計算機的硬件系統

1.4計算機的硬件系統

通過前面的學習，我們已經了解現代計算機硬件的五大基本組成部件，但目前計算機發展迅速，具體硬件設備種類較多，所以本節將以生活中經常接觸的微型機為例，講解常見的硬件結構及設備。微型機：它是以微處理器為核心，配上外圍控制電路、存儲模塊電路、輸入輸出接口電路并通過微型機系統總線的連接所組成的計算機。微型機的基本部件是顯示器、鍵盤、鼠標和主機，如圖1-10所示。zxxkwzxxkw計算機的硬件系統1.4計算機的硬件系統zxxkwzx1主機

1.4.1主機

主機指計算機中放置了主板及其他主要部件的容器(mainframe)，在主機箱內通常包括有主板、CPU、內存、硬盤、光驅、軟盤驅動器、電源、顯卡、網卡、聲卡等等，如圖1-11所示。通常主機自身已經是一臺能夠獨立運行的計算機系統，服務器等有專門用途的計算機通常只有主機，沒有其他外設。

主機1.4.1主機2總線1.4.2總線和接口1．總線計算機各功能部件相互傳輸數據時，需要有連接它們的線路通道，這些公共通道就稱為總線（BUS）?？偩€能同時傳送的二進制數據的位數被稱為總線的位寬，總線的位寬越寬，每秒鐘數據傳輸率就越大。按照線路中所傳輸信息的種類，計算機的總線可以劃分為數據總線、地址總線和控制總線：數據總線(DB)用于傳輸數據信息，它是CPU同各部件交換信息的通道,數據總線都是雙向的。地址總線(AB)用來傳送地址信息，CPU通過地址總線把需要訪問的內存單元地址或外部設備的地址傳送出去。通常地址總線是單方向的。地址總線的位寬決定了尋址的范圍，例如8位微型機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為216B＝64KB，反過來尋址1MB的地址空間，需要有20條地址線.控制總線(CB)用來傳輸控制信號，以協調各部件的操作，它包括CPU對內存儲器和接口電路的讀寫信息、中斷響應信號等。目前微型機中常用的有USB（UniversalSerialBus）、IEEE1394、PCI、SCSI、ATA、SATA等各種總線標準。如果某一設備要通過總線傳輸信息，就要遵循該總線標準，因此我們也經常用設備遵循的總線類型來統稱該類設備，如USB設備。zxxkw總線1.4.2總線和接口zxxkw3接口

2．接口

通常，我們把兩個部件之間的交接部件稱為接口。因為經常兩個部件之間在數據格式、工作速度及方式等方面存在差異，使其不能直接進行數據交換，這就需要接口電路的變換，把二者匹配起來，由此出現了專門的接口設備——適配器，如顯卡、網卡、聲卡等，如圖1-12所示。主機實際上是通過系統總線連接到接口，再通過接口與外部設備相連接，如圖1-13所示。接口2．接口4主板

1.4.3主板主板也叫系統板或母板，是微型計算機中最大的一塊集成電路板。其中主要組件包括：CMOS、基本輸入輸出系統（BIOS）、高速緩沖存儲器、內存插槽、CPU插槽、鍵盤接口、軟盤驅動器接口、硬盤驅動器接口、總線擴展插槽（PCI等擴展槽）、串行接口（COM1，COM2）、并行接口（打印機接口LPT1）等，如圖1-14所示。zxxkw主板1.4.3主板zxxkw5集成主板圖

主板是計算機中最重要的部分，它基本決定了整個系統的性能、穩定性和兼容性，承擔著系統部件的連接和數據傳輸功能，是硬件資源的調度中心。現在的主板通常都集成了一些外部設備的適配卡，如聲卡、顯卡、網卡等，如圖1-15所示。使用這樣的主板就沒有必要再單獨配置適配卡了，但這種集成方式的主板也存在一些問題，如部分集成卡的性能不高、容易損壞、不易升級等。zxxkw集成主板圖主板是計算機中最重要的部分，它基本決定6CPU

