《計算機(jī)組裝和維護(hù)教程》第一章：計算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識.ppt

計算機(jī)組裝和維護(hù)教程,第1章 計算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識,學(xué)習(xí)目的與要求： 本章主要介紹了計算機(jī)的基本硬件知識，自從人類具備認(rèn)識世界的能力以來，計算就已經(jīng)存在。在人類發(fā)展的漫長過程中，人類對計算的追求從來就沒有停止過。從最原始的扳手指計算到借助算盤計算，從機(jī)械計算機(jī)到電子計算機(jī)等。,第1章 計算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識,1.1 個人計算機(jī)簡介 1.2 計算機(jī)的組成與基本結(jié)構(gòu) 1.3 本章實訓(xùn) 1.4 本章習(xí)題,1.1 個人計算機(jī)簡介,1.1.1計算機(jī)發(fā)展概況 計算機(jī)于1946年問世，它一誕生，就立即成了先進(jìn)生產(chǎn)力的代表，掀開自工業(yè)革命后的又一場新的科學(xué)技術(shù)革命。要追溯計算機(jī)的發(fā)明，可以由中國古時開始說起，古時人類發(fā)明算盤去處理一些數(shù)據(jù)，利用撥弄算珠的方法，人們無需進(jìn)行心算,通過固定的口訣就可以將答案計算出來。這種被稱為“計算與邏輯運算”的運作概念傳入西方后，被美國人加以發(fā)揚光大。直到十六世紀(jì),發(fā)明了一部可協(xié)助處理乘數(shù)等較為復(fù)雜數(shù)學(xué)算式的機(jī)械，被稱為“棋盤計算器”，但這時期只屬于純計算的階段,要到十九世紀(jì)才有急速的發(fā)展。近年來，計算機(jī)的應(yīng)用日益深入到社會的各個領(lǐng)域，如管理、辦公自動化等。由于計算機(jī)的日益向智能化發(fā)展，人們干脆把微型計算機(jī)稱之為“電腦”,1.1.1計算機(jī)發(fā)展概況,1早期的計算工具 （1）東方的創(chuàng)造：算籌、算盤 最早的人造計算工具是算籌， “籌”是一種竹制、木制或骨制的小棍，它們可以按照一定的規(guī)則靈活地布于盤中或地面，一邊計算一邊不斷地重新布棍 。如圖1.1所示。 算盤是從算籌發(fā)展來的，它的產(chǎn)生時間大概在元代。如圖1.2所示。,圖1.1 算籌,圖1.2 算盤,1.1.1計算機(jī)發(fā)展概況,（2）西方的靈感：機(jī)械計算機(jī)、機(jī)電計算機(jī) 1642年，法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家帕斯卡（Blaise Pascal）制造出第一臺機(jī)械加法器Pascaline。如圖1.3所示。 1822年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇（Charles Babbage）設(shè)計了一臺差分機(jī)，如圖1.4所示 1938年，德國工程師朱斯（Konrad Zuse）成功制造了第一臺二進(jìn)制計算機(jī)Z-1，此后他繼續(xù)研制了Z系列計算機(jī)，其中Z-3型計算機(jī)是世界上第一臺通用程序控制的機(jī)電計算機(jī)，如圖1.5、1.6所示,圖1.3 帕斯卡加法器,圖1.4 差分器,圖1.5 Z-3型計算機(jī),圖1.6 Z-3型計算機(jī),1.1.1計算機(jī)發(fā)展概況,2電子計算機(jī)的誕生 1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院物理學(xué)家莫奇利（John W. Mauchly）和工程師埃克特（J. Presper Eckert）領(lǐng)導(dǎo)的科研小組共同開發(fā)了世界上第一臺數(shù)字電子計算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，電子數(shù)值積分計算機(jī))。 1944年8月至1945年6月是計算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展時期。馮諾依曼John von Neuman）博士與莫爾學(xué)院科研小組合作，提出了一個全新的存儲程序通用數(shù)字電子計算機(jī)方案EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，離散變量自動電子計算機(jī)），這就是人們通常所說的馮諾依曼型計算機(jī)。,1.1.1計算機(jī)發(fā)展概況,3計算機(jī)的發(fā)展階段 第一代電子管計算機(jī)(1945-1956) 第一代計算機(jī)的特點是操作指令是為特定任務(wù)而編制的，每種機(jī)器有各自不同的機(jī)器語言，功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數(shù)據(jù)，如圖1.11所示。