微型计算机硬件系统解析

常见的台式PC的硬件，从外观上看有一台显示器，一个机箱，一个键盘，一个鼠标，有时还会有打印机、扫描仪之类的外接设备。实际上，这些设备绝大部分属于微型计算机的“外围设备”或者叫“输入/输出设备”，而真正的微型计算机的核心部分被安装在机箱之中（见图1-9）。

图1-9 台式PC

a）外观 b）敞开的机箱内部

虽然笔记本计算机比台式PC轻巧和紧凑得多，但是从外观上能够看到的硬件基本上是一样的：机箱、显示器、键盘、鼠标（指点杆或者触控板）以及一些其他的外围设备。至于一些更加专业用途的微型计算机（比如工控机），其结构也或多或少和台式PC相似。实际上，绝大部分微型计算机都由以下几个部分组成：微处理器、存储器和输入/输出设备。

1.微处理器

打开台式PC的机箱，其中最显眼的是一个散热风扇，其下面隐藏着微型计算机的中央处理器（CPU）。微型计算机的CPU一般又称作微处理器或微处理机，它是整个微型计算机的核心。微处理器的全部电路在一块超大规模集成电路之上，并且随着微电子技术的不断进步，一个微处理器所包含的电路越来越复杂，功能越来越强大，处理频率也越来越高。当前微处理器的设计和制造水平已经到了一个空前的高水平，功能强大的微处理器不仅仅用作微机的核心部件，而且一些功能强大的超级计算机也采用主流的微处理器作为其核心部件。

在微型计算机中，微处理器是整个计算机系统的核心，也是控制整个计算机系统运行的部件。微处理器要在软件的控制下执行各种各样的指令，对数据进行处理，并控制整个微型计算机系统中各部件的运行。微处理器中用来对数据进行处理的部件称作算术逻辑部件ALU，它可以执行算术运算（包括定点运算和浮点运算）和逻辑运算（逻辑与、逻辑或等）。当前的微处理器中一般都有多套算术逻辑部件并发工作，由于这些算术逻辑部件大都采用流水线形式运行，故ALU又称算术逻辑运算流水线或算术逻辑运算功能单元。

在微处理器中，为了实现对数据的处理，必然要设计用于暂存数据和传输数据的部件，其中，用来实现对待处理数据和处理结果进行暂存的部件称作寄存器堆。寄存器堆由一系列寄存器组成，这些寄存器能够存储待处理的数据（称作操作数）和处理的结果数据，也可以用来表示当前处理器的状态、正在执行的指令地址等信息。用来存储通用数据的寄存器称为通用寄存器，具有专用用途的寄存器称作专用寄存器。比较常见的专用寄存器有指令指针寄存器（用来存储下一条待执行指令的地址）、处理机状态字（用来表示当前处理机的状态，比如中断状态设置、上一条指令执行的结果是否满足某些特定条件等）、段寄存器和特权寄存器（用于分段内存管理和操作系统的内存保护）等。

寄存器堆可以用来暂存数据，而微处理器内部的数据传输则依赖于微处理器中的数据通路。数据通路是微处理器中将ALU、寄存器堆等各部分连接到一起，供数据传输的电路结构，一般情况下以片上总线的形式组织，所以又称作内部总线。由于当前微处理器的运算能力越来越强大，处理数据的速度越来越快，也就对微处理器内部总线传输数据的能力提出了越来越高的要求。

微处理器的另外一个重要组成部分是微处理器的控制逻辑，即用来控制整个微处理器，进而控制整个微型计算机正常运行的部件。控制逻辑对微处理器要执行的指令进行解码，根据指令解码的结果向微处理器中的所有部件发出控制信号以控制这些部件的工作。随着微处理器的功能越来越强大，微处理器的控制逻辑也越来越复杂，当前的微处理器控制逻辑已经包括总线接口部件、流水控制部件、乱序执行部件、转移预测与处理部件、片上缓存等多种功能各异的部件。其中，微处理器通过总线接口与微型计算机系统的前端总线相连接，从而实现微处理器和外界的沟通。通过前端总线，微处理器可以把控制信号和地址信号传递到微型计算机的其他部分以实现对整个微型计算机的控制，数据也可以通过前端总线在微处理器和微型计算机的其他部分之间传递。ALU、寄存器堆、控制逻辑、内部数据通路等组成了微处理器（见图1-10）。

图1-10 微处理器内部结构简图

在微处理器中，其内部总线的宽度、寄存器的字长、运算器能够处理的字长在通常情况下是相同的，这个位数被称作微处理器的位数。微处理器的位数一般都是8的倍数，例如8位的6502微处理器、16位的8086微处理器、32位的80386微处理器以及64位的安腾处理器等。在一个周期内，一个8位微处理器只能完成1字节的处理，而64位微处理器已经处理了8字节。显而易见，位数越宽，微处理器的处理能力越强。

