了解微型计算机硬件系统

任务内容

·计算机的硬件组成。

·常用硬件设备的工作原理与性能指标。

任务要求

·熟悉组成计算机的硬件设备。

·熟悉计算机常用硬件的工作原理与性能指标。

微型计算机硬件由中央处理器、总线与主板、存储器、输入设备和输出设备等组成，其结构如图1-5所示。下面对构成微型计算机的常用硬件作一些具体介绍。

图1-5　微型计算机系统硬件组成示意图

1.中央处理器

中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，是由超大规模集成电路（VLSI）工艺制成的芯片；CPU主要由运算器和控制器组成，它还包含若干寄存器等。

运算器又称为算术逻辑单元，简称ALU，其主要功能是完成对数的算术运算和逻辑运算等操作。

控制器负责从存储器中取出指令、分析指令、确定指令类型并对指令进行译码，按时间先后顺序负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调工作。

寄存器是用来存放当前运算所需的各种数据、地址信息、中间结果等内容。

微型计算机系统的性能指标主要由CPU的性能指标决定。CPU的性能指标主要有时钟频率和字长。时钟频率以MHz或GHz表示，通常时钟频率越高其处理数据的速度相对也越快。CPU时钟频率从过去的466MHz、800MHz、900MHz发展到今天的1GHz、2GHz、3GHz以上。

字长表示CPU每次处理数据的能力，按字长可分为8位、16位、32位、64位CPU。例如，Intel 80286型号的CPU每次能处理16位二进制数据，80386和80486型号的CPU每次能处理32位二进制数据，而Pentium 4型号的CPU每次能处理64位二进制数据。

CPU大部分使用了Intel和AMD等公司的产品，如图1-6所示。

图1-6　CPU芯片

2.总线与主板

组成计算机硬件的部件有：CPU、主存、辅存、输入/输出设备等，要使这些部件能够正常工作，必须将它们有机地连接起来形成一个系统，在计算机中通过总线将它们连接为一个系统。总线就是系统部件之间传送信息的公共通道，各部件由总线连接并通过总线传递数据和控制信号。

微型计算机中总线分为内部总线和系统总线两种，平时所说的总线是指系统总线。

内部总线通常是指在CPU内部运算器、控制器与寄存器各组成部分之间相互交换信息的总线。系统总线是指CPU、主存、I/O接口之间相互交换信息的总线。系统总线有数据总线、地址总线和控制总线三类，分别传递数据、地址和控制信息。系统总线的硬件载体就是主板。主板由印刷电路板、CPU插座、控制芯片、CMOS只读存储器、各种扩展插槽、键盘插座、各种连接开关以及跳线等组成，如图1-7所示。

图1-7　标准ATX结构的Pentium 4主板

3.内存储器

存储器分为内存储器和外部存储器两大类，内存储器也叫主存储器，简称内存或主存，如图1-8所示，用于存放当前运行的程序和程序所需的数据，它和CPU直接相连。内存一般由半导体材料构成，存取速度快，容量相对较小，价格较贵。

图1-8　内存

内存主要有两种：一种叫作随机存取存储器，简称RAM；另一种叫作只读存储器，简称ROM。

（1）RAM

RAM是一种既可以存入数据，也可以从中读出数据的内存，平时所输入的程序、数据等便是存储在RAM中的。但计算机关机或意外断电时，RAM中的数据就会消失，所以RAM只是一个临时存储器。RAM又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。SRAM的价格与速度比DRAM高。

（2）ROM

ROM是只能从中读出数据而不能将数据写入的内存。在关机或断电时，ROM中的数据也不会消失，所以多用来存放永久性的程序或数据。ROM内的数据是在制造时由厂家用专用设备一次写入的，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。随着半导体技术的发展，陆续出现了可编程只读存储器PROM、可擦除的可编程只读存储器EPROM、电可擦除可编程只读存储器E2PROM等，它们都需专用设备才可写入内容。

内存用于存储程序和数据，衡量内存容量大小的单位有位（bit）、字节（Byte）、KB、MB、GB等，其中位表示一个二进制数据“0”或“1”，然后依次定义其他存储单位。

