第2章 计算机硬件

存二章计算机硬件组成与工作原理

-2.1计算机硬件的基本结构

-2.2常用输入设备

-2.3常用输出设备

-2.4外存储器

■2.5计算机基本工作原理

-2.6微型计算机系统的配置及主要技术指

标

1

02.L1计算机系统的组成

■计算机系统包括计算机硬件和计算机软件

两大部分。

»硬件，是指构成计算机的物理设备，也称硬设

备。

»软件，是指计算机系统中的程序、数据以及开

发、使用、维护程序所需文档的集合。

硬件是计算机系统的基础，软件是计算机系统

的灵魂。

2

硬件和软件的关系

・没有软件的支持，再好的硬件配置也是

毫无价值的；没有硬件，软件再好也没

有用武之地。所以，把计算机系统当作

一个整体来看，它既含有硬件，也包含

软件，两者不可分割，硬件和软件相结

合才能充分发挥电子计算机系统的功能。

■计算机系统的组成如图2・1所示。

3

r运算器

中央处理器

1捽制器

（CPU）

硬只读存储器（ROM）

件内存储器

系随机存取存储器（RAM）

统（输入设备（键盘、鼠标器、数码相机、扫描仪等）

J输出设备（显示器、打印机、音箱等）

〔外存储器（硬磁盘、软磁盘、优盘、光盘等）

计

算

机<操作系统

系

统r编锋程序

语言处理程序<解释程序

I汇编程序

）（监捽、检测程序

/系统软件

\编辑程序

能

系统服务程序<装配程序

系调试程序

统【其他服务程序

<数据库管理系统

文字处理软件

表格处理软件

（应用软件

实时控制软件

辅助设计软件等

图2-1计算机系统的组成

42.1.2计算机硬件的基本组成

-计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部

分组成，也称计算机的五大部件。这五大部件通过系统总线互连，传

递数据、地址和控制信号。这些系统总线按信号类型分成三类，分别

称为数据总线、地址总线和控制总线。

■运算器和控制器合在一起称为CPU（CentralProcessingUnit,中央处

理器），它是计算机的核心。存储器分为内存储器（简麻内存）和外

存储器（简称外存）两种。CPU、内存储器、总线等构成了计算机的

“主机”。输入设备粕输出设备简称I/O（Input/Output）设备。I/O

设备和外存储器等通常称为计算机的“外部变备”，简称“外设”。

■图2・2是计算机硬件组成的示意图。

5

图2-2计算机硬件组成示意图

计算机工作原理

-计算机之所以能脱离人的直接干预，

自动地进行数据计算或信息处理，是

由于人把实现这个计算的一步步操作

用命令的形式，即一条条指令

(instruction),预先输入到存储器

中，在执行时机器把这些指令一条条

的取出来，加以翻译和执行。

7

以两个数相加为例:

第一步：把第一个数从它所在的存储单元中取出来,

送至运算器。

第二步：把第二个数从它所在的存储单元中取出来，

送至运算器。

第三步：相加。

第四步：把相加的结果送至存储器中指定的单元

8

4中央处理器(CPU)

■由控制器和运算器组成，计算机中的输入/输出设备与存储器之间的数

据传输和处理都通过CPU来控制执行。微机中的中央处理器又称为微

—蠢，例如，Intel公司的Pentium(奔腾5处理器。

控制器:对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完

成一定任惫的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译

码器、时序电路和控制电路组成。

运算器:算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)。主要任务

是执行各种算术运算和逻辑运算。’

-CPU的主要技术指标是字长和主频。字长是指CPU同时处

理二进制数据的位数。主频也叫时钟频率，单位是MHz

或GHz,用来表示CPU的运算速度。

9

CPU基本工作原理

原理如同一个工厂对产品的加工过程：进入

工厂的原料（指令），经过物资分配部门（控制

单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单

元），生产出成品（处理后的数据）后，再存储

在仓库（存储器）中，最后等着拿到市场上去卖

（交由应用程序使用）。

10

微处理器的外形

■许多微型计算机使用的CPU芯片是将运

算器及控制器等集成在一个半导体芯

片内。一般是只有一片或几片像邮票

大小的集成电路芯片。

11

intei)