,圖1.11 電子管,第二代晶體管計算機(jī)(1956-1963) 1948年，晶體管的發(fā)明大大促進(jìn)了計算機(jī)的發(fā)展，晶體管代替了體積龐大電子管，電子設(shè)備的體積不斷減小，如圖1.12所示。1956年，晶體管在計算機(jī)中廣泛使用，晶體管和磁芯存儲器導(dǎo)致了第二代計算機(jī)的產(chǎn)生。第二代計算機(jī)體積小、速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。,圖1.12 晶體管,第三代集成電路計算機(jī)(1964-1971) 雖然晶體管比起電子管是一個明顯的進(jìn)步，但晶體管還是產(chǎn)生大量的熱量，這會損害計算機(jī)內(nèi)部的敏感部分。1958年發(fā)明了集成電路(IC)，如圖1.13所示，將三種電子元件結(jié)合到一片小小的硅片上。 1964年，美國IBM公司研制成功第一個采用集成電路的通用電子計算機(jī)系列IBM360系統(tǒng)，如圖1.14所示。隨后，計算機(jī)變得更小，功耗更低，速度更快。,圖1.13 集成電路,圖1.14 IBM360系統(tǒng),第四代大規(guī)模集成電路計算機(jī)(1971-現(xiàn)在) 出現(xiàn)集成電路后，唯一的發(fā)展方向是擴(kuò)大規(guī)模。大規(guī)模集成電路(LSI)可以在一個芯片上容納幾百個元件，如圖1.15所示。到了80年代，超大規(guī)模集成電路(VLSI)在芯片上容納了幾十萬個元件，后來的ULSI將數(shù)字?jǐn)U充到百萬級?？梢栽谟矌糯笮〉男酒先菁{如此數(shù)量的元件使得計算機(jī)的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強(qiáng)。,圖1.15 大規(guī)模集成電路,1.1.1計算機(jī)發(fā)展概況,4計算機(jī)的發(fā)展趨勢 目前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化這4個方向發(fā)展。 巨型化是指具有運算速度高、存儲容量大、功能更完善的計算機(jī)系統(tǒng)，其運算速度一般在百億次每秒、存儲容量超過百萬兆字節(jié)。 微型化得益于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，微處理器自1971年問世以來，發(fā)展非常迅速，幾乎每隔兩三年就會更新?lián)Q代一次，這也使以微處理器為核心的微型計算機(jī)的性能不斷躍升。 網(wǎng)絡(luò)化是指利用通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，把分布在不同地點的計算機(jī)互連起來，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互通信，以達(dá)到所有用戶都可共享數(shù)據(jù)和軟硬件資源的目的，現(xiàn)在，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在交通、金融、企業(yè)管理、教育、郵電、商業(yè)等各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 智能化就是要求計算機(jī)能模擬人的感覺和思維能力，也是第五代計算機(jī)要實現(xiàn)的目標(biāo)。 展望未來，計算機(jī)的發(fā)展必然要經(jīng)歷很多新的突破。從目前的發(fā)展趨勢來看，未來的計算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和生物技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。,1.1.2計算機(jī)的分類,通常人們又按照計算機(jī)的運算速度、字長、存儲容量、軟件配置及用途等多方面的綜合性能指標(biāo)，將計算機(jī)分為微型機(jī)、工作站、小型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)等幾類。 1巨型機(jī) 巨型機(jī)是計算機(jī)型譜中檔次最高的機(jī)型，它的運算速度最快、性能最高、技術(shù)最復(fù)雜，它的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)實力和科技水平的重要標(biāo)志。 我國研制成功的“銀河巨型計算機(jī)”采用了目前國際最新的可擴(kuò)展多處理機(jī)并行體系結(jié)構(gòu)。它的整體性能優(yōu)越、系統(tǒng)軟件高效、網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境強(qiáng)大、可靠性設(shè)計獨特以及工程設(shè)計優(yōu)良，其系統(tǒng)綜合技術(shù)達(dá)到當(dāng)前國際先進(jìn)水平。