由于微电子技术的进步，芯片上电路的集成度已经得到非常大的提高，微处理器的设计与实现也越来越复杂。依赖于芯片集成度的支持，现代微处理器普遍内置大容量的Cache，以提高处理器访问存储系统的吞吐能力，进而提高微处理器的性能。同时，大量原本仅用于大型机和超级计算机的技术，如并发处理、乱序执行等也被应用到了微处理器的设计和实现中，使得微处理器的性能得到进一步的提高。

2.主板

在机箱里，我们可以看到一个占据了机箱大部分面积的印制电路板，上面布满了密密麻麻的电子元器件，微处理器就插接在这个印制电路板上，这就是微型计算机的主机板，又叫主板。主板是连接微型计算机各部件的枢纽，微处理器、主存储器、以及软磁盘、硬盘、显示适配器（显卡）、键盘、鼠标、打印机等外围设备都连接在主板之上，并通过主板相互传递信息。为了能够固定在机箱内，主板的设计必须符合一定的规范，其供电插座、外形规格和安装孔的位置都必须按照统一的规格来设计。目前大多数主板都遵循1995年Intel制定的ATX（Advanced Technology eXtended）主板规格，主要有ATX（图1-11a）、Micro ATX（见图1-11b）、mini ATX、Flex ATX、EATX（extended ATX）、EmbATX（Embedded ATX）等。这些主板采用相同的安装方式和电源适配器，只是外形大小上有所不同，以方便安装在不同规格的机箱中，尤其是一些小型机箱内使用。

图1-11 台式PC的主板

a）ATX主板 b）microATX主板

图1-12 基于南北桥结构的微型计算机系统结构示意图

主板的核心是被称为芯片组的一组超大规模集成电路芯片，早期的芯片组由一系列的分立芯片所组成，不同的芯片完成诸如中断管理、直接存储器结构（DMA）、总线管理等不同的功能。随着微型计算机技术的发展，目前的大多数微型计算机的芯片组都由两个芯片组成，这两个芯片被称作“北桥”和“南桥”（见图1-12）。芯片组负责将微处理器和微机的其他部分相连接，提供存储器控制、中断管理、DMA、总线管理、设备接口等功能，其中北桥主要负责高速设备的控制，包括与CPU的连接、存储器控制、Cache控制以及一些高速总线（如AGP）的驱动等，南桥主要负责控制各种中低速设备，并负责管理中断、DMA等。芯片组和微处理器紧密相关，不同处理器需要不同芯片组的配合。芯片组是决定主板级别的关键部件，对于计算机系统的整体性能有非常大的影响。随着芯片集成度的不断提高和微处理器中开始集成存储器控制器（比如AMD Athlon 64微处理器），单芯片的芯片组也已经出现并逐渐流行。

除了芯片组之外，主板上布置有各式各样的连接插座，这些插座用来插接或通过不同规格的电缆连接微型计算机的各种不同的组成部分，比如微处理器、主存储器、硬盘、显示适配器等。主板上最显眼的插座莫过于用来安装微处理器的方形插座，这个插座根据其针脚数和针脚分布上的不同而被赋以不同的名称，比如Socket7、Socket 370、Socket 939等。不同的处理器插座可以使用的微处理器是不同的，例如Intel Core i7使用1366个管脚的Socket1366，AMD PhenomⅡ使用940个引脚的Socket AM2+，Intel Core 2使用775个引脚的Sock-et 775等。

大部分微型计算机主板上只安装一个微处理器插座，这也就限制了这些微型计算机主板只能组成只有一个微处理器的单处理器微机系统。有时，单处理器微机系统不能满足我们对处理性能的需要，这时我们就需要使用一些具有多个CPU插座，能够支持多处理器协同工作的多处理器主板来构造对称多处理器（SMP）的高性能微机工作站或服务器（见图1-13）。这些支持多处理器的主板无论使用的芯片组还是主板的布线上都与单处理器微机主板不同，其价格也要昂贵很多。由于价格和设计难度因素，多处理器主板以支持两个微处理器的双处理器主板最为常见。

图1-13 支持多处理器的PC主板

a）双处理器 b）四处理器

在微处理器的插座旁边，我们可以看到2～6个长条状的插座，这是用于连接微型计算机主存储器的内存条插座。早期的微型计算机中，存储器芯片是直接焊接在主板上的，这对于用户升级存储器非常不利，于是焊接在条状印制电路板上并通过插座插接到主板上的内存条应运而生。经过不断的发展，目前的内存条主流产品已经发展到了使用双列直插（DIMM）方式插接到主板上的DDR2和DDR3 SDRAM，而具有更高性能的DDR4 SDRAM也已研制成功即将面市。