1.4.4微處理器CPU（centralprocessingunit）意為中央處理單元，又稱中央處理器。CPU由控制器、運算器和寄存器等組成，通常集中在一塊芯片上，是計算機系統的核心設備。計算機以CPU為中心，輸入和輸出設備與存儲器之間的數據傳輸和處理都通過CPU來控制執行。微型計算機的中央處理器又稱為微處理器(MPU)，如圖1-16所示。CPU1.4.4微處理器7CPU簡介1．簡介1971年，Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一個可用于微型計算機的四位微處理器，它包含2300個晶體管；隨后8位、16位及32位微型處理器芯片的先后出現，使微型機的廣泛應用成為可能；之后Intel公司先后推出著名的“奔騰”、“安騰”、“酷?！毕盗?，微型機的性能得到進一步提高，以奔騰4處理器為例，該處理器最初推出時就擁有4200萬個晶體管和僅為0.18微米的電路線；首款微處理器4004的運行速率為108KHz,而奔騰4處理器的初速率已經達到了1.5GHz。其他CPU生產商：AMD公司：AMD公司是Intel公司最有力的挑戰者，其最新的AMD速龍IIX2和羿龍II具有很好性價比，其在3D上有很好的表現。IBM：IBM的優勢在于高端的實驗室、工作室的非民用CPU。IDT公司：IDT是處理器廠商的后起之秀，但現在還不太成熟。VIA威盛公司：VIA威盛是臺灣一家主板芯片組廠商，收購了Cyrix和IDT的CPU部門，推出了自己的CPU。國產龍芯(GodSon)：是國有自主知識產權的通用處理器，目前已經有2代產品，已經能達到現在市場上Intel和AMD的低端CPU的水平zxxkwCPU簡介1．簡介zxxkw8CPU性能指標

2．CPU的主要性能指標

主頻主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz（或GHz），用來表示CPU的運算、處理數據的速度。主頻影響著CPU的運算速度，但不代表CPU的整體性能，CPU的運算速度還要看CPU的流水線、總線等等各方面。字長計算機技術中對CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數的位數叫字長。所以能處理字長為8位數據的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時間內處理字長為32位(4個字節)的二進制數據。一般字長決定計算機的運算精度，字長越長，計算機的運算精度越高。緩存緩存大小也是CPU的重要指標之一，而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統內存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復讀取同樣的數據塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內部讀取數據的命中率，而不用再到內存或者硬盤上尋找，以此提高系統性能,但是由于CPU芯片面積和成本的因素來考慮，緩存都很小。

CPU性能指標2．CPU的主要性能指標9存儲器

1.4.5存儲器存儲器（Memory）是計算機系統的記憶設備，用來存放程序和數據。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。存儲器是用來存儲程序和數據的部件,有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證計算機能夠自動工作。存儲器的存儲容量是用最小單位bit(位/比特)、基本單位Byte(字節)以及KB(千字節)、MB(兆字節)、GB(吉字節)、TB(太字節)等表示。一般存儲器的一個存儲單元有1個字節的容量。在實際的微型機系統中，采用分級的方法設計整個存儲系統，將存儲器系統從內外分為三級，即高速緩沖存儲器(緩存)、內部存儲器(內存)和外部存儲器(輔存)。它們之間的性能和價格的比較見表1-4所示。

項目

緩存

內存

輔存

速度快中慢容量小中大價格高中低zxxkw存儲器1.4.5存儲器項目緩存內存輔存速度快10內存1．內部存儲器內部存儲器簡稱內存，主要用來存放計算機執行中的數據和程序,CPU要操作的數據及程序大都要通過內部存儲器來獲得。內部存儲器采用半導體技術，它的存取速度比較快，但由于價格等原因，其容量一般不能太大，隨著微型機檔次的提高，其容量可以逐步擴充。按內部存儲器的讀寫功能通?？梢苑譃橹蛔x存儲器和隨機存取存儲器。（1）只讀存儲器也稱ROM（ReadOnlyMemory），其存儲的內容一般是由廠家一次性寫入永久保存的，即使計算機斷電，內容也不會丟失；用戶只能讀取其中的已有內容，而不能再寫入新內容。只讀存儲器通常用來存放系統的一些監控程序、管理程序、檢測程序等信息，例如BIOS系統。（2）隨機存儲器也稱RAM（RandomAccessMemory）其特點是可以讀寫，通電時存儲器內的內容可以保持，斷電后存儲的內容立即消失。隨機存儲器用來存放運行過程中的程序和數據。RAM又可分為動態（DynamicRAM）和靜態（StaticRAM）兩大類：

