電腦的組成原理與基本結(jié)構(gòu)介紹——電腦知識(shí)普及

1、第1章 電腦的組成原理與基本結(jié)構(gòu) ¤第1章 電腦的組成原理與基本結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)在組裝電腦之前，應(yīng)首先了解組裝一臺(tái)電腦至少需要哪些基本部件，以及各部件的大致功能等基本常識(shí)。本章將對(duì)電腦的基本組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，剖析電腦的基本結(jié)構(gòu)，讓讀者對(duì)電腦有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，了解一些關(guān)于電腦的基礎(chǔ)知識(shí)，邁出組裝電腦的第一步。本章要點(diǎn)þ 電腦的誕生þ 電腦的發(fā)展þ 電腦的軟件系統(tǒng)þ 電腦的硬件系統(tǒng)þ 電腦的基本結(jié)構(gòu)1.1 電腦的發(fā)展史電腦是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，可以說(shuō)電腦是當(dāng)代社會(huì)、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的奠基石。電腦的發(fā)明帶動(dòng)了20世紀(jì)下半葉的信息技術(shù)革命，

2、和以往的工業(yè)革命不同的是，電腦將人類從繁雜的腦力和體力勞動(dòng)中解放了出來(lái)，這使得人類社會(huì)近50年來(lái)的發(fā)展速度比此前任何一個(gè)時(shí)期都快，生產(chǎn)總值比此前幾千年來(lái)的總和還要多。電腦為什么會(huì)有如此神奇的力量呢？它究竟是什么樣子呢？它又是如何被發(fā)明的？下面就來(lái)了解一下電腦的歷史。1.1.1 電腦的誕生電腦是人們對(duì)電子計(jì)算機(jī)的俗稱，第一臺(tái)電腦是1946年2月15日由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制的，名為ENIAC。后來(lái)，由天才數(shù)學(xué)大師、美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并命名為“馮·諾依曼”體系電腦，現(xiàn)在的電腦都是由“馮·諾依曼”體系電腦發(fā)展而來(lái)的，因此馮·諾依曼被西方

3、科學(xué)家尊稱為“電子計(jì)算機(jī)之父”。在電子計(jì)算機(jī)之前，還有具有歷史意義的一臺(tái)計(jì)算器，那就是由法國(guó)數(shù)學(xué)家帕斯卡于1642年發(fā)明的。在帕斯卡小時(shí)候，其父親在稅務(wù)局上班，為了減輕父親計(jì)算稅務(wù)的麻煩，他發(fā)明了一種可以計(jì)算的小機(jī)器。這個(gè)計(jì)算器是一個(gè)不大的黃銅盒子，盒子里面并排裝著一些齒輪，這些齒輪上標(biāo)有09共10個(gè)數(shù)字，每個(gè)齒輪代表一位數(shù)，當(dāng)?shù)臀积X輪轉(zhuǎn)動(dòng)10圈時(shí)，高位齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)位，這和機(jī)械鐘表極其相似。后來(lái)，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲在帕斯卡計(jì)算器的基礎(chǔ)上，于1694年發(fā)明了世界上第一臺(tái)能進(jìn)行加減乘除法運(yùn)算的機(jī)械計(jì)算機(jī)。萊布尼茲還有一項(xiàng)重大發(fā)明，那便是當(dāng)今所有電腦使用的二進(jìn)制。二進(jìn)制只有0和1

4、這兩個(gè)數(shù)字，遇到比1大的數(shù)就進(jìn)位，例如，1110，111100等。1.1.2 電腦的發(fā)展自1946年第一臺(tái)真正意義上的電腦被發(fā)明以來(lái)，電腦已經(jīng)走過(guò)了近60個(gè)年頭了。從最初采用電子管的龐大電腦到如今采用超大規(guī)模集成電路的微型電腦，電腦主要經(jīng)歷了4個(gè)階段和3次重大的技術(shù)革新。1電子管時(shí)代1946年研發(fā)的第一代ENIAC電腦使用了17 468個(gè)真空電子管，耗電量達(dá)174kW，占地170m2，重達(dá)30t。由于那個(gè)時(shí)期的電腦以電子管作為基本電子元件，用磁鼓作為主存儲(chǔ)器，因而稱為“電子管時(shí)代”。那時(shí)的電腦和我們現(xiàn)在使用的電腦還差得很遠(yuǎn)，它采用的十進(jìn)制的計(jì)數(shù)方式，由馮·諾依曼改進(jìn)后，電腦

