《计算机组装与维护》（第八版）课件 第一章 认识计算机系统结构及工作原理

大 连 理 工 大 学 出 版 社主编：吕振凯

张一帆第一章

认识计算机系统结构及工作原理

计算机的发展历史及分类计算机系统结构

计算机的硬件组成01010203030304

计算机的性能指标知识要求：了解计算机的发展历程及种类掌握计算机系统结构及工作原理掌握计算机的硬件组成及主要性能指标了解笔记本电脑与平板电脑的结构及发展现状技能要求：认识计算机硬件的系统结构了解计算机硬件的功能掌握计算机硬件及整机的选购与安装方法思政要求：认识计算机硬件发展的曲折性和长期性了解我国在计算机硬件领域内的最新技术掌握计算机体系内硬件参数特性之间联系性与矛盾性原则计算机的发展具有很长的历史，经过多次更替，现在的计算机（本书主要介绍个人计算机，很多场合也称作微型计算机）已经进入了融合的人工智能时代，其类型也是多种多样。计算机的系统结构主要包括硬件和软件两大部分，软件是计算机的灵魂，硬件则是计算机的基础。从外观上看，台式计算机硬件由主机、显示器、键盘、鼠标、音箱等构成；从内部来看，它装载了电源、主板、CPU、内存、硬盘、光驱、显卡、声卡等设备。1.计算机的发展历史在计算机的硬件系统中，中央处理器（CPU，CentralProcessingUnit）是计算机的核心部件，中央处理器的发展历程代表了计算机的发展，目前的个人计算机主要使用Intel公司持有基础专利的X86架构的CPU。从第一代个人计算机问世至今，X86CPU已发展了多代，相应地产生了以下各代计算机的划分标准。第一代，1978年-1982年，Intel公司先后推出了16位的8086/8088/80286处理器，IBM公司在其基础上于1981-1984年推出了IBMPC/XT和PC/AT等型号的个人计算机，为第一代计算机的代表，这一阶段也包括安装了ZilogZ8000处理器相关产品。第一代计算机主要流行于20世纪80年代中期。第二代，1985年和1989年，Intel公司推出了32位的80386和80486微处理器（简称386和486处理器），这两个型号分别有SX和DX两个系列，DX系列包含浮点小数运算单元，性能优于SX系列。386和486处理器首次满足了图形化操作系统运行的需求，个人计算机进入到32位阶段并具备安装Windows操作系统的条件。这一阶段还有使用了摩托罗拉68000系列处理器的苹果电脑。任务1计算机的发展历史及分类

第三代，1992年开始，Intel公司陆续推出了Pentium（奔腾）、PentiumMMX（多能奔腾）、奔腾II、奔腾III和奔腾4等微处理器、AMD公司则对应推出的K5、K6、K6-2和Athlon系列微处理器，这些处理器着重增强了对多媒体信息的处理能力，加快了计算机迅速进入家庭的脚步。此阶段还有使用IBMPowerPC架构的苹果电脑。第四代，2003年，AMD公司推出了X86架构的64位处理器Athlon64，标志着64位个人计算机的诞生。紧接着，多核心的奔腾D和AthlonX2处理器也被发布，处理器逐渐由单核心向多核心进化。AMD的A系列APU处理器和Intel的Core（酷睿）处理器逐渐将主板的南桥芯片和集成显卡整合到处理器内部，显现了高度融合的现代计算机特征。第五代，2014年，AMD公司发布的A10处理器首次具备了内存和显存的统一寻址功能与集成显卡的异构运算功能。2017年华为海思发布的麒麟970处理器，首次加入了NPU（神经网络处理器），为AI进入计算机设备做好准备。2021年Intel公司发布的第十二代酷睿处理器采用了大核心+小核心的不对称设计，借鉴了众多移动设备平台的设计理念，迈出了平台间融合的脚步。在此阶段，更多非X86类型的电脑产品进入市场，呈现出百花齐放的场面。