,1.1.2計算機(jī)的分類,2大型通用機(jī) 大型通用機(jī)的特點表現(xiàn)在通用性強(qiáng)、具有很強(qiáng)的綜合處理能力以及性能覆蓋面廣等，主要應(yīng)用在公司、銀行、政府部門、社會管理機(jī)構(gòu)和制造廠等，通常人們稱大型機(jī)為“企業(yè)級”計算機(jī)。 大型機(jī)研制周期長，設(shè)計技術(shù)與制造技術(shù)非常復(fù)雜，耗資巨大，需要相當(dāng)數(shù)量的設(shè)計師協(xié)同工作。大型機(jī)在體系結(jié)構(gòu)、軟件和外設(shè)等方面又有極強(qiáng)的繼承性。因此，國外只有少數(shù)公司能夠從事大型機(jī)的研制、生產(chǎn)和銷售工作。,1.1.2計算機(jī)的分類,3小型機(jī) 小型機(jī)可以為多個用戶執(zhí)行任務(wù)，通常是一個多用戶系統(tǒng)。小型機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計試制周期短，便于及時采用先進(jìn)工藝。這類機(jī)器由于可靠性高，價格便宜，對運行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護(hù)，因此對廣大用戶具有吸引力，特別是在一些中小企業(yè)很有市場。小型機(jī)的出現(xiàn)加速了計算機(jī)的推廣普及。小型機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，它可作為集中式的部門級管理計算機(jī)，在大型應(yīng)用中作為前端處理機(jī)，在客戶-服務(wù)器結(jié)構(gòu)中作為服務(wù)器（如文件服務(wù)器、WWW服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)器等）。小型機(jī)還廣泛用于企業(yè)管理以及大學(xué)和研究所的科學(xué)計算等。,1.1.2計算機(jī)的分類,4工作站 工作站是一種高檔微機(jī)系統(tǒng)。它具有較高的運算速度，既具有大、中、小型機(jī)的多任務(wù)、多用戶能力，而兼具微型機(jī)的操作便利和良好的人機(jī)界面。工作站可連接多種輸入、輸出設(shè)備，而其最突出的特點是圖形功能強(qiáng)，具有很強(qiáng)的圖形交互與處理能力，因此在工程領(lǐng)域，特別是在計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用。,1.1.2計算機(jī)的分類,5微型計算機(jī) 以微處理器為中央處理單元而組成的個人計算機(jī)（PC）簡稱微型機(jī)或微機(jī)。1971年，美國Intel公司成功地在一塊芯片上實現(xiàn)了中央處理器的功能，制成了世界上第1片4位微處理器MPU，也稱Intel 4004，并由它組裝成第1臺微型計算機(jī)MCS-4，由此揭開了微型計算機(jī)大普及的序幕。 當(dāng)前，個人計算機(jī)已滲透到各行各業(yè)和千家萬戶。它既可以用于日常信息處理，又可用于科學(xué)研究。PC機(jī)的出現(xiàn)使得計算機(jī)真正面向全人類，真正成為大眾化的信息處理工具。,1.1.2計算機(jī)的分類,6服務(wù)器 當(dāng)計算機(jī)最初用于信息管理時，信息的存儲和管理是分散的，這種方式的弱點是數(shù)據(jù)的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證。于是以數(shù)據(jù)庫為標(biāo)志的新一代信息管理技術(shù)發(fā)展起來，而以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20世紀(jì)80年代PC機(jī)的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及更加劇了這一變化。數(shù)據(jù)庫技術(shù)也相應(yīng)延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫，客戶機(jī)/服務(wù)器的應(yīng)用模式出現(xiàn)了。 近年來，隨著因特網(wǎng)的普及，各種檔次的計算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著各自不同的作用，而服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中扮演著最主要的角色。服務(wù)器可以是大型機(jī)、小型機(jī)、工作站或高檔微機(jī)。服務(wù)器可以提供信息瀏覽、電子郵件、文件傳送、數(shù)據(jù)庫、打印以及多種應(yīng)用服務(wù)。,1.2計算機(jī)的組成與基本結(jié)構(gòu),1.2.1計算機(jī)的組成 一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的，如圖1.20所示。