主存储器是微型计算机的重要组成部分，系统中所有正在执行的程序和正在被处理的数据都必须存储在主存储器之中，方能被微处理器所使用。因此，主存储器的性能对于微型计算机整体的性能至关重要。一般来讲，主存储器的性能主要取决于两个因素：主存储器的容量和主存储器的访问速度。大容量的主存储器能够有效地减少操作系统页面缺失的次数，降低虚拟存储带来的开销，同时操作系统经常使用主存储器未使用的部分作为磁盘的缓冲区来使用，这也使得大容量主存储器能够有效地提高系统磁盘的访问速度，目前的微型计算机主存储器一般为几GB甚至更多。

主存储器的访问速度决定了微处理器读/写主存储器需要的时间，对于系统的整体性能具有同样重要的影响。主存储器的访问速度主要取决于两个因素：主存储器中存储单元的访问速度和主存储器与微处理器之间的数据传输带宽。受到技术的限制，主存储器中存储单元的访问速度很难得到大幅度的提升，目前提高主存储器访问速度的主要方法就是提高主存储器与微处理器之间的数据传输带宽。在大部分主板上，主存储器与微处理器之间通过前端总线相连，其数据传输带宽可以视为等于前端总线的带宽。

除了微处理器和主存储器之外，在主板上还有各式各样不同颜色的插座，这些插座插接或安装着大量微型计算机的外围设备（又称输入/输出设备），如键盘、鼠标、硬盘、光驱、显卡、声卡、调制解调器、网卡、打印机、扫描仪、摄像头等。这些外围设备和微处理器、主存储器一起组成微型计算机的硬件。

3.输入/输出设备

微处理器实现了对数据的处理，主存储器提供了数据的存储能力，这些被存储和处理的数据从哪里来，处理的结果又要到哪里去？答案是输入/输出设备。如果把微处理器和存储器比喻为人的大脑，用来存储信息和处理信息，那么输入/输出设备就是人的身体，用来从系统外获得数据和将处理结果输出到系统之外。微型计算机的输入/输出设备绝大多数通过一些标准接口直接或间接地连接到主板上，这也是主板上布满插座的原因。

对于输入/输出设备有很多分类方法，比如根据数据的流向可分成输入设备和输出设备，输入设备负责从外界将数据输入到计算机系统中，输出设备则将计算机系统中的数据输出到外界。根据数据的传送方式，输入/输出设备又可以分为以一个字符为数据传送单位的字符型设备和每次传送由多字节组成的数据块的块设备。根据其用途来分，微型计算机中常见的输入/输出设备可以分成四类：用户接口设备、外部存储设备、网络通信设备和其他输入/输出设备。

（1）用户接口设备

用户接口设备是为了实现计算机与用户之间的交互而连接的输入/输出设备，其主要目的是从用户处得到各种输入信息并转换为计算机的内部编码，以及将计算机内部编码的数据以对于使用者可读和友好的符号、图形或声音展示给用户，从而实现计算机与用户之间的信息交换和允许用户对计算机进行控制。常见的用户接口设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、显示适配器与显示器、打印机、声音适配器与音箱等。

键盘是微型计算机最传统的输入设备之一，早期的PC采用83键的键盘作为主要输入设备，其接口为5针圆形的AT键盘接口。随着PC的不断演化，PC的键盘也发生了巨大的变化，其接口由AT键盘接口演变成为现在流行的PS/2接口（小型圆形接口，6针）和USB接口，键的数量由83键增加到101或104个，排列方式也有所不同（见图1-14）。

除了这些之外，我们还经常能够见到通过无线、红外或蓝牙技术与主机之间连接的无线键盘，外形上更加符合人体工程学的人体工程学键盘，专门用来输入数字的数字小键盘，键盘上字母排列方式不同的Dvorak键盘等。虽然键盘可以算是微型计算机中最古老的设备之一，但它今天仍是计算机最主要的文字输入设备，关于键盘的创新依旧层出不穷，比如可以折叠的软键盘、通过投影和传感器感应而实现的激光投影键盘等，这些创新给键盘带来了更强的功能、更佳的便携性和更广的使用范围。

鼠标是微型计算机中另外一种经常被使用的输入设备，它用来控制屏幕上的光标，并通过鼠标上的按键和滚轮对光标所在位置的屏幕元素进行操作。鼠标最早出现于1968年，美国科学家、后来获得图灵奖的道格拉斯·恩格尔巴特（Douglas Englebart）在加利福尼亚斯坦福大学制作了世界上第一只鼠标。鼠标的出现和图形用户接口一起促进了微型计算机人机接口从字符界面向图形界面的转变，成为了微型计算机得以普及的一个重要因素。

图1-14 PC的键盘

a）PC/XT所使用的83键键盘 b）标准104键键盘 c）带有一些附加功能键的多媒体键盘 d）笔记本计算机上使用的键盘

目前我们常见的鼠标通常由一组机械或光学结构的定位设备和两个按键、一个滚轮组成，有些鼠标的按键数目更多，以提供一些专用的快捷按键。早期的PC通过9针串行通信端口连接鼠标，后来被通过PS/2接口连接的鼠标所取代，而今天大部分鼠标则采用USB接口连接，还有采用红外、射频或蓝牙连接的无线鼠标。在笔记本计算机中，触控板和指点杆经常被用作鼠标的替代品。除此之外，轨迹球、输入笔、触摸屏等也经常被作为鼠标的替代品使用（见图1-15）。