內存1．內部存儲器11內存（圖）動態隨機存儲器DRAM是用MOS電路和電容來作存儲元件的。由于電容會放電，所以需要定時充電以維持存儲內容的正確，因此稱其為動態存儲器。DRAM的特點是集成密度高，主要用于大容量存儲器，例如我們經常所說的內存條就是使用DRAM進行集成的一塊電路板，目前容量大都在1GB以上，如圖1-17所示。靜態隨機存儲器SRAM是用雙極型電路或MOS電路的觸發器來作存儲元件的,它沒有電容放電造成的刷新問題，只要有電源正常供電，其就能穩定地存儲數據。SRAM的特點是存取速度快，主要用于緩沖存儲器。注：我們經常所說的“內存大小”是指插在主板上的內存條的容量大小，不包含其他內部存儲器的容量。

內存（圖）動態隨機存儲器DRAM是用MOS電路和電容來作存儲12緩存

2．高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器應該屬于內部存儲器的一種，但為了說明存儲系統的分級設計，我們對其單獨歸類說明。高速緩沖存儲器簡稱緩存或Cache，是介于CPU與內存之間的存儲器。計算機運行時需要CPU從內存中讀寫程序或數據，但因為硬件技術原因，CPU的運行速度要遠高于內存的運行速度，影響了器件的運行效率，為解決該問題，專家們引入了高速緩沖存儲器。當CPU在讀寫數據時，首先訪問從內存中讀取數據進行預存的Cache，如果Cache中有要操作的數據，就從Cache中取得數據；當Cache中沒有所需數據時，CPU才去訪問內存。因為Cache的運行速度遠比內存快，使得CPU能迅速完成操作且減少訪問內存的次數，進而提高了計算機整體的工作速度，大致過程如圖1-18所示。CacheCPU內存外部存儲器緩存2．高速緩沖存儲器CacheCPU內存外部存儲器13軟盤

3．外部存儲器外部存儲器也稱為輔助存儲器，簡稱輔存，用于存儲暫時不用的程序和數據。由于計算機系統的內存容量有限，大部分數據斷電后消失，不能長期保存，因此計算機系統都配置大容量且斷電后仍能長期保存數據的外部存儲器。外部存儲器中的數據不能直接被CPU操作，需要先將外部存儲器中的數據先讀取到內存中，經過CPU操作后，再經內存寫回外部存儲器，如圖1-18。目前，常見的外部存儲器有軟盤、硬盤、光盤、U盤、移動硬盤等：（1）軟盤（FloppyDisk）軟盤由軟盤片和保護套構成。軟盤片是覆蓋磁性涂料的易損的塑料片，可用來儲存數據，是軟盤的核心部件。軟盤的讀寫是通過軟盤驅動器完成的。目前常見的就是3.5英寸軟盤，如圖1-19所示。該軟盤有一寫保護口，在寫保護狀態下，只能從軟盤中讀取數據，不能寫入數據；非寫保護該狀態下則可正常讀寫數據。軟盤3．外部存儲器14軟盤（圖）3.5英寸軟盤其軟盤片上、下兩面各被劃分為80個同心圓式的磁道，每個磁道被劃分為18個扇區，每個扇區的存儲容量固定為512字節，其中扇區是軟盤的基本存儲單位，見圖1-20所示。因而利用公式計算得：3.5英寸軟盤存儲容量=2×80×18×512B≈1.44MB?，F今軟盤因容量較小且容易損壞，加上u盤的廣泛應用，其已經基本被淘汰。

zxxkw軟盤（圖）3.5英寸軟盤其軟盤片上、下兩面各被劃分15硬盤

（2）硬盤(HardDiscDrive)硬盤作為微型機的主要外存儲器，它將硬磁盤、硬盤驅動器封裝在一起，其部件大都密封在一個金屬腔體內，用戶通常看不到，如圖1-21所示，硬盤一般固定安裝在主機箱的內部。硬磁盤由若干張合金盤片疊加而成；每張盤片的兩面都涂有磁性材料，用于存放數據；每面都對應一個用于讀寫數據的磁頭，如圖1-22所示。硬盤工作時由驅動器馬達帶動盤片高速旋轉，磁頭沿盤片徑向移動，完成數據的讀寫操作。zxxkw硬盤（2）硬盤(HardDiscDrive)zxxkw16硬盤容量參數

