部存储器

特点：内存-存取速度快、存储容量小

外存一存取速度慢、存储容量大

4.输入设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序,

并将它们转变为计算机能识别的形式存放的内存中。

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常用的输入设备有：键盘、鼠标器

扫描仪、麦克风

■5,输出设备

输出设备是将计算机处理过的信息以人们所能接受的形

式表示出来。

常用的输出设备有：显示器、打印机

绘图仪、音箱等

运算器+控制器+内存储器=主机

输入设备+输出设备=外部设备

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2.2计算机的硬件组成

■2.2.1主板

■2.2.2中央处理器

■2.2.3存储器

■2.2.4输入设备

■2.2.5输出设备

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一台微机通常由主机和外设两部分组成:

主机是微机的核心部件,主

要包括主机板、微处理器、

内存条、I/O扩展槽和各种

接口等;外设包括输入设备

（如键盘、鼠标）和输出设

备（如显示器、打印机等）

外设

O打开主机机箱盖板后,即

可以看到主板、CPU.内

存、电源、硬盘、光驱、显

卡、网卡等一系列硬件设备

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2.2」主板

主板

主板又叫主机板

(mainboard)x系统

板(systembourd)或

母板(motherboard)

,是位于主机箱内的

一块大型多层印刷电

路板。如果把CPU

比作微机的心脏，那

么主板就是血管神经

等循环系统。

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■主板的分类:

1.按主板上使用的CPU分类

有386主板、486主板、奔腾(Pentium)主板、高能奔腾

(PentiumPro)主板等。

2.按组合主板的厂商进行分类

有联想、技嘉、华硕、磐正、磐鹰、微星、精英、方正、科

脑、顶星、众成、金鹰、七彩虹等不同厂家的主板。

3•按主板的南北桥芯片的厂商进行分类

Intel:Bx、Lx、Tx、810、875、845、895、900等。

Via:694、693等。

Sis:530、630、5595、900等。

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4.按主板结构分类

有黑标准尺寸的主板、BabyM袖珍尺寸的主板、ATX&127

改进型的M主板、一体化主板、NLXIntel主板等。

5.按功能分类

有PnP主板、节能（绿色i型主板和无跳线主板等。

6.其它的主板分类方法

按主板的结构特点可分为基于CPU的主板、基于适配电路的主板、

一体化主板等类型。基于CPU的一体化的主板是目前较佳的选择。

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2.2.2中央处理器

CPU的全称是“CentralProcessingUnit”,

即中央处理器。是整个微型计算机系统的核心。

LCPU的主要功能

有两个方面，即运算和控制。

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CPU的主要功能包括两个方面，一是完成算术运算（包

括定点数运算、浮点数运算）和逻辑运算；二是读取并

执行指令。CPU的运算部件负责算术和逻辑运算。控制

器负责指令的读取和执行，并在执行指令的过程中向系

统中的各个部件发出各种控制信息，或者收集各部件的

状态信息。寄存器组用来保存从存储单元中读取的指令

或数据，也保存来自其他各部件的状态信息。

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2CPU的性能指标

■(1)主频

是CPU工作的时钟频率(MHz,GHz)。一般说来，主

频越高，CPU的工作速度越快。

MHz:每秒能执行一百万个时钟周期。

GHz:每秒能执行十亿个时钟周期。

指令执行：一些指令需要一个周期，另一些指令需

要很多周期

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(2)外频

实际上，计算机的任何部件都按

一定的节拍工作。通常是主板上提供

一个基准节拍供各部件使用，主板提

供的节拍称为外频。

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(3)倍频

随着科技的发展，CPU的主频越来越快，

而外部设备的工作频率跟不上CPU的工作频

率，解决的方法是让CPU作频率以外频的若

干倍工作。CPU主频是外频的倍数称为CPU

的倍频。

这样

CPU工作频率(主频)=倍频义外频

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(4)字长

表示微处理器一次能够直接处理的二进制数据

的位数，由CPU内部数据总线的宽度(或位数)

决定。它是CPU数据处理能力的重要指标。如奔

腾W的字长为32位，PowerPC620的字长为64位

O在相同的运算速度下，字长直接影响计算精度

O

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(5)前端总线频率

是主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输

数据的频率，也可以称为CPU的外部总线频率。

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(6)地址总线宽度

地址总线的位数，它决定了CPU可以访问存储器容量的

大小。

20位地址总线：1MBXP-128MB(64MB)