和键盘一样，鼠标也是随着微型计算机的发展而不断发展变化的，从早期的机械式鼠标到现在的光电式鼠标，鼠标一直在向更准确、更快速和更方便人们使用的方向努力，图形用户接口的普及也使得鼠标成为当前微型计算机不可缺少的输入设备。

除了键盘和鼠标之外，常见的用户输入设备还有扫描仪、摄像头等。

在用户接口设备中，键盘和鼠标是最常见的输入设备，而最常见的输出设备则是显示器和用来连接显示器的显示适配器（俗称显卡）。早期的IBM PC使用的是单色或彩色CRT显示器，配合单色MDA或彩色CGA显卡使用。这两种显卡都支持80×25个字符的文字显示模式，这种文字模式的分辨率一直到现今仍是个人电脑的标准。在图形显示方面，CGA最高能够显示16色的图形或支持640×200的分辨率，而最常用的一种绘图模式则是320×200分辨率×4色。随着显示技术的不断发展，EGA、VGA、XGA等显示标准的出现以及显卡技术的不断革新，显卡和显示器的显示能力也不断提高。今天的显示器的最大分辨率已经超过CGA的十倍以上，对色彩的支持也由16色发展到目前的2²⁴和2³²真彩色的水平。

从显示原理上来讲，我们目前常见的显示器有CRT显示器和液晶显示器两种，CRT显示器价格较低，但体积较大而且电磁辐射比较严重，正在逐渐被更轻薄和环保的液晶显示器所取代（见图1-16）。除此之外，等离子显示器、场致发光显示器等平板显示器也在大屏幕显示方面占有一席之地。

图1-15 鼠标

a）世界上第一只鼠标 b）无线鼠标 c）PS/2接口的轨迹球 d）指点杆（键盘中部红点）与触控板

图1-16 显示器

a）IBM PC及其使用的单色显示器 b）CRT显示器 c）液晶显示器

在PC中，显示器是通过显卡连接到系统总线上的，根据显卡与主板之间的关系，显卡又可以分成独立显卡和集成显卡两种。其中集成显卡将显示芯片等显卡的组成部分集成到主板上，并使用主存储器作为显示存储器（俗称显存），从而达到降低造价和提高集成度的目的，一般用于对显示效果要求比较低的低端PC和办公用微机；独立显卡则单独插在主板的扩展插槽上，使用独立的显存，具有较好的性能和扩展性，这种显卡在高端PC和图形工作站上使用比较普遍。在某些对显卡性能要求很高的应用场合，甚至可以将多个独立显卡采用一些特别的技术捆绑起来使用，共同处理一个单一的影像输出，从而实现非常高性能的图像处理。

早期的显卡功能比较单一，只是将显存中的数据原样显示在显示器上。二十世纪九十年代初期，人们对高性能、高分辨率2D位图图形运算的需求给显卡提出了更高的要求，1991年，S3 Graphics推出了第一款单芯片的2D图像加速器，其后，具备3D加速功能的显卡也开始出现并逐渐占领市场。2002年，nVIDIA第一次提出了GPU的概念，将计算机中专门用来处理图像运算与输出工作的芯片视作一个独立单元来设计使用。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并分担了部分原本是由CPU所担当的工作，尤其是在进行3D图形处理时，功效更加明显。由于其专用性和易于实现并行处理等特点，目前的GPU性能甚至已经超过了同级的CPU。

显卡通常是通过系统总线插槽连接到主板上的，早期的显卡使用ISA总线与系统连接，后来又出现过使用VESA总线、PCI总线和AGP总线连接的显卡，现在的显卡大多数使用PCI-Ex-press总线连接到系统中，AGP总线接口的显卡也还有少量使用。显卡的输出不仅仅能够通过显示器展示给用户，而且也可以连接到投影仪或者其他设备上，以实现更加灵活的显示输出。

除了显示器之外，打印机是另外一种经常使用的输出设备。打印机将需要展示的内容通过文字或图形等各种不同的方式印制到纸张上以便传播或保存，所以又被称作“硬拷贝”。根据是否具有彩色打印能力可将打印机分成黑白打印机和彩色打印机两种，一般情况下彩色打印机的价格和耗材价格也要高于黑白打印机。根据打印原理的不同，打印机可以被分为击打式打印机（高尔夫球打印机和菊瓣字轮式打印机）、行式打印机（鼓式打印机和链式打印机）、针式打印机（又称点阵式打印机）、激光打印机、喷墨打印机、热升华打印机等。其中激光打印机和喷墨打印机目前使用得比较广泛，针式打印机也在某些特定场合有所使用（见图1-17）。早期的打印机一般通过并行通信接口与计算机主机相连接，随着USB接口的出现和流行，USB接口的打印机已经逐渐取代了并口打印机成为当前的主流，而且内置打印服务器和网络接口的网络打印机和将打印机、扫描仪、传真机等结合在一起的多功能一体机越来越普及。经过多年的发展，打印机已经不仅仅限于打印文字和普通的图形，而且能够满足条形码、蓝图、彩色照片等特殊打印需求，其应用范围越来越广泛。和打印机类似的硬拷贝输出设备还有用来实现大幅面输出的绘图仪等。

