计算机硬件系统组成-计算机应用基础

我们日常使用的微型机是由内部设备(CPU、主板、内存)和外部设备(键盘鼠标、显示器、打印机等)两大部分组成的(见图1-4)。

图1-4　计算机的硬件系统组成

1.中央处理器

定义:中央处理器是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心和控制核心。

功能:解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器(CPU)如图1-5所示。

图1-5　中央处理器(CPU)

从计算机被发明之初,人们判定计算机的计算速度的最重要的指标便是CPU的运算速度,CPU就像是计算机的心脏,“牵动”着计算机的每一个部分。

主频:主频是CPU的时钟频率,是CPU运算时的工作频率(1秒内发生的同步脉冲数)的简称,单位是Hz。一般说来,主频越高,CPU的速度越快,由于内部结构不同,并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。

外频:系统总线的工作频率,CPU与外部(主板芯片组)交换数据、指令的工作时钟频率。

倍频:倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。

三者的关系是:主频=外频×倍频

缓存(cache):高速交换的存储器。CPU缓存分为一级、二级、三级缓存,即L1、L2、L3。

内存总线速度(memory-bus speed):一般等同于CPU的外频,指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间的通信速度。

地址总线宽度:决定了CPU可以访问的物理地址空间。

CPU公司:不管是通过新闻还是网上的资讯,最让我们熟知的CPU公司便是“Intel”和“AMD”。

图1-6　Intel公司和AMD公司LOGO

摩尔定律:摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,每隔18～24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

随着时间的推移,集成技术越来越先进,英特尔公司现在已经推出了14nm工艺CPU,目前家用级CPU代表酷睿I7 7700K便是14nm工艺。集成程度越高工艺就越难,现在的CPU已经逐渐偏离摩尔定律,想要大幅度提升CPU性能已经非常困难了。

CPU类型:虽然各种CPU的功能都是用于计算,但是其中也有一些类型的区别,拿英特尔的CPU举例,通常家用电脑或者学校单位使用的个人电脑CPU大多都是酷睿(Core)系列的,如常见的I3、I5、I7。而企业公司使用的服务器上的CPU是英特尔至强(Xeon)系列的CPU,如E3、E5、E7。用途不同选用的CPU的类型也不同,这样是为了提高效率。举个例子,家用电脑一般用于办公、娱乐或者工作,处理这些内容通常需要CPU频率快,特别是玩游戏更需要CPU的运行频率快,而服务器因为多个用户访问的原因通常需要的是同时处理多个任务的能力,所以服务器CPU就需要更多的核心用来同时处理多个任务以达到提升效率的目的。

2.内部存储器

定义:内部存储器是计算机中重要的部件之一,它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存储器中进行的,因此内存储器的性能对计算机的影响非常大。内存如图1-7所示。

图1-7　内存

功能:内存储器也被称为内存,其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

容量:即该内存的存储容量,单位:KB、MB、GB。

内存带宽:内存带宽是指内存与北桥芯片之间的数据传输率,单通道内存控制器一般都是64bit的(双通道内存带宽为128bit),8个二进制位相当于1个字节,换算成字节是64/8=8,再乘以内存的运行频率,如果是DDR内存就要再乘2。

双通道内存:双通道,就是在北桥芯片里设计两个内存控制器,这两个内存控制器可互相独立工作,每个控制器控制一个内存通道。在这两个内存通道中CPU可分别寻址、读取数据,从而使内存的带宽增加一倍,数据存取速度在理论上也提升一倍。

带宽计算:带宽=内存核心频率×倍增系数×(内存总线位数/8)

内存从SDRAM发展为至今的DDR4,其改变如下:

(1)DDR采用时钟脉冲上升、下降沿各传一次数据,1个时钟信号可以传输2倍于SDRAM的数据,所以又称为双倍速率SDRAM。它的倍增系数就是2。

(2)DDR2仍然采用时钟脉冲上升、下降沿各传一次数据的技术(不是传2次),但是一次预读4bit数据,是DDR一次预读2bit的2倍,因此,它的倍增系数是2×2=4。

(3)DDR3作为DDR2的升级版,最重要的改变是一次预读8bit,是DDR2的2倍,DDR的4倍,所以,它的倍增系数是2×2×2=8。

(4)DDR4相对于DDR3,性能有了大幅度提升,而且功耗还降低了不少。在频率方面,DDR3内存起始频率为800MHz,最高频率达到了2133MHz。DDR4内存起始频率就达到了2133MHz,最高频率达到了4266MHz,从内存频率来看,DDR4相比DDR3提升很大。

带宽方面,DDR4内存的每个针脚都可以提供2Gbps(256MB/s)的带宽,DDR4-3200就是51.2Gbps,较之DDR3-1866高出了超过70%。

综合来看,DDR4内存性能最大幅度可比DDR3提升高达70%,甚至更高。

DDR4内存容量提升明显,可达128GB;上一代DDR3内存,最大单条容量为64GB,实际能买到的基本是16GB/32GB。而新一代DDR4内存,单条容量最大可以达到128GB。