IntelCore1/processor

桌面处理器旗舰

SRJ.二

(intei)'IntelCorei5processor

中端桌面处理器领军人物

CORE"

IntelCorei3processor

Cor/族入门处理器

CORE

12

AMD口

JJ三g/

MAM^T^TAMD[AMDiAMD.赢毓,一—.

|立西"一面〉■1

L〃・「7・

龙芯一号

龙芯2c

龙芯2F

龙芯3A

14

15

CPU主要性能指标

CPU主要的性能指标有主频、外频、倍频、前端总

线频率、地址总线宽度、内存总线速度、高速缓存、

工作电压、多媒体指令集、制造工艺等。

这些性能指标不仅是衡量一个CPU的标准，也决定

着一个微型计算机性能优劣。因此用户在选购CPU时一

定要对其格外的重视。

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•主频

主频(ClockSpeed)也叫时钟频率，是CPU的工作

频率，单位是MHz,用来表示CPU的运算速度。

由于在一个时钟周期内，CPU能够完成的指令数是

固定的，因此主频越高，CPU的在单位时间内能够执行

的指令就越多，CPU的运算速度就越快。

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尽管CPU承担了计算机中主要的计算和控制任务,

但是由于计算机是一个整体，因此计算机的性能优劣

并不只由CPU主频的高低来决定。

但由于CPU处于计算机中的核心位置，因此在选购

计算机时还是要首先考虑CPU的主频.

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•外频

外频是系统总线的工作频率，具体是指CPU到芯片组之间的总

线速度，其单位是MHz。

目前，CPU的外频大多为133MHz、200MHz、266MHz或333MHz。

•倍频

倍频是指CPU外频与主频相差的倍数。三者之间共识的表示关

系为：

主频二外频X倍频

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•血端总线频率

前端总线（FSB）是连接CPU和北桥芯片之间的线路。而前端

总线频率是CPU与内存之间交换数据的时钟频率，直接影响CPU与

内存直接数据交换速度。

前端总线的速度即数据带宽，它取决于所有同时传输的数据

的宽度和传输频率，即：

数据带宽二（总线频率义数据宽度）/8

20

•缓存

缓存又称为高速缓存，是指可以进行

高速数据交换的存储器。

CPU的缓存分为一级缓存(LICache)