,圖1.20 計算機(jī)系統(tǒng)組成,1.2.2計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),1計算機(jī)硬件系統(tǒng) 無論是巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)，還是微型機(jī)，盡管它們在規(guī)模和性能方面存在著極大的差別，但其硬件系統(tǒng)都是由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等五部分組成。 （1） 運算器：是計算機(jī)中進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的單元，通常由算術(shù)邏輯運算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、加法器及通用寄存器組成。 （2） 控制器：負(fù)責(zé)從存儲器中逐條取出指令、分析指令，并按指令要求發(fā)出相應(yīng)的控制信號指揮各執(zhí)行部件工作?？刂破髦饕芍噶罴拇嫫鳌⒆g碼器、程序計數(shù)器、操作控制器等組成。,（3） 存儲器：是用來存放各類程序和數(shù)據(jù)信息?？煞譃閮?nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存儲器）和外存儲器（簡稱外存或輔助存儲器）。一般我們說到的存儲器，指的是計算機(jī)的內(nèi)存。 內(nèi)存儲器主要采用半導(dǎo)體集成電路制成，可分為隨機(jī)存儲器（Random Access Memory，簡稱RAM）和只讀存儲器（Read only Memory，簡稱ROM）。內(nèi)存容量較小，但存取速度快。常與中央處理器一起組成計算機(jī)的主機(jī)。 外存一般采用磁性介質(zhì)或光學(xué)材料制成，容量大，但存取速度較慢，如磁盤、磁帶和光盤等。外存作為計算機(jī)的外部設(shè)備來使用。,（4） 輸入設(shè)備 輸入設(shè)備用于從計算機(jī)外部將數(shù)據(jù)、命令輸入到計算機(jī)的內(nèi)部，供計算機(jī)處理。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤驅(qū)動器、磁帶機(jī)、光筆、CD-ROM驅(qū)動器、掃描儀、數(shù)字化儀和攝像機(jī)等。 （5） 輸出設(shè)備 輸出設(shè)備將計算機(jī)處理后的結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成人們能夠識別和使用的數(shù)字、文字、圖形、聲音等形式。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音響。,1.2.2計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng) 微型計算機(jī)從最早的IBM PC發(fā)展到今天的Pentium IV。其各項性能指標(biāo)得到大大提高。它們都是由顯示器、鍵盤和主機(jī)構(gòu)成,如圖1.21所示。主機(jī)箱有臥式和立式機(jī)箱兩種。在主機(jī)箱內(nèi)有主板、硬盤驅(qū)動器、CD ROM驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、電源、顯示適配器（顯示卡）等。,圖1.21 微型機(jī)系統(tǒng),2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),主板 主板也叫系統(tǒng)板或母板，包括微處理器模塊（CPU）、內(nèi)存模塊（隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM）、基本IO接口、中斷控制器、DMA控制器及連接其他部件的總線，是微機(jī)內(nèi)最大的一塊集成電路板，也是最主要的部件。通常系統(tǒng)板上集成了軟驅(qū)接口、IDE硬盤接口、并行接口、串行接口、USB接口、AGP總線、PCI總線、ISA總線和鍵盤接口等，如圖1.22所示。,圖1.22 主板,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),主板 中央處理器（Central Processing Unit，簡稱CPU） 中央處理器主要包括運算器和控制器兩大部件。它是計算機(jī)的核心部件。CPU是一個體積不大而集成度非常高、功能強(qiáng)大的芯片，也稱為微處理器（Micro Processor Unit，簡稱MPU），如圖1.23。,圖1.23 CPU,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),主板 主（內(nèi)）存儲器 目前，微型機(jī)的內(nèi)存儲器由半導(dǎo)體器件構(gòu)成。內(nèi)存儲器按其性能和特點可分為只讀存儲器ROM（Read Only Memory）和隨機(jī)存儲器RAM（Random Access Memory ）兩大類。 只讀存儲器（ROM）：只能從ROM中讀出數(shù)據(jù)，不能寫入。存放在ROM中的信息，在沒有電源的情況下，也能保持，如圖1.24。 