2．计算机的分类计算机俗称电脑，发展到今天，品种类型繁多，分类方法各有不同，本任务将按照计算机外观、用途和性能来把计算机分成不同的类型。（1）按照外观来区分从外观上来看，计算机一般可以分为台式计算机、笔记本电脑、一体机、平板电脑和服务器五种。①台式计算机采用最经典的计算机组件构成形式，从外观上看由主机、显示器和键盘鼠标等外设组成。台式计算机的主机箱空间充足，可以满足绝大多数用户的扩展和散热需求，是最常见的电子计算机形式。

②笔记本电脑以轻巧、实用、便携、适于移动办公等特点而得到广泛的应用，它像一个“笔记本”一样可以随身携带。随着网络技术的发展，笔记本电脑的优点越来越明显，在短短十几年的发展过程中，笔记本电脑的外形、结构和性能都得到了巨大改进，让计算机与人的生活、工作、学习、娱乐能够更融洽、更贴近。

③一体机（包含迷你电脑）是一体式计算机的简称，随着主机内设备功耗越来越低，体积越来越小，一些厂商把台式计算机主机和显示器合为一体，既保留了台式机宽大的显示屏幕，也吸收了笔记本电脑体积小、方便摆放的优点。

④平板电脑是一个新兴的计算机种类，用以满足人们浏览网页、搜索信息、娱乐等需要，作为体验、分享信息的一种终端，以其轻便、快捷、性价比高等优点得到消费者的普遍认可。从性能上讲，平板电脑还无法与以处理、编辑、存储信息为主的传统计算机相比。目前市面上的平板电脑品牌很多，除了苹果公司的iPad和微软公司的Surface外，国内平板电脑的品牌主要有华为、联想、小米等。

⑤服务器属于台式计算机的一个分支，通常不配置显示器，一般在网络上使用。一台服务器要服务于若干终端用户，如果是互联网中的网络服务器，可能每天要接受成千上万次访问。这种频繁的访问对服务器的性能，尤其是稳定性和并发访问处理能力要求较高，因此，服务器需要强大的CPU支持，在多数专业服务器中，都采用双CPU或多CPU架构，通常都会选择至强、宵龙等高性能处理器。同时，服务器一般都全天候运转，对机箱内部的散热要求也比较高，因为高速的CPU产生的大量热量如果不能及时散发出去，很可能造成系统的不稳定或性能下降。所以，服务器的机箱一般都比较宽大，在机箱前、后端均有散热孔，内部安装可形成对流的多个散热风扇，使机箱内空气高速流动以达到散热目的。从硬件配置上看，服务器除了采用多CPU架构之外，还需要配置性能强、存储容量大的一块或多块硬盘，一般采用有SAS（串行SCSI接口）和U2接口的硬盘，实现存储大量信息和备份数据的目的。

服务器专用内存与其他类型的计算机也有不同，一般服务器上配备大容量、高速度的ECC（ErrorCheckingandCorrecting，错误检查和纠正）内存，这种内存具有奇偶校验功能。除了常见的商用服务器，很多家庭还配置了供娱乐使用的小型家用服务器。服务器根据安装位置不同可以分为塔式服务器和机架式服务器，塔式服务器放置在桌面上，机架式服务器安装在机柜里。

（2）按照用途来区分计算机根据用途可以分为商用计算机、家用计算机和服务器。商用计算机主要服务于商业用户，注重系统的稳定性，家用计算机偏重于在一定的成本下构建出高性能与用户的个性化。需要注意的是，商用和家用的区别与可移动性无关，台式机和笔记本电脑都各自有家用和商用的型号。（3）按照性能来区分计算机按照性能可以分为普通计算机和高性能计算机。供专业人员使用的高性能计算机被称为工作站，家用的高级娱乐游戏电脑也是一种高性能计算机。这两种计算机在外观上差别不大，高性能计算机因为功耗较大，为了保证散热需要，通常体积会大一些，价格也较为昂贵。