图1-17 打印机与绘图仪

a）针式打印机 b）激光打印机 c）喷墨打印机 d）多功能一体机 e）条码专用打印机 f）绘图仪 g）平板式绘图仪(www.xing528.com)

随着微型计算机性能的不断提高，多媒体应用，包括音频应用和视频应用（比如播放音乐或视频录像）越来越成为微型计算机应用的主流，仅仅依靠主板上的喇叭所发出的声音难以满足多媒体应用的需求。为此，声音适配器（声卡）和音箱逐渐成为微型计算机必不可少的组成部分。声卡可以把来自话筒、收音机、录音机、激光唱机等设备的语音、音乐等声音，变成数字信号交给电脑处理，并以文件形式存盘，还可以把数字信号还原成为真实的声音通过音箱输出。声卡尾部的接口从机箱后侧伸出，上面有连接麦克风、音箱、游戏杆和MIDI设备的接口，其中部分音箱、麦克风等设备接口也被延伸到机箱前侧以方便用户插接设备。早期的声卡通过ISA或PCI总线连接到主板之上，目前各大主板厂商所推出的主板绝大多数内建AC97音效功能，独立的声卡已经只被使用在一些高端音频应用领域。

除了上述这些用于用户接口的输入/输出设备之外，随着人机交互手段研究的不断深入，各种新型的用户接口输入/输出设备也不断涌现，比如通过感知人体动作的传感器输入用户命令、通过立体眼镜给用户虚拟现实的视觉感受等。

（2）外部存储设备

外部存储设备又称外存储器，是另外一种微型计算机外围设备，也是微型计算机中用来存储信息的主要设备。和主存储器相比，外存储器主要有两个特点：

1.非易失性。和主存储器断电后无法保存信息不同，外存储器使用的存储介质都可以在断电后维持信息的保存而不会丢失信息。

2.单位存储容量的价格相对低廉。外存储器使用的存储介质通常价格相对比较低廉，从而能够在相同或相近价格的情况下得到更大的存储容量。

外存储器的这些特点决定了它们的用途：在断电后持续存储大容量的数据，并在系统加电运行的时候与主存储器进行数据交换以使用这些数据。微型计算机中常见的外存储器有：磁带、软磁盘、硬盘、光盘、闪存盘等。

磁带是一种按序块存储设备，它价格低廉，存储量大，但是无法随机存储，所以常被用于大容量数据备份。最早的IBM PC曾使用卡式磁带机作为其标准存储装置，但绝大多数IBM PC都是安装有软盘驱动器而出厂的。直到今天，由于其低廉的价格和较高的可靠性，磁带仍被用于数据中心的大规模数据备份（见图1-18）。

图1-18 各种各样的磁带和磁带机

软磁盘又叫软盘（Floppy Disk），最早于1967年由IBM公司推出，当时的软磁盘直径达32英寸（1英寸=2.54厘米），4年后软盘的直径减小至8英寸，后来又出现5.25英寸和3.5英寸的软盘。软盘是由一个在比较硬的塑料外壳和在这个外壳保护之下的一个表面涂有磁性金属氧化物的塑料圆盘组成，塑料圆盘表面的金属氧化物用来记录信息。软磁盘的读写需要通过软盘驱动器（又称FDD）进行，软盘驱动器中的磁头接触到软盘的盘面并读写数据，不同规格的软盘需要使用不同的软盘驱动器（见图1-19）。IBM PC早期使用的是5.25英寸的单面双密度软盘驱动器，其容量为每张软盘160 kB，后来的PC/XT中使用了360 KB的双面双密度5.25英寸的软盘驱动器。除了这两种规格之外，软盘还曾经出现过1.2 MB的5.25英寸软盘，720 KB、1.44 MB、2.88 MB的3.5英寸软盘等规格，其中1.2 MB的5.25英寸高密度软盘和1.44 MB的3.5英寸高密度软盘使用最为普遍，在一段时间之内，这两种软盘，尤其是后者曾经是PC进行数据存储和交换的主要手段。

图1-19 软盘和软盘驱动器

a）8 inch、5.25 inch和3.5 inch软盘驱动器 b）5.25 inch软盘驱动器及软盘 c）3.5 inch软盘

软盘介质读取方式有着其固有的局限：磁头在读写磁盘数据时必须接触盘片，而不是像硬盘那样悬空读写，而且软盘的存储稳定性也较差（一张正常的软盘，容易受到外界环境影响，如受热、受潮、多次读写，均会降低其寿命），它已经难以满足大量，高速的数据存储的要求。虽然后来有很多升级产品如zip、LS120及Jaz Drive等，但都难以同时解决兼容性和速度容量两者之间的矛盾。随着光盘、闪存盘等移动存储介质的应用，3.5英寸的软盘已很少使用，而5.25英寸及8英寸的软盘已被淘汰。