隨機(jī)存儲器RAM：數(shù)據(jù)、程序在使用時從外存讀入內(nèi)存RAM中，使用完畢后在關(guān)機(jī)前再存回外存中，如圖1.25。,圖1.24 ROM,圖1.25 RAM,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),主板 總線 微機(jī)各功能部件相互傳輸數(shù)據(jù)時，需要有連接它們的通道，這些公共通道就稱為總線（BUS）。次傳輸信息的位數(shù)則稱為總線寬度。通常把CPU芯片內(nèi)部的總線稱為內(nèi)部總線，而連接系統(tǒng)各部件間的總線稱為外部總線或稱為系統(tǒng)總線。 擴(kuò)展槽 主機(jī)與其他外圍硬件是以擴(kuò)充總線相連的，一般將擴(kuò)充總線在主板上的接口稱為擴(kuò)展槽。擴(kuò)展槽主要用于插接各種功能的板卡。目前，微機(jī)上主要使用兩種總線擴(kuò)展槽規(guī)格。,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),主板 USB總線接口 USB（Universal Serial Bus）通用串行總線，是Intel公司提出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用功能。USB接口支持功能傳遞，用戶只需要準(zhǔn)備一個USB接口，就可以將外設(shè)相互連接成串。其次，USB接口本身提供電力來源，外設(shè)不須外接電源線。USB總線接口能以樹狀結(jié)構(gòu)連接127個外部設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、CD- ROM、DVD、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)字音響、Modem、游戲桿等。其最大的數(shù)據(jù)傳輸速率為12Mbps（bps為每秒的位數(shù)，即：bits per second）。,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),外存儲器 外存儲器用于存儲暫時不用的程序和數(shù)據(jù)。常用的有軟盤、硬盤、光盤和磁帶存儲器。 軟磁盤存儲器 一個完整的軟盤存儲系統(tǒng)是由軟盤、軟盤驅(qū)動器組成。目前微機(jī)所配置的軟盤驅(qū)動器大多數(shù)是3.5英寸的1.44MB薄型軟盤驅(qū)動器，適用1.44MB軟盤，如圖1.26。,圖1.26 軟磁盤存儲器,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),外存儲器 硬磁盤存儲器 硬盤般由多個盤片固定在一個公共的轉(zhuǎn)軸上，構(gòu)成盤片組，如圖1.27所示。微機(jī)上用的硬盤采用了溫徹斯特技術(shù)，它把硬盤驅(qū)動電機(jī)和讀寫磁頭等組裝并封裝在一起，稱為溫徹斯特驅(qū)動器。,圖1.27 硬盤,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),外存儲器 USB閃存存儲器（U盤） U盤（USB Flash Disk）是一種新型的移動存儲交換產(chǎn)品，如圖1.28所示?？捎糜诖鎯θ魏螖?shù)據(jù)文件并可以在計算機(jī)間方便地交換文件。它使用快閃內(nèi)存作為存儲媒介（Flash Memory）和通用串行總線（USB）接口，可以像使用軟（硬）盤一樣在U盤上讀寫、拷貝文件。該產(chǎn)品可擦寫100萬次以上，數(shù)據(jù)甚至可保存10年，存儲速度至少較軟驅(qū)快15倍以上。,圖1.28 U盤,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),外存儲器 光盤存儲器 CD-ROM（Compact Disc Read Only Memory）稱作壓縮只讀存貯器或只讀光盤。由CD-ROM光盤和CD-ROM光盤驅(qū)動器（或CD-ROM光驅(qū)）兩部分組成，如圖1.29所示。 光盤驅(qū)動器：是多媒體計算機(jī)配置中重要的外圍設(shè)備。主要用來讀取光盤上的信息。此外它還可以用來播放CD、VCD。,圖1.29 光驅(qū)與光盤,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),輸入設(shè)備 微型機(jī)上常見的輸入設(shè)備有鍵盤（Keyboard）、鼠標(biāo)（Mouse）、掃描儀（Scanner）等。另外一些新產(chǎn)品諸如觸摸屏（Touch Screen）、條形碼閱讀器（Barcode Reader）、圖形數(shù)字化儀（Digitizer）與光學(xué)符號閱讀器（OCR）。 鍵盤 標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備，如圖1.30所示。用來向微機(jī)輸入命令、程序和數(shù)據(jù)。普遍使用的是通用擴(kuò)展鍵盤。,圖1.30 鍵盤,2. 微型機(jī)硬件系統(tǒng),輸入設(shè)備 鼠標(biāo)器 鼠標(biāo)器（Mouse）是