（4）按照选配方式来区分从用户选配方式的角度，计算机可分为品牌机和组装机。①品牌机是由专业计算机公司装配，有明确品牌标识的计算机，它有质量保证和完善的售后服务。一般保修期为3年，在保修期内，如果计算机出现了质量问题，厂商会提供专业的技术人员免费维修。所以，品牌机硬件和售后服务的质量都是有保障的。②组装机是指一些计算机公司或用户自己选择、购买配件组装的计算机，这种组装计算机的方式简称DIY（DoItYourself）。2010年之前，同等硬件配置下，组装机的价格比品牌机便宜，近年来随着计算机硬件越来越成熟，这种情况出现了反转，只有对部分硬件配置要求很高的用户才选择品牌机，例如高级游戏显卡只能单独购买并安装在用户自己在组装的计算机上。1．计算机的硬件和软件硬件是计算机系统中有形的物理设备，从类型上可分为运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备等。软件是指为了运行、管理、维护和使用计算机所编写的各种程序。硬件和软件相互依存、不可分割，软件没有硬件支持无法实现其功能，硬件脱离软件也不能工作，硬件和软件共同组成计算机系统，硬件决定计算机整体结构和层次，软件决定计算机整体功能和应用领域。任务2计算机系统结构

2．计算机的系统软件和应用软件系统软件是对计算机进行引导、管理、运算和维护的程序，负责对用户程序的解释、装入、编译和运行。系统软件包括操作系统、语言编译程序和服务性程序。操作系统是系统软件中最重要的部分，现在常用的操作系统有MicrosoftWindows10/11、MacOS、鸿蒙、UNIX、Linux。它为用户提供一个良好的环境，是用户与计算机的接口，用户通过操作系统使用计算机。同时，操作系统对计算机的运行提供有效的管理，合理地调配计算机的软、硬件资源，使计算机各部分协调有效地工作。语言编译程序是把汇编语言程序和高级语言程序翻译成机器语言的程序，它又包括汇编程序、解释程序和编译程序。服务性程序通常由软、硬件错误的诊断程序和编译程序组成。应用软件是指为解决某个实际问题而编制的程序，目前常用的应用软件有办公软件、图像处理软件、网页制作软件、动画制作软件、游戏软件等。3．计算机语言计算机语言是程序设计的工具，因而也称为程序设计语言。计算机语言的发展经历了从低级到高级的过程，分为三大类，即机器语言、汇编语言和高级语言，C语言、Java语言和Python等均为高级语言。4．计算机硬件系统、基本输入/输出系统、操作系统及应用软件之间的关系只有硬件的计算机称为“裸机”，硬件本身不能工作，只有在计算机中安装了软件系统后才能正常工作。硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件结合，才构成了完整的计算机系统。实现计算机硬件与软件连接功能的是BIOS（BasicInputandOutputSystem，基本输入/输出系统）和UEFI（UnifiedExtensibleFirmwareInterface，统一可扩展固件接口），它存储于固化在计算机主板上的一块ROM（只读存储器）中。基本输入/输出系统的上层是操作系统，下层是计算机硬件系统，在操作系统之上的是各种应用软件。5．计算机的工作原理计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼于1946年首先提出来的。他的基本思想可以概括为以下三点：（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。（2）程序和数据在计算机中用二进制数表示。（3）计算机的工作过程是由计算机内的程序控制的。到现在为止，虽然计算机的设计制造技术有了很大的发展，但仍然没有脱离冯·诺依曼的基本思想。计算机把程序和数据通过输入设备输入到存储器。启动计算机时，控制器将程序指令逐条取出，并分析指令要求做什么，例如，将存储器中某单元的数据取到运算器，进行规定的运算，并将运算结果送回存储器，最后将运算结果由存储器送到输出设备，从而完成一个完整的工作过程。计算机中的运算器、存储器和控制器是计算机的主要组成部分，称之为主机模型。其中运算器、控制器合在一起称为中央处理器，也叫CPU。输入设备和输出设备称为外部设备，输入设备的功能是将运算程序（指令）和参与运算的数据输入到计算机中，输出设备则把运算结果输出到计算机外部。