1B=8bits

1KB=210B=1024B

1MB=210KB=1024KB

1GB=210MB=1024MB

（3）高速缓冲存储器（Cache）

由于CPU速度的不断提高，而主存由于容量大，读写速度大大低于CPU的工作速度，直接影响了计算机的性能。为了解决主存与CPU工作速度上的矛盾，设计者们在CPU和主存之间增设一至两级容量不大但速度很高的高速缓冲存储器（Cache）。Cache中存放最常用的程序和数据，当CPU访问这些程序和数据时，首先从高速缓存中查找，如果在则直接读取，如果不在Cache中，则到主存中读取，同时将程序或数据写入Cache中。因此采用Cache可以提高系统的运行速度。Cache由静态存储器（SRAM）构成。

例如，Pentium 4中有3个Cache存储器，分成两级：

·一级缓存（L1 Cache）：数据缓存容量为8KB，指令缓存容量为8KB。

·二级缓存（L2 Cache）：容量为256KB～2MB。

4.外存储器

外部存储器也称辅助存储器，简称外存或辅存，属于永久性存储器，外存不直接与CPU交换数据，当需要时先将数据调入内存，再通过内存与CPU交换数据。外存与内存相比，其存储容量大、价格较低、存取速度较慢，但在断电情况下可以长期保存数据。常用的外存储器有软盘、硬盘、U盘以及光盘等。

（1）软盘存储器

软盘存储器是由软磁盘、软盘驱动器和软盘驱动适配器组成。软磁盘又称软盘片，简称软盘，它是一种两面涂有磁性物质的聚酯薄膜圆形盘片，被封装在一个方形的保护套中。软盘按其尺寸大小可分为5.25英寸和3.5英寸盘，常用的是3.5英寸盘，如图1-9所示。

图1-9　3.5英寸软盘片

一个软盘片有两个磁面，磁面上有许多同心圆，这些同心圆称为磁道，每个圆周为一个磁道，数据存储在软盘的磁道上，通常软盘的磁道数为80，磁道编号由外圈向内圈增大，最外面为0磁道，最大为79，即0～79。将同心圆等分为若干个扇区，扇区是磁盘地址的最小单位。一般每个扇区可存储512B的数据，与主机交换信息是以扇区为单位进行的。

图1-9中的快门是可左右移动的金属片，保护读写窗口。写保护口则对软盘中的数据进行读写保护：缺口关闭，可读出数据，也可写入数据；缺口打开，只能读出数据而不能写入数据，此时处于保护状态。

磁盘的存储容量可用如下公式计算：

容量=软盘面数×每面磁道数×每磁道扇区数×每扇区内存字节数

例如，一张3.5英寸的双面高密度软盘，每面80个磁道，每磁道18个扇区，每个扇区存储512B的数据，所以其存储容量为

存储容量=2×80×18×512B=1.44MB

新磁盘在使用前首先要进行格式化操作，格式化的作用主要是将磁盘分区，给磁道和扇区编号，设置目录表和文件分配表，检查有无坏磁道且给坏磁道标上不可用标记。如果软磁盘已经存储有数据，对其进行格式化时原有数据将被删除。有些新磁盘在出厂前已经格式化，可直接使用。

（2）硬盘存储器

硬盘存储器简称硬盘，由若干个盘片组成，这些盘片置于同一个轴上，盘片的两面均可存储信息，每一面有不同的编号。目前常用的硬盘是将盘片、磁头、电机驱动部件等做成一个不可随意拆卸的整体，并密封起来，如图1-10所示。

图1-10　硬盘

硬盘用来存储数据信息，这些信息都存储在磁介质上。电脑将“0”或“1”的电信号通过磁头在磁介质上转化为磁信息而完成写入的过程，也可以将磁介质上已记录的磁信息通过磁头还原为表示“0”或“1”的电信号而完成读取过程。硬盘防尘性能好、可靠性高，一般固定在计算机机箱内部，相对软盘而言，硬盘容量大，速度快。硬盘按其接口可分为IDE和SCSI两种硬盘。(www.xing528.com)