和磁带、软盘类似，硬盘也是以磁介质记录信息的一种计算机外围设备。它在平整的硬质磁性表面存储和检索数字数据，信息通过离磁性表面很近的读写磁头，由电流来改变极性方式将信息写到磁盘上或磁场导致线圈中电流的改变而读出磁盘上的信息。硬盘最早由IBM公司于1956年推出，而硬盘在PC中的使用则可以追溯到PC/XT中使用的5.25英寸10 MB硬盘驱动器。

硬盘由盘片、磁头、盘片主轴、控制电动机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分组成。所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度高速旋转，盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个不到10 nm的微小距离，这样磁头就能在不划伤盘面同时也不被盘面所损伤的情况下，对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。和软盘不同，硬盘的盘片和驱动器是安装在一起的，盘片无法单独更换。

和软盘相仿，PC上使用的硬盘的尺寸也一直在不断减小，从早期的5.25英寸（盘片直径）逐渐减小到3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸。目前台式微型计算机中常见的硬盘为3.5英寸，而笔记本计算机中使用的硬盘为2.5英寸，1.8英寸硬盘则用于一些超轻薄的笔记本计算机之中。除此之外，我们还可以在一些便携电子设备中看到1英寸或0.85英寸的硬盘（见图1-20）。与此同时，硬盘的容量也发生了巨大的变化，目前的台式机硬盘容量已经达到3 TB并仍然在不断增长之中。

早前的PC使用ST506/ST412专用硬盘接口连接硬盘，后来这些接口被ATA（IDE）和SCSI取代。IDE硬盘将硬盘控制器与盘体集成在一起，通过一条40脚的并行数据线连接到主板上，具有比较好的相容性和比较低的价格，所以一度被非常广泛使用于桌面系统和笔记本计算机。与此同时，具有更高性能和更加昂贵的SCSI接口则多用于工作站级PC和服务器中的硬盘连接。目前，IDE接口正在逐渐被使用低电压串行差分信号而且具有更高性能的SATA接口取代，这也是当前微型计算机内部接口串行化浪潮的一个组成部分。

图1-20 硬盘

a）硬盘正面 b）背面 c）内部结构，可以看到盘片与磁头 d）不同尺寸磁盘（从下到上：3.5”、2.5”、1.8”、1”）e）5英寸硬盘与3.5英寸硬盘

除了磁带、软盘、硬盘这些磁记录设备之外，PC还会使用一些其他方式记录数据的外存储设备，目前比较多见的是光盘和闪存盘。

光盘是一种使用激光束在塑料圆盘上记录和读取信息的设备，它通过将低能量的激光束照射到光盘片的表面上，根据反射光强度的大小来判断数据是0还是1。光盘不仅仅用在计算机中保存信息，同时还被用于保存音频（CD）和视频（VCD、DVD）。作为一种可移动存储设备，光盘的容量比同为可移动存储设备的软盘大得多，早期的CD-ROM光盘每张盘片的存储容量在650～700 MB左右，单面单层DVD的容量为4.7 GB，双面单层DVD的容量为8.5 GB，而最新的蓝光光盘的容量则可以达到双面50 GB。

和硬盘、软盘等磁性存储设备不同，光盘使用记录层上染料中的小孔来记录信息，这种记录方式决定了光盘和软盘、硬盘等磁性存储设备在数据存取上的不同特点。光盘的读取比写入要容易得多，这也就决定了光盘的主要用途。根据写入能力的不同，光盘被分为三类：无法写入的光盘、一次性写入的刻录盘和可以多次擦除的可擦写光盘，其中无法重新写入的光盘只能在制作时将数据固定在光盘上，多用于音乐、视频、数据、软件等的发布；一次性写入的刻录盘则以不含资料的“空白盘”的形式出售，用户可以使用刻录机将数据写入到刻录盘上，数据一经写入即无法更改，多用于资料永久性备份等用途；可擦写光盘（CD-RW、DVD-RW等）可以使用特定的设备进行多次擦除重写，但由于成本较高而使用范围较为狭窄。在PC中多见的是无法写入的CD-ROM盘片或DVD-ROM盘片，以及一次性写入的CD-R盘片和DVD±R盘片。