和二级缓存(L2Cache)。

21

目前世界上主要生产CPU产品的厂商有Intel公司、

AMD公司、VIA（威盛）公司、IBM公司和富士通公司。

其中，Intel公司的CPU在民用领域占有80%多的市场份

额。

Intel公司创办于1986年，是世界上第一块CPU的

研发和制造公司，同时，还是当今世界上CPU出货量最

大的公司。

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I存储器

＞内存

简称主存，直接与CPU相连接，存储容量较小，但存取速度快，

用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。

内存一般由半导体器件构成。半导体存储器可分为随机存储器

(RAM)和只读存储器(ROM)两种：

(l)RAM:可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时RAM中

的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。

(2)ROM:存储的信息只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。

＞外存

简称辅存，它是内存的扩充。外存存储容量大，价格低，但存取

速度慢，一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果，

需要时，可成批地和内存储器进行数据交换。常用的外存有磁盘、

光盘、优盘和磁带等。

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存储器

-计算机中数据处理和存储容量的基本单位

是字节。8位二进制码（8bits）称为一个字

节（Byte,简称B）。1024个字节称为1K字

节，1024K个字节称1兆字节（1MB）,

1024M个字节称为1G字节（1GB）,

1024G个字节称为1T字节（1TB）o现在微

机的主存容量大多数在几百兆字节以上。

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]|输入输出设备

■输入设备

用来向计算机输入信息的设备通常称为“输入设备”。

触入到计算机中的信息都使用二进位（“0”和“1”）来表

Zj\O

■输出设备

计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多

种形式。负责完成输出任务的是输出设备，它们的功能是

把计算机中用“0”和“1”表示的信息转换成为人可直接识

别和感知的形式。

25

［系统总线与I/O接口

系统总线是用于在CPU、内存、外存和各

种输入输出设备之间传输信息并协调它们

工作的一种部件（含传输线和控制电路）。

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,2.2.1键盘

-通过键盘，可以将字母、数字、标点符号等输入到计算机

中，从而向计算机发出命令，输入中西文字和数据。键盘

与主机的接口有多种形式，一般采用的是AT接口或PS/2

接口，比较新的产品使用USB接口。

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键盘盘面分四个区

功能键区

打字键盘区（又称英文主键盘区）

方向键区（控制键盘区）

数字键区（副键盘区）

28

键盘的分类

⑴按击键数分类

键盘按键数曾出现有83键、93键、96键、101键、102键、

104键、107键等。

⑵按工作原理分类

可分为机械式按键和电容式按键两种。

⑶按键盘外形分类

可分为标准键盘、人体工学键盘等

⑷按接口分类

可分为AT接口（大口）、PS/2接口（小口）、USB接口

等。

⑸/蜃接方式分类

可分为有线和无线两种。无线键盘的连接又分红外方式

和无软电方式两种。

⑹按功能分类

可分为普通键盘、多功能键盘等

29

册

2.2.2鼠标

-一种指示设备，能方便地控制屏幕上的鼠标箭头准确地定

位在指定的位置处，并通过按钮完成各种操作。鼠标器与

主机的接口有三种。EIA-232串行接口（9针D型插头座）、

PS/2接口、USB接口。

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■鼠标的分类

⑴按照结构分类,可分为机械鼠标和光电

鼠标。

32

⑵按照接口方式分类，可以分为串口、

PS/2接口以及USB接口鼠标。

33

$223笔输入设备

-笔输入设备一般都由两部分组成：一部分是与主机相连接

的“手写板”，手写板上有连接线，接在主机的串行口或

USB口；另一部分是在手写板上写字的“手写笔”。用户

通过手写笔与手写板的相互作用来完成写字、画画和控制

鼠标箭头的操作,

二_

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$224扫描仪

■扫描仪是将原稿(图片、照片、底片、书稿)输入计算机

的一种输入设备。按扫描仪的结构来分，扫描仪可分为

手持式、平板式、胶片和滚筒式等几种。

-扫描仪的主要性能指标包括:

(1)扫描仪的分辨率。

(2)色彩位数(色彩深度)。

(3)扫描幅面。

(4)与主机的接口。

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扫描仪的工作原理

■扫描仪的工作步骤如下：将扫描的原稿正面朝下铺在扫描

仪的玻璃板上；启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内

部的可移动光源通过机械传动机构在控制电路的控制下带

动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成

扫描，为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿垂

直方向扫过整个原稿，每扫一行得到原稿横向一行的图像

信息，照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，

形成横向光带；又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进

入分光镜；经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩

色光带，分别照到各自的CCD上；CCD将RGB光带转变为模拟

电子信号，该信号被A/D变换器转变为数字电子信号。至此,

反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数

字电子信号，最后传送至计算机并在计算机内部逐步形成

原稿的全图。

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扫描仪的结构

■平板式扫描仪包括三大部分：扫描头

（光学成像部分）；步进电机和导轨

（传动部分）；主板（控制和A/D转换处

理电路部分）。

接口（SCSI,并行或USB）

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»2.2.5数码相机

■数码相机不使用光敏卤化银胶片成像，而是将影像聚焦在

成像芯片（CCD或CMOS）上，并由成像芯片转换成电

信号，再经模数转换（A/D转换）变成数字图像，经过必

要的图像处理和数据压缩之后，存储在相机内部的存储器

中。整个过程不到1秒种，其中成像芯片是数码相机的核

心。图2・8是数码相机的成像过程。

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数码相机成像过程

图像存

处理储

QPC机

与器接口

数据电路a打印机

压缩

o电视机

图2-8数码相机的成像过程

■数码相机的存储器大多采用快擦写存储器（闪烁存储器），

即使断电也不会丢失信息。存储容量是数码相机的另一项

重要性能，在图像分辨率和质量要求相同的情况下，存储

容量越大，可存储的数字像片就越多。

40

231显示器

显示器是计算机必不可少的一种图文输出设备，其作用是将数字信号

转换为光信号，最终将文字与图形显示出来。

算

机

常

锲

部

分

组

监

监

计

显

示

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