还有一种可移动使用的硬盘，存储容量大（目前容量已达百万兆字节了），采用USB或IEEE1394接口，即插即用，支持热插拔（必须先停止工作），小巧而便于携带，速度快，安全可靠。

（3）光盘

光盘是利用激光进行读写信息的辅助存储器，呈圆盘状。在IT行业和用户中占有十分重要的地位，它的高存储容量、数据持久性、安全性一直深受广大用户的青睐。

光盘存储系统由光盘片、光盘驱动器和光盘控制适配器组成。

常见的光盘存储器有CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVDROM和DVD刻录机等。如图1-11所示为CD-ROM光盘与光盘驱动器。

图1-11　光盘及光盘驱动器

CD-ROM只读型光盘，与ROM类似，光盘中的数据由厂家事先写入，用户只能读取其中的数据而无法修改。光盘上有一条由内向外的螺旋状细槽，细槽中布满了细小的光学坑洞，数据就是存放在这一细槽中的，CD-ROM的特点是存储容量可达640MB，复制方便，成本低。CD-ROM的速度以150KB/s为基准，如1X=150KB/s。

CD-R可记录光盘，用户可以写入数据，但只能写入一次，一旦写入后CD-R就同CDROM一样了。

CD-RW可读写光盘，其功能与磁盘类似，可对其反复进行读/写操作。

DVD-ROM（数字化视频驱动器），可以读取一般光盘及DVD光盘中的数据。DVD光盘外观和一般光盘相同。DVD光盘使用高密度存储技术，其存储容量可达4.5GB，数据传输速率也高，1X=1385KB/s。

（4）U盘

U盘采用Flash存储器（闪存）芯片，体积小，重量轻，容量可以按需要而定（2GB～256GB），具有写保护功能，数据保存安全可靠，使用寿命长，使用USB接口，即插即用，支持热插拔（必须先停止工作），读写速度比软盘快，可以模拟软驱和硬盘启动操作系统，如图1-12所示。

图1-12　U盘

5.输入设备

输入设备的作用是将准备好的数据、程序和命令等信息转换为计算机能接受的电信号并送入计算机。常见的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪、数码相机、光笔、条码阅读机、数字化仪、话筒等。以下介绍几种常用输入设备。

（1）键盘

键盘是计算机最主要的输入设备，用户的程序、数据以及各种对计算机的命令都可以通过键盘输入，如图1-13所示。

图1-13　键盘

它实际上是组装在一起的一组按键矩阵。当按下一个键时就产生与该键对应的二进制代码，并通过接口送入计算机，同时将按键字符显示在屏幕上。键盘根据按键的数量可分为84键、101键、104/105键以及适用于ATX电源的107/108键。目前常用的是104键。

早期曾使用的是机械式键盘，现在则是电容式键盘，其优点是无磨损和接触不良问题，耐久性、灵敏度和稳定性都比较好，击键声音小，手感较好，寿命较长，与主机的接口有PS/2接口、USB接口、无线接口（红外线或无线电波）等。

PC键盘中主要控制键的功能如表1-2所示。

表1-2　计算机键盘主控键功能

（2）鼠标

鼠标是一种指示设备，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或发出命令。鼠标器有几种不同的形式，如图1-14所示。

图1-14　不同形式的鼠标

普通的鼠标由左键、右键、滚轮等组成，根据其工作原理可将鼠标分为机械鼠标、光电鼠标和光电机械鼠标，根据按键次数可分为两键鼠标和三键鼠标。

（3）扫描仪

扫描仪是一种通过光学扫描，将图形、图像或文本输入到计算机中，供计算机存储、处理的设备，如图1-15所示。

图1-15　扫描仪

一台扫描仪的主要指标是分辨率和分色能力。分辨率是用来衡量扫描仪品质的指标，分辨率越高，扫描出来的图像越清晰，分辨率通常以dpi为单位，表示在一英寸长度内取样的点数。分色能力是一台扫描仪分辨颜色的细腻程度，以位作为单位，这个数值越大，扫描出的图像越接近于原稿。目前扫描仪一般有24位以上的分色能力。