光盘必须通过光盘机进行读写，目前PC中使用的光盘机多数置于机箱内并使用ATA或SATA接口连接到主板上，还有一些外置式光盘机使用USB等其他接口（见图1-21）。当前市场上常见的光盘机分为两种：只能读取数据的光盘驱动器（光驱）和可以刻录光盘的刻录机；普通的光盘驱动器只能用来读取CD和DVD盘片上的内容，而刻录机增加了在一次性写入的CD-R盘片和DVD±R盘片上写入的能力。除此之外，在某些笔记本计算机中还可以见到一种能够读取所有盘片和刻录CD-R盘片的具有有限刻录能力的刻录机，被称作COMBO（康宝）。在早期DVD技术尚未发明和普及的时候，还有只能用来操作CD盘片的CD光盘驱动器和CD刻录机，现在已经很难见到。

图1-21 光盘与光盘驱动器

a）光盘 b）台式机内置光驱 c）笔记本光驱 d）USB外置光驱

闪存盘即以闪存为存储手段的外存储器。闪存全称快闪存储器（Flash memory），是一种允许在操作中被多次擦或写的存储器。闪存是非易失性的存储器，断电后仍然能够保存其中的信息，而且闪存的成本远较以字节为单位写入的EEPROM低，因此它是非易失性固态储存最重要也是应用最广的一种。闪存还具有相当低的读取延迟（虽然没有计算机主存储器的DRAM那么快）、更佳的动态抗振性、更好的抗高压与抵抗极端温度的能力，所以被广泛使用在移动存储设备中（见图1-22）。

图1-22 各种闪存盘与闪存卡

a）U盘 b）微型U盘 c）SD存储卡 d）CF卡 e）安装在笔记本计算机中的迅盘 f）拆解开的固态硬盘

闪存盘有很多种不同的接口和不同的用途，PC中最为常见的有使用USB接口的U盘（或称优盘）、使用硬盘接口的固态硬盘以及使用一些专用接口的闪存卡（如SD卡、CF卡等）。除此之外，由于闪存的低读取延迟，Intel还推出一种被叫做“迅盘”（Turbo Memory）的技术，使用闪存来实现硬盘和主存储器之间的一级更大规模的缓存及其他的功能，进一步提高系统的整体性能。

由于闪存盘的高性能和低价格，其使用范围非常广泛。比如闪存卡不仅仅使用在计算机系统中，还被用于手机、数码相机、PDA、GPS导航仪等各种数码设备之中。同时，使用闪存替代盘片存储数据的固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive——SSD）也正在逐渐推广使用，凭借其更高的性能和更好的安全性正在蚕食传统硬盘，尤其是笔记本硬盘的市场。

（3）网络通信设备

网络通信设备是微型计算机之间以及微型计算机与其他设备之间实现通信与数据交换的设备。在当前的微型计算机中，常见的网络通信设备有网络适配器、串行通信接口、并行通信接口等。

随着计算机技术和网络技术的不断发展，目前已经很少看到不能连接网络的微型计算机了，大部分计算机都已经连接到了Internet这张覆盖世界的大网之中。从连接渠道来分，微型计算机连接到Internet的方式可以有两种：通过调制解调器等设备直接连接到Internet，或者通过连接到局域网的方式间接地连接到Internet。

借助于各种调制解调设备的帮助通过模拟网连接到Internet是早期Internet常见的网络接入方式，而使用这种方式连接Internet离不开将PC所用的数字信号进行调制和解调的调制解调器。调制解调器（MOdulator-DEModulator，Modem），是一个将数字信号调制到模拟载波信号上进行传输，并解调收到的模拟信号以得到数字信息的电子设备。根据不同的应用场合，调制解调器可以使用不同的手段来传送模拟信号，比如使用光纤，射频无线电或电话线等。使用普通电话线音频波段进行数据通信的电话调制解调器是人们最常接触到的调制解调器。在口语中，很多人将电话调制解调器根据其英文发音的谐音称为“猫”。

由于公共电话网（PSTN）本身的限制，通过调制解调器进行网络通信的带宽是有一个上限的，目前最常见的每秒钟可以传输56 Kbit/s的调制解调器实际上已经十分接近这个上限了。也就是说，通过“猫”拨号上网的带宽已经无法得到进一步的提升，这也是通过“猫”拨号上网正在不断被其他具有更高带宽的接入方式取代的一个重要原因。

在早期的微机中，“猫”通常通过串行接口与微机主机相连接，后来USB接口的调制解调器又流行了一段时间；今天，很多主板，尤其是笔记本计算机的主板已经集成了调制解调器，加上使用“猫”来拨号的Internet连接方式已经比较落后和正在逐渐退出市场，分立的电话调制解调器已经很少再见到了。

实际上，调制解调设备不仅仅限于使用普通电话线音频波段进行数据通信的“猫”，DSL调制解调器（尤其是ADSL调制解调器）、有线电视电缆调制解调器、用于电力线接入的电力调制解调器、电信传输设备中的微波调制解调器和光调制解调器等设备实质上都是使用在不同传输介质上的调制解调器。这些调制解调器所提供的带宽差别甚大，微波调制解调器的速率可以达到每秒上百万比特，而使用光纤作为传输介质的光调制解调器可以达到几十Gbit/s以上。同时，一些通过无线方式接入Internet的接入设备，比如GPRS、CDMA上网卡等实质上也是一种无线调制解调器（见图1-23）。