32位地址总线：4GB

(7)数据总线宽度

数据总线的位数，它决定了CPU与内存、输入输出设备

之间一次数据传输的信息量。

64位数据总线：8B一字长

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(8)高速缓存

一种具有很高速度的特殊内部存储器。

与内存相比，高速缓存能够使微处理器更快的获取

数据。

等级：一级缓存、二级缓存

(9)CISC和RISC

CISC:复杂指令集计算机

RISC:精简指令集计算机一带有有限的简单指令集

的微处理器。

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图2・5存储器系统的多层次结构图

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1.基本概念

■存储器：由一些能表示0和1的物理器件组成的

,如双稳态电路、磁性材料等。

■存储位：存储信息的最小单位，。或1。

■存储单元：若干个存储位组成，字节。

■存储容量：存储器中存储单元的总数。

■基本操作：读出数据-T取数

写入数据-T存数

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随机存储器(RAM)随机存取任何单元的数据

顺序存储器(SAM)只能按某种顺序存取数据

只读存储器(ROM)只能读取任何单元的数据

按功能和存取速度分类

寄存器型存储器CPU内部的寄存器组

高速缓冲存储器LICache,L2Cache

主存储器内部存储器

辅助存储器外部存储器

基本要求：存取时间短、存储容量大、价格低

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3.层次结构

CPU寄存器

存

单

存

储

隼

位

容

速

价

量

度

格

更

更

更

大

快

高

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4.性能指标

存储容量：存储器可以容纳的信息量。

例如：半导体存储器-64-256MB

硬盘-60-160GB

存取时间：指存储器从接到读或写命令开始，

到读写操作完成为止所需时间。

数据传输率：外存与内存交换数据的能力。如

硬盘的数据传输率：L25-lOMB/s

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一、半导体存储器

1.分类

按工作性能分类

高速缓冲存储燃容量小，速度高。双极型半导体存储器

随机存取存储器-RAM(SRAM、DRAM)

主存储器

只读存储器-ROM

辅助存储器半导体盘(固态盘)

按制造工艺分类

TTL型存储器

双极型半导体存储器

ECL型存储器一高速缓冲存储器

SRAM-存取速度快一高速缓存

MOS存储器

DRAM一集成度高一主存储器

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2.随机存取存储器-RAM

RAM-RandomAccessMemory

特点：存放数据可以随时读写，但断电后RAM存放的数

据全部丢失。

静态随机存取存储器SRAM:以反相器交叉耦合构成

的触发器作为存储单元，不需定时刷新，存取速度快一

高速缓存

动态随机存取存储器DRAM:用开关电容作存储单元,

定时刷新,集成度高一主存储器

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3.只读存储器

ROM->ReadOnlyMemory

特点：存放的数据只能读出不能写入，但断电后ROM

存放的数据仍存在。

系统主板上装有ROM-BIOS。

rMROM一掩膜ROM

PROM一可编程ROM

ROM<EPROM-可擦除可编程ROM

E2PROM-电可擦除可编程ROM

IflashEPROM-快可擦除可编程ROM

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三、磁表面存储器

1.存储原理写入时，数据经

编码电路产生相应的

电流变化，当数据位

为“1”时,电流发生

极性变换；数据位为

运动方向、载体“0”时，电流极性不

数据编码1011011变。电流送到磁头线

写入电流圈，在磁表面形成与

数据对应的磁化区。

磁化区域

读出时，把磁头

感应电势的感应信号转换成数

读出数据据输出。

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2.硬盘(HardDisk)