扫描仪按幅面大小分为台式和手持式，按图像类型分为灰度扫描仪和彩色扫描仪。

（4）数码相机

数码相机是一种利用感光元件，通过镜头将聚焦的光线转换成数字图像信号的照相机，如图1-16所示。它所拍出来的底片不是存储在传统的底片上的，而是存储在相机的内存中。先将这些存储在数码相机内存中的数字图像信息输入计算机，然后通过打印机直接打印，也可通过图像处理软件做各种编辑或特殊效果的处理。

图1-16　数码相机

数码相机的主要性能指标：CCD像素数目和存储器容量，像素数目决定数字图像能够达到的最高分辨率，像素越高，图像越清晰，数据量也越大，现在市场上较常见的都是500万～1000万像素。存储器容量越大，存储的照片越多。常用存储介质有SM卡、CF卡、记忆棒、SD卡等。

6.输出设备

输出设备能将计算机的数据处理结果转换为人或被控制设备所能接受和识别的信息。常用的输出设备有显示器、打印机、投影仪、绘图仪等，显示器是微型计算机系统的基本配置，下面只介绍显示器与打印机这两种最常用的输出设备。

（1）显示器

显示器是计算机必不可少的图文输出设备，它能将数字信号转化为光信号，使文字和图像在屏幕上显示出来，用户通过显示器显示内容能掌握计算机的工作状态。

计算机显示器常用的有阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD），如图1-17所示。显示器的主要性能指标如下：

①显示屏尺寸：以对角线长度度量，有15英寸、17英寸、19英寸和21英寸等。

②屏幕横向与纵向的比例：普通屏为4∶3，宽屏为16∶10或16∶9。

③显示分辨率：整屏可显示像素的最大数目，用水平像素个数×垂直像素个数表示，分辨率越高，图像越清晰。

④画面刷新速率：画面每秒钟更新的次数，速率越高图像的稳定性越好。

图1-17　显示器

（2）打印机

打印机是计算机的重要输出设备，可以将程序、数据、字符、图形打印输出在纸上，主要类型为激光打印机、针式打印机、喷墨打印机，它们利用碳粉、色带或墨水将计算机上的数据输出，如图1-18所示。

图1-18　几种常见打印机

针式打印机主要由打印头、运载打印头的小车机构、色带机构、输出纸机构和控制电路等组成。打印头是点阵打印机的核心部分，由若干根钢针组成，通过钢针击打色带，从而在打印纸上打印出字符。根据钢针的数目，点阵打印机可分为9针和24针打印机等。针式打印机的优点是耗材成本低，可多层打印；缺点是打印机速度慢，噪音大，打印质量差。主要应用于银行、证券、邮电、商业等领域，用于打印存折和票据等。

喷墨打印机属于非击打式打印机，其打印头上有数个墨水喷头，每个喷头前都有一个电极，打印时电极会控制墨水喷头的动作将墨点喷打在打印纸上。喷墨打印机的优点是整机价格低、可以打印近似全彩色图像、经济、效果好、低噪音、使用低电压、环保、打印速度和打印质量高于点阵式打印机，缺点是墨水成本高、消耗快，主要应用于家庭及办公。

激光打印机是激光技术与复印技术的结合，由激光扫描系统、电子照相系统和控制系统三大部分组成，其打印原理是将每一行要打印出来的墨点记录在光传导体的滚筒上，筒面经激光照射过的位置吸住碳粉，再将附着碳粉的筒面转印到纸张上，如此即可将数据打印出来。激光打印机的优点是打印速度更快、打印质量更高、噪音更低、分辨率更高、价格适中等，缺点是彩色输出价格较高。

主要性能指标（激光/喷墨）如下：打印精度（分辨率），用每英寸多少点（像素）表示，单位为dpi，一般产品的打印精度为400dpi、600dpi、800dpi，高的甚至达到1000dpi以上；打印速度，通常每分钟3～10页；色彩表现能力（彩色数目）强；幅面大小有A3、A4等。