任务3计算机的硬件组成为了使读者对计算机整体有一个初步的认识，下面将对计算机整机硬件组成做一简单介绍。从外观上看，计算机（主要是台式计算机）由主机、显示器、键盘、鼠标、音箱等设备构成。1．主机主机是计算机的主要部件，现代计算机的主机增加了很多设备，包括电源、主板、CPU、内存、硬盘、显卡、声卡等设备。主机对外提供了多种输入/输出

（Input/Output）接口，简称I/O接口。通过这些接口，计算机与外部设备连接在一起，使功能得以扩充。主机后侧有键盘接口、鼠标接口、网络接口、音/视频接口、串/并行通信接口和USB接口等。2．显示器

显示器是一种输出设备，由一根视频电缆与主机的显卡相连，作用是将主机处理的结果以文字或图形方式显示出来。

3．键盘、鼠标键盘、鼠标是计算机必备的输入设备，其功能是向主机输入信息，用户的指令可以通过键盘传输给主机。随着Windows操作系统图形界面功能的完善，基本上可以不再使用键盘输入命令，只要用鼠标单击相应的菜单命令或选项即可。

4．音箱

音箱属于多媒体设备，计算机的声音信号通过声卡输出到音箱，再由它传送出来。

以上各部分中，主机是计算机最重要的组成部分，从内部结构看，它装载了主板、CPU、内存、硬盘、光驱、显卡、声卡和电源等硬件设备。1.主板主板（Mainboard/Motherboard，简称MB，也被称为母板）是一块矩形的电路板。上面布满了各种电子元件、芯片、插槽和接口等。它将各种周边设备如CPU、内存、扩展卡和硬盘等紧密地联系在一起，形成一个完整的硬件体系。

2.CPUCPU，是主机的核心部分，CPU的性能决定了计算机的性能。它的发展水平代表了计算机的发展水平和档次。

3.内存储器

内存储器，简称内存，是计算机工作过程中存储工作数据的设备。内存容量最小单位为字节

（Byte）。现在内存主要是以DDR（DoubleDataRate）技术为主，DDR技术到目前为止已经发展到第五代，主流规格为单条容量16GB的DDR5内存。内存具有掉电丢失数据的特性，不适合长期保存数据，只能存放计算机运行中的临时数据和信息，所以有些场合把内存又叫做“运存”。

4.硬盘硬盘是计算机内部的重要存储设备，具有非易失性，可长期保存数据。硬盘的存储容量较大，目前硬盘最大容量已达到20-30

TB（1TB=1024GB）。5.光盘驱动器光盘驱动器是写入、读取存储在CD、DVD或蓝光盘片上光记录信号的设备，光盘驱动器可以分为可写入和只读两种，最新的蓝光光盘每张可以存储100GB数据。

6.显卡

显卡是一种常见的计算机功能扩展卡，其功能是将CPU处理的图文信号输出到显示器，也可以进行大量图形计算。7.声卡声卡也是一种常见的计算机功能扩展卡。其功能是对音频信号进行输入、处理和输出。以上介绍的是计算机主机的基本构成，由于各种计算机型号不同，其结构形式和部件的种类也会有所不同。在实际工作中，还要针对不同情况区别对待。一台计算机功能的多少、性能的好坏，不是由某一项指标来决定的，而是由它的体系结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面因素综合决定的。我们可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能。1.运算速度运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度）是指计算机每秒钟所能执行的指令条数，一般用MIPS（MillionInstructionsPerSecond，百万条指令每秒）来描述。同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同的方法，常见的有CPU时钟频率（主频）、每秒平均执行指令数等。个人计算机一般用处理器主频与处理器核心数量来描述运算速度，例如，AMD锐龙R9-9950X的主频为4.3GHz（十六核心），IntelUltra9-285K主频为3.7GHz（二十四核心）。通常来说，CPU主频越高，核心数目越多，运算速度就越快。任务4计算机的性能指标2.字长计算机在同一时间内处理的一组