又称硬盘存储器，硬磁盘存储器。

特点：存储容量大、存取速度快

可靠性高、每兆字节成本低

温彻斯特技术：工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上

方，不与硬盘直接接触。

其精髓是密封、高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径

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(1)硬盘的性能指标

平均访问时间：指磁头从起始位置到达目标磁

道位置，并从目标磁道上找到要读写的数据扇区所

需的时间。

平均访问时间二平均寻道时间

+平均等待时间

磁道记录密度：道密度一沿盘片直径方向单位

长度内的磁道数。

位密度-磁道上单位长度的数据位数。

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数据传输率：指硬盘读写数据的速度。

其计算公式如下

数据传输率=位密度（位/英寸）X

转速（转/秒）X27TR（英寸/转）

R是最内圈磁道半径

转速：指硬盘盘片每分钟转动的圈数。也就是主

轴转速，单位是rpm。

通常的硬盘转速为5200、5400

7200、lOOOOrpm

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硬盘的逻辑容量：硬盘的存储格式是按柱面、磁道

和扇区来衡量的，柱面是由一组盘片上的同一个磁道垂

直形成的同心圆柱。

硬盘容量二柱面数X磁道数

X扇区数X512B

例如：通过BIOS检测发现，某型号硬盘逻辑上的面

数为255,每面有1027个磁道，每磁道有63个扇区，则

硬盘容量=255X1027X63X512B

=8.056GB

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(2)硬盘的外部结构

敏猛便用刖要做：物埋格式化、力区、IWJ级格式化

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3.软驱与软盘

软盘存储器是由软盘驱动器、软盘控制器和软盘三部

分组成。

软盘驱动器：读写软盘信息的装置。

软盘控制器：与主机连接的接口。

软盘：信息的存储介质，可脱机保存。

特点：①与硬盘相比，软盘价格便宜；

②软盘及其驱动器体积小，携带方便；

③可脱机存储，互换性好。

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⑴软驱的工作原理

工作过程：电机带动盘片转动，磁头定位器是一个

很小的步进电机，它负责把磁头移动到正确的磁道，由

磁头完成对软盘的读写操作。

写操作：以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化。

读操作：将磁头下方的磁化信息转化为电信号，通

过电信号强弱来判断是。还是1O

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⑵软驱与软盘的性能指标

磁道：以盘片中心为圆心的同心圆轨迹就是记录数

据的磁道。

道密度：沿软盘径向方向单位长度上的磁道数，

3.5in软盘有80个磁道。

扇区：每个磁道被划分

为若干扇区，3.5in软盘的扇

区一般有18个。

扇区

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存储容量：指每张盘片所能记录的二进制数据的总

和。其计算公式为：

存储容量二磁面数X磁道数

X扇区数X512B

数据传输率：指软盘及软驱每秒钟与计算机主机交

换二进制数据的位数。

常见的有:12堂b/s、250Kb/s

300Kb/sx500Kb/s

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⑶软盘的外部结构

软盘是由起保护作用的塑料封套和盘片组成，其结构

包括塑料外壳、快门、标签、写保护口、盘片、金属环

等。

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四、光盘存储器

光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和光盘控制器组成。

特点：存储容量大、非接触式读写、制作成本低、不

怕热和磁、保存携带方便。

分类：只读型光盘：CD-ROM

一次写型光盘：WORM、CD-R

可重写型光盘：CD-RW

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1.工作原理

光盘存储器是利用激光的单色性和相干性，通过调制激

光把数据聚集到记录介质上，使介质的光照区（直径小于

1pm）发生物理和化学变化,以写入数据。

读数据时，利用低功

率密度的激光扫描信息轨

道，其反射光通过光电检

目标镜

测器检测、解调，从而获瞄准镜

得所需要的信息。光线分离器

衍射光栅

激光头

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2.性能指标

■存储容量：一张光盘的数据存储量。

CD-ROM一650MB

DVD-4.7-17GB

■数据传输率：标准速率为150KB/S

2x.300KB/s（倍速）

4x-600KB/s（4倍速）

■■■

48x—7200KB/s（48倍速）

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光驱控制面板：立体声耳机插孔、音量控制、工作状

态指示灯、弹出孔、弹出开关和光盘托盘。

光驱控制接口：电源插口、跳线设置、数据接口、

日AJ插座、音频输出。

电源播口数据接口/音频输出

跳线设置EIAJ插座

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五、可移动存储器

U盘移动破盘

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2.2.4输入设备

一、输入设备概述

输入：指将预备进行处理的数据送入计算机的过程。

输入设备：把程序和原始数据等转变为计算机能识别的

信息存放到存储器中。

分类：①字符输入设备：键盘、磁卡机

②指点输入设备：鼠标器、触摸屏

③扫描输入设备：扫描仪、条形码

④语音输入设备：旧MViaVoice

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二、键盘

1,键盘的结构

结构：电路板、按键、外壳。

按键：用户使用键盘的区域。

键盘上键位的排列有一定规律，一般可分为六个区域:

功能键编辑键所定指示灯

打字机键区

功能键区

编辑键区

数字键区

光标移动区

指示灯区

打字机键盘光标移动键数字小键盘

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2.键盘的工作原理

键盘电路大多采用Intel8048或8049单片机控制的

控制电路，该控制电路具有键扫描、消颤、生成键扫描

码等功能。

键盘上的按键排列成矩阵形式，用软硬件的方法分

别对行、列进行扫描，以获取按键的位置，并生成键扫

描码。

单片机将键扫描码以串行方式传输给主机，主机接

到后进行如下操作：

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■①通过接口电路将串行数据转换为并行数据;

■②由并行接口送给CPU；

■③由软件将扫描码转换为该键ASCH码.