由于人們采用與軟盤類似的結構生產硬盤，如圖1-23所示，所以硬盤的存儲容量取決于：磁頭數(Heads)：表示硬盤總共有幾個磁頭，也就是有多少盤片盤面；柱面數(Cylinders)：表示硬盤每一面盤片上有幾條磁道；扇區數(Sectors)：表示每一條磁道上有幾個扇區；每個扇區一般是512個字節。因此硬盤容量的計算公式為：硬盤容量=磁頭數×柱面數×扇區數×512B。目前單個硬盤的最高容量已經達幾TB，市面上常見的硬盤一般都有幾百GB的容量。硬盤容量參數由于人們采用與軟盤類似的結構生產硬盤，17光盤

（3）光盤(CompactDisk)光盤是不同于磁性載體的光學存儲介質，其利用光學原理進行數據的讀寫。光盤數據的讀寫也需要專門的設備——光驅。按光盤的數據讀寫方式，光盤分為兩類：一類是只讀型光盤；另一類是可記錄型光盤，用戶既可以從中讀取數據，又可以寫入甚至修改數據。光盤（3）光盤(CompactDisk)18U盤

（4）U盤(USBflashdisk)U盤全稱“USB閃存盤”，它是一個無需物理驅動器的微型高容量移動存儲器，可以通過USB接口與計算機連接，實現即插即用，如圖1-25所示。中國朗科公司是世界上U盤的第一個發明者。U盤最大的優點就是：小巧便于攜帶、存儲容量大、價格便宜、性能可靠，抗震性能極強。U盤（4）U盤(USBflashdisk)19移動硬盤

（5）移動硬盤(MobileHarddisk)移動硬盤顧名思義是以硬盤為存儲介質，強調便攜性的存儲產品，見圖1-26所示。市場上絕大多數的移動硬盤都是以標準硬盤為基礎的，價格因素決定著主流移動硬盤還是以標準筆記本硬盤為基礎。因為采用硬盤為存儲介質，因此移動硬盤在數據的讀寫模式與標準硬盤是相同的。移動硬盤多采用USB、IEEE1394等傳輸速度較快的接口，可以較高的速度與系統進行數據傳輸。移動硬盤（5）移動硬盤(MobileHarddisk)20鍵盤

1.4.6輸入/輸出設備1．輸入設備輸入設備是用來接受用戶輸入的原始數據和程序，并將它們變為計算機能識別的二進制存入到計算機存儲器中。微型機的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、操縱桿、光筆等。下面介紹常見的輸入設備鍵盤和鼠標。（1）鍵盤（Keyboard）鍵盤是目前計算機系統中最基本的輸入設備之一，一般通過一根電纜線與主機相連接，當然也有無線鍵盤，鍵盤上包括數字鍵、字母鍵、符號鍵、功能鍵及控制鍵等。鍵盤的按鍵數常見的有104鍵、107鍵等，鍵盤的電纜線接口常見的有PS/2接口和USB接口。

鍵盤1.4.6輸入/輸出設備21鼠標

（2）鼠標（Mouse）

鼠標也是目前計算機系統中最基本的輸入設備之一，它可以對當前屏幕上的光標進行定位，并通過按鍵和定位裝置對光標所經過位置的屏幕元素進行操作。鼠標操作簡便、高效，一般可進行單擊、雙擊、拖動等操作。目前按照按鍵的數目，可分為兩鍵鼠標、三鍵鼠標及滾輪鼠標等；按照鼠標接口類型，可分為PS/2接口的鼠標、串行接口的鼠標、USB接口的鼠標；鼠標按其工作原理，可分為機電式鼠標、光電式鼠標、無線遙控式鼠標等；如圖1-28所示。鼠標（2）鼠標（Mouse）22顯示器

2．輸出設備輸出設備用于將存儲器中的由計算機處理的二進制結果轉變為人們能接受的形式輸出。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。（1）顯示器（Display）顯示器是向用戶直接顯示計算機處理結果的設備，是計