DDR4功耗明显降低,电压达到1.2V,甚至更低;上一代DDR3内存,采用1.5V标准电压,而DDR4内存则降低为1.2V,甚至可以做到更低,功耗下降了,更省电,并且可以减少内存的发热。

3.外部存储器

定义:外储存器是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器,此类储存器一般断电后仍然能保存数据(与内存断电数据就丢失不同)。

(1)常见的外存储器如图1-8所示。

①U盘:U盘也被称为“闪盘”,可以通过计算机的USB口存储数据。由于U盘的体积小、存储量大及携带方便等诸多优点,U盘在日常生活的使用中已经很普及了。

②硬盘:硬磁盘是涂有磁性材料的铝合金圆盘,每个硬盘都由若干个磁性圆盘组成。

③光盘存储器:光盘指的是利用光学方式进行信息存储的圆盘。它应用了光存储技术,即使用激光在某种介质上写入信息,然后再利用激光读出信息。光盘存储器可分为CD-ROM、CD-R、CD-RW和DVD-ROM等。

图1-8　常见的外存储器

在这些常见的外存储器中,硬盘是一台完整的计算机必不可少的硬件。

(2)硬盘的基本参数

①容量:容量是硬盘最主要的参数,容量的大小决定硬盘中存储数据的多少,单位有MB、GB、TB、PB等。

②转速:转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数,单位为rpm,转速越快存储(读取)数据的速度就越快。常见的硬盘有5400转和7200转,服务器上的硬盘转速能达到15000转。

③传输速率:硬盘的数据传输速率是指硬盘读写数据的速度。

④缓存:硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题,以提高硬盘的读写速度。

(3)硬盘接口类型

①IDE接口:硬盘接口规范,采用ATA技术规范。

②SCSI接口:应用于小型机上的高速数据传输技术。

③SATA接口:Serial ATA,提高传输速率,支持热插拔。传输速度:SATA2=3.0Gb/s、SATA3=6.0Gb/s。

④SAS接口:Serial Attached SCSI,兼容SATA。

目前主流的硬盘接口为SATA和SAS接口。

(4)固态硬盘

除了传统的机械硬盘外,现在的计算机也普遍使用一种新型的硬盘,那就是存储新宠——固态硬盘(SSD)

①定义:固态硬盘(Solid State Drives)简称固盘,是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(flash芯片、dram芯片)组成。固态硬盘如图1-9所示。

图1-9　固态硬盘(www.xing528.com)

②与传统机械硬盘的区别

A优点

·外形:SATA接口的固态硬盘和传统2.5英寸机械硬盘外观是基本一致的。

·速度:固态硬盘的读写速度远超过传统机械硬盘。

·重量:固态硬盘因为没有机械硬盘中厚重的金属部件和碟片,所以质量轻。

·能耗:机械硬盘是电机带动碟片运行的,固态硬盘运行的能耗比机械硬盘低很多。

·体积:SATA接口的固态硬盘体积和机械硬盘基本相同,但是其他接口如mSATA、NGFF(M.2)、PCIE等的固态硬盘体积就比机械硬盘小很多了。

·噪音:固态硬盘因为不需要碟片旋转,运行时只是内部通过电流,所以运行过程中没有任何噪音。

·抗震:传统固态硬盘因为内部有机械运动,磁头和碟片的距离非常近,震动对机械硬盘的损伤非常大。而固态硬盘工作过程中没有机械运动所以即使处在不稳定的环境中也能正常工作。

B缺点

·容量:固态硬盘容量普遍比较小。

·价格:固态硬盘价格要比机械硬盘贵不少。

·寿命:固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题,这也是许多人诟病其寿命短的原因所在。其实在普通家用计算机上工作的固态硬盘其寿命一般都会比该台计算机更长,或者在寿命用完之前被新的产品换掉,所以影响不大。但是在一些读写量大的工作环境中工作的话就需要考虑寿命问题。

·数据无法恢复:固态硬盘一旦损坏的话里面的数据将无法恢复,机械硬盘就算坏了数据也在碟片上,还能救回不少数据,而固态硬盘没有碟片,所以坏了数据就没了。

4.输入设备

定义:向计算机输入数据和信息的设备。

概念:是计算机与用户或其他设备通信的桥梁,说白了就是人类向计算机发送命令传输信息的设备,是人类控制计算机的工具。各类输入设备如图1-10所示。

图1-10　各类输入设备

现在的计算机能够接收各种各样的数据,既可以是数值型的数据,也可以是各种非数值型的数据,如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入计算机中,进行存储、处理和输出。

常见的输入设备:

(1)字符输入设备:键盘。

(2)图形输入设备:鼠标、操纵杆、光笔。

(3)图像输入设备:摄像机、扫描仪、传真机。

5.输出设备

定义:是计算机硬件系统的终端设备,用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也就是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见输出设备如图1-11所示。

图1-11　显示器、打印机、音箱

输出设备和输入设备是对应的设备,用户使用输入设备给计算机发送指令之后便需要有输出设备来把执行结果展现给用户,所以输出设备同样是计算机硬件系统中必不可少的部分。

6.显卡

(1)定义:显卡全称显示接口卡,又称显示适配器,在游戏开发水平与日俱增的今天,显卡是计算机最基本、最重要的配件之一。

(2)功能:显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分,是电脑进行数模信号转换的设备,承担输出显示图形的任务。

显卡如图1-12所示。

图1-12　显卡

(3)显卡的基本参数

①显示芯片(芯片厂商、芯片型号、制造工艺、核心代号、核心频率、SP单元、渲染管线、版本级别)。

②显卡内存[显存类型、显存容量、显存带宽(显存频率×显存位宽÷8)、显存速度、显存颗粒、最高分辨率、显存时钟周期、显存封装]。

③技术支持(像素填充率、顶点着色引擎、3D API、RAMDAC频率。

④显卡PCB板(PCB层数、显卡接口、输出接口、散热装置)。

(4)显卡的分类

①集成显卡:集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都集成在主板上,与其融为一体的元件。

集成显卡的优点是功耗低,占用空间小,发热低;缺点是性能差,故障难维修。

集成显卡因其性能低下,所以一般适合没有太多图形需要处理的工作环境。

②核心显卡:核心显卡是将图形核心与处理核心整合在同一块基板上,构成一个完整的处理器。

核心显卡的优点与集成显卡的优点基本一致,不过在性能上核心显卡通常是强于集成显卡的,这也满足了不少用户的游戏需求。核心显卡的缺点是难以胜任大型游戏以及专业图形处理工作。

③独立显卡:独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上,自成一体而作为一块独立的板卡存在,它需占用主板的扩展插槽(ISA、PCI、AGP或PCI-E)。

独立显卡的优点:单独安装的显存,一般不占用系统内存,在技术上也较集成显卡和核心显卡先进得多,性能远超集成显卡和核心显卡,同时容易进行显卡的硬件升级,出现的故障也容易更换和维修。

独立显卡的缺点:功耗高,发热量大,占据空间大,性能较强的显卡价格昂贵,对于笔记本来说这几点是非常影响整个系统的稳定性的(热量)。

其实独立显卡也分为两类,一类是专业的图形卡,一类是娱乐用的游戏卡,如同CPU的至强和酷睿一样,需求不同性能侧重点就不同。

独立显卡是由多个部件组合而成协同工作的,更像是一个将数字信号转换为模拟信号的硬件系统。虽然独立显卡有诸多缺点,但是独立显卡市场依然火热,究其原因还是因为独立显卡拥有集成显卡和核心显卡难以企及的强大性能。在用户眼中只要拥有强大的性能,其他缺点可不太在乎。

7.主板

定义:主板又称主机板、系统板、逻辑板、母板、底板等,是构成复杂电子系统的中心或者主电路板。

功能:在计算机中主板的功能便是将所有的硬件连接到一起构成计算机硬件系统,协同并维持各硬件的工作。

简介:典型的主板能提供一系列接合点,供处理器、显卡、声效卡、硬盘、存储器、对外设备等设备接合。它们通常直接插入有关插槽,或用线路连接。主板上最重要的构成组件是芯片组。而芯片组通常由北桥和南桥组成,也有些以单片机设计,增强其性能。这些芯片组为主板提供一个通用平台供不同设备连接,控制不同设备的沟通。它亦包含对不同扩充插槽的支持,例如处理器、PCI、ISA、AGP和PCI Express。芯片组亦为主板提供额外功能,例如集成显核、集成声效卡(也称内置显核和内置声卡)。一些高价主板也集成红外通信技术、蓝牙和802.11(WiFi)等功能。

工作原理:在电路板下面,是4层有致的电路布线。在上面,则为分工明确的各个部件:插槽、芯片、电阻、电容等。当主机加电时,电流会在瞬间通过CPU、南北桥芯片、内存插槽、AGP插槽、PCI插槽、IDE接口以及主板边缘的串口、并口、PS/2接口等。随后,主板会根据BIOS(基本输入输出系统)来识别硬件,并进入操作系统发挥出支撑系统平台工作的功能。

图1-13　主板

主板结构:

(1)芯片组:决定主板的功能,是主板性能的关键。

(2)扩展槽:扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽,也叫扩展槽、扩充插槽。

(3)主要接口:硬盘接口(SATA等)、USB接口、PCI-E接口、内存接口等。

(4)主板平面:主板平面就是一块PCB板,将以上部件集于一个平面。