3.键盘的种类

机械式键盘、薄膜式键盘、无线键盘

4.键盘的接口

AT、PS/2、USB

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三、鼠标器

鼠标器是一种手持式屏幕定位装置，在图形界面中大

多数操作都可用鼠标来完成。

机械式鼠标：移动鼠标时，用滚动小球来进行定位。

光电式鼠标：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底

部光电转换装置定位坐标点O

（图典型的轨迹球鼠标的庭舞）《图2f典型的红色有线鼠标》乍表面，所看到的图形会反射到浏览特感密・）

2.2.5输出设备

一、输出设备概述

输出：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。

输出设备：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的

形式表达出来的设备。

分类：①显示器：字符方式、图形方式

②打印机：击打式、非击打式

③绘图仪：平板式、滚筒式

④语音输出系统：语音输出、音乐输出

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二、显示设备

主机显示卡显示器

总线扩展槽多芯视频电缆

1.显示卡

显示卡（显示适配器、显示接口卡）

显示卡是用于将主机中的数字信号转换

成图像信号

并显示在显jAG显

示

小

卡

示器上。卡

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⑴显示卡的基本结构

显小卡是由显小芯片、显不内存、RAMDAC、VGA

BIOS、总线接口等组成。

显示卡的工作原理示意图

显

VGA输出存

模拟信号组

BIOS一芯片

▲

PCI总线接口（数字信号）

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⑵显示卡的性能指标

■分辨率：指在显示器屏幕上所能描绘的像素个数(横纵

比为4:3),如64为480、800*600x1024*768、

1280*1024o

■颜色深度：指能同屏显示的色彩数量，如8、16、24

、32(24/8)x36(24/12)位。

■显存的容量大小决定了显卡支持的最高分辨率和颜色

深度。

显存二分辨率X颜色深度

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2.CRT显示器（阴极射线管）

⑴显示器的工作原理

CRT是由电子枪、偏转线圈、荧光粉层、荫罩和玻璃外壳

组成，彩色管一三基色。

坡斓

解

面

上

的

荧

光

粉

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⑵显示器的分类

■按显示颜色：单色显示器、彩色显示器

■按器件材料：阴极射线管、液晶显示器

等离子体显示器、发光二极管显示器

■按屏幕形状：球面屏幕、柱面屏幕

平面直角屏幕、纯平面屏幕

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⑶显示器的性能指标

■屏幕尺寸：衡量显示器屏幕大小。

14、15、17、21英寸。

■点距：指荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的

距离。点距越小，显示图像越细腻。

0.28(14in/1024*768)

0.27、0.26、0.25mm

■分辨率：指屏幕上可容纳像素的个数，它受到屏幕尺

寸和点距的限制。

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扫描方式:

逐行扫描隔行扫描

辐射和环保:

电脑中多达30%塑料包装可能有含溟阻燃剂。这些材料和另

一类环境毒素PCB有关，怀疑可能对哺乳动物生殖能力有损害。

石墨可以在显示屏、显像管和电容中找到。它损害神经系统

并较高剂量可导致石墨中毒。镉在可充电电池和某些电脑显示器

的色彩显象层中存在。镉损害神经系统，高剂量时有毒。

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3.液晶显示器(LCD)

LCD是通过液晶材料和彩色过滤器过滤光源，在平面面

板上产生图像。

优点：空间小、重量轻、低功耗

性能指标：屏幕尺寸一13.3、14」in

可视角度一水平角度＞1400

垂直角度＞1200

显示颜色一TFT-LCD

DSTN-LCD

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三、打印机

打印机是用于打印输出计算机的处理结果，产生计算机

输出的硬拷贝，以便在计算机之外也可使用计算机的处

理结果。

1.分类

r串式打印机

/击打式打印机:行式打印机

打印机＜

「激光打印机

＜非击打式打印机Y喷墨打印机

I热敏打印机

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2.性能指标

■打印速度：CPS（字符/秒）

LPM（行/分）

■印字质量：低质量（草稿质量V180DPI）

近似质量（仿信函质量/80・300DPI）

ER刷质量（＞400DPI）

■打印噪声：规定不超过55dB。

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3.激光打印机

■工作过程：接受由主机发出的信息，然后进行激光扫

描，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，并转换成

磁信号，使碳粉吸附到纸上，经加热定影后输出。

■特点：打印速度高、印字质量高

无噪音、但价格高

■典型打印机：HPLaserJet系列

CanonLaserJet系歹1J

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4,喷墨打印机

■工作过程：靠墨水通过精制的喷头射到纸面上而形成

输出的字符或图形。

■特点：价格便宜、体积小、无噪音

打印质量高，对纸张要求高

墨水消耗量大

■典型喷墨打印机：HPDeskJet系列

Canon喷墨系歹【J等

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2.3计算机总线

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。

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微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部

总线。

系统总线

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■内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总

线，用于芯片一级的互连。

■系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，

用于插件板一级的互连。

■外部总线则是微