和使用调制解调设备通过模拟网连接到Internet相比，通过数字式的局域网连接到Inter-net的方式更加稳定和高带宽，因而也更受欢迎。微型计算机与局域网之间的相连离不开网络适配器，即我们俗称的网卡，根据网络连接的方式，目前常见的网卡有两种：有线网卡与无线网卡，分别用于连接有线局域网和无线局域网。

无论从技术难度还是从成本上来看，有线网络的发展都要比无线网络来得容易，这也就使得自从上个世纪80年代局域网开始流行以来，有线网络的普及程度一直高于无线网络的原因。在PC发展的早期，也正是局域网开始发展的20世纪80年代，由于局域网多样的技术和不统一的标准，使用在PC上的局域网接口设备也是多种多样的，其中最主要的有用于连接以太网的以太网适配器（以太网卡）、连接令牌总线网的令牌总线适配器以及连接令牌环网的令牌环网网卡。随着局域网技术的不断发展，结构更简单而且具有更高性价比的以太网逐渐占据了局域网的统治地位，令牌总线网卡和令牌环网卡逐渐退出了历史舞台。

图1-23 调制解调器

a）串行接口的56Kbit/s Modem b）USB接口的Modem c）内置Modem（PCI接口） d）ADSL Modem e）无线上网卡（左为PCMCIA接口，右为USB接口）

由于以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等多种不同的传输介质，以太网卡也相应地具有适用于不同传输介质的不同接口。目前以太网卡中最常见的传输介质接口是有8个引脚的RJ-45接口，用来通过双绞线连接到集线器或交换机上（见图1-24）。

图1-24 各种网卡

a）PCI接口网卡 b）连接光纤的网卡 c）PCMCIA网卡 d）主板上集成网卡的RJ-45接口 e）PCI接口无线网卡 f）PCMCIA接口无线网卡 g）USB接口无线网卡

和有线局域网相比，无线局域网（WLAN——Wireless LAN）虽然在传输率和稳定性上相对较差，但不需要电缆连接的特性带来了有线网无法比拟的自由，这也是无线局域网被广泛使用在机场、酒店、办公室等场合的原因。微型计算机用来连接到无线局域网的设备就是无线网络适配器，也就是我们常说的无线网卡。无线网卡通过发射和接收电磁波与连接到有限局域网的无线访问点（Wireless Access Point）进行通信，并通过PCI、PCMCIA、USB等接口与微型计算机相连接，从而将微型计算机连接到局域网之中。PCI总线接口的无线网卡常被用在台式计算机上，而笔记本计算机上经常使用的则是PCMCIA和USB接口的无线网卡（见图1-24）。

随着芯片集成度的不断提高，目前大多数主板上已经集成了以太网卡，而在笔记本计算机中，集成无线网卡也正在成为一种主流的配置，这就使得微型计算机更加容易连接到局域网之中。

（4）其他输入/输出设备

除了上述几类输入/输出设备之外，微型计算机还可以连接各种不同用途的输入/输出设备，比如用于控制各种工业设备的控制器、用于获取各种外界状态的探测器等。这些输入/输出设备通常通过一些标准接口连接到微型计算机系统之中。常用的接口有串行接口、并行接口以及各种总线接口等。

串行接口（简称串口）和并行接口（简称并口）是微型计算机中常见的输入/输出设备标准通信接口。串行接口主要遵循RS-232-C和RS-485标准，使用9针或25针D型插座连接；并行接口则使用25针D型插座。早期的X86系列微型计算机都会通过多功能卡或者直接由主板支持两个分别被称作COM1：和COM2：的串口和一个被称作LPT：的并口，用来连接诸如鼠标、打印机、扫描仪等输入/输出设备。而随着USB总线越来越流行，大部分输入/输出设备都改用USB作为其标准接口，主板上的串口和并口也越来越少。目前的台式机主板通常会提供一个串口和一个并口，有些新设计的台式机主板也不再提供板载的串口和并口，笔记本计算机主板不提供板载串口和并口则早已经成为惯例。对于那些由于某些原因而必须使用串口和并口的情况（如通过串口或并口连接工业控制设备或逻辑编程设备），连接到USB、PCMCIA、Express Card或PCI总线上的串口转换器或并口转换器可以提供主板不提供的串行或并行接口（见图1-25）。

图1-25 串行接口与并行接口

a）9针D型串口接口 b）25针D型并口接口 c）Express card串并口卡 d）USB多串口转换器 e）提供多个串口（9针D型接口）的专用主板

除了串行接口和并行接口之外，微型计算机之中用来连接输入/输出设备的标准接口还有PCI、PCI Express、PCMCIA、USB等各种系统与外设总线，绝大部分输入/输出设备都可以通过这些总线连接到微型计算机系统之中。