5、才開(kāi)始采用二進(jìn)制的計(jì)數(shù)方式，并且在電腦內(nèi)加入存儲(chǔ)器，把程序和數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)在電腦內(nèi)，讓電腦自動(dòng)完成運(yùn)算過(guò)程，這便是我們今天使用的電腦的雛型。人類就是利用這些電子管電腦將人造衛(wèi)星送上了天。但是這一代的電腦體積大，耗電量多，價(jià)格昂貴，運(yùn)行速度較低，并且可靠性較差，使得電腦的應(yīng)用范圍只局限于科研、軍事等少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域。2晶體管時(shí)代1956年誕生了世界上第一臺(tái)晶體管電腦Lepreachaun，它是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制而成的，以晶體管代替電子管作為基本電子元件，該時(shí)期便稱為電腦的“晶體管時(shí)代”。這時(shí)電腦的體積、重量、功耗都大大地減少了，計(jì)算速度達(dá)到了300萬(wàn)次每秒。3集成電路時(shí)代1962年，由美國(guó)得克薩斯公

6、司與美國(guó)空軍共同研制出了第一臺(tái)采用中小規(guī)模集成電路的電腦。當(dāng)時(shí)的電腦大都以集成電路為最基本電子元件，其體積、功耗都進(jìn)一步減少，可靠性進(jìn)一步提高，運(yùn)算速度達(dá)到了4000萬(wàn)次每秒，這個(gè)時(shí)期便被稱為“集成電路時(shí)代”。由于電腦采用了中小規(guī)模集成電路，因而集成度較高、功能增強(qiáng)，價(jià)格卻更便宜，使電腦的應(yīng)用范圍變得更為廣闊。4超大規(guī)模集成電路時(shí)代隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代后，各種先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電腦制造，這使得電子元器件的集成度進(jìn)一步加大，出現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。電腦以大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路作為基本電子元件后，使得體積更加小型化，功耗更低，價(jià)格更便宜，這為電腦的普及鋪平了

7、道路。這時(shí)微型機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，為電腦的普及以及網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)造了條件。1.1.3 電腦的未來(lái)展望戈登·摩爾是Intel公司創(chuàng)始人之一，1965年，他預(yù)言了電腦集成技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，那就是每18個(gè)月在同樣面積的芯片中集成的晶體管數(shù)將翻一番，而成本將下降一半。幾十年來(lái)，電腦芯片的集成度嚴(yán)格按照摩爾定律進(jìn)行發(fā)展，不過(guò)它已經(jīng)走到了盡頭。由于電腦采用的是電流作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)，而電流主要靠電子的遷移而產(chǎn)生，電子最基本的通路是原子，一個(gè)原子的直徑大約等于1nm，目前芯片的制造工藝已經(jīng)達(dá)到了90nm甚至更小，也就是說(shuō)一條傳輸電流的導(dǎo)線的直徑即為90個(gè)原子并排的長(zhǎng)度。照這樣發(fā)展下去，最終一條導(dǎo)線的直徑可以達(dá)到一

8、個(gè)原子的直徑長(zhǎng)度，但是這樣的電路是極不穩(wěn)定的，因?yàn)殡娏鳂O易造成原子遷移，那么電路也就斷路了。由于晶體管電腦存在上述的物理極限，因而人類在較早的時(shí)候就開(kāi)始了各種非晶體管電腦的研究，如“夢(mèng)幻式”的超導(dǎo)電腦、生物電腦、光學(xué)電腦等，其中研究成果最為顯著的是光學(xué)電腦。2003年10月底，以色列Lenslet公司研發(fā)的Enlight全球首枚嵌入光核心的商用向量光學(xué)數(shù)字處理器問(wèn)世，它的運(yùn)算速度達(dá)到了80 000億次每秒，是普通數(shù)字信號(hào)處理器的1000倍。這些電腦被稱為第五代電腦，其速度將達(dá)到10 000億次每秒，能在更大程度上仿真人的智能，并在某些方面超過(guò)人的智能。目前，電腦還在向以下4

9、個(gè)方面發(fā)展。î 巨型化在天文、天氣預(yù)報(bào)、軍事、生物仿真等領(lǐng)域，需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，這需要性能強(qiáng)勁的電腦才能完成，普通的電腦可能算上十天半個(gè)月都得不到結(jié)果。為滿足這些特殊應(yīng)用領(lǐng)域的需求，這就需要研制功能更強(qiáng)的巨型電腦。î 微型化現(xiàn)在，在辦公和家庭中大量使用的就是一種微型電腦。有些專用微型電腦還用于各種儀器和家用電器中，為了方便人們外出旅行，出現(xiàn)了體積更小、更輕便、易于攜帶的微型電腦，如筆記本電腦、掌上電腦（PDA）等。î 網(wǎng)絡(luò)化隨著電腦的普及，電腦網(wǎng)絡(luò)也逐步深入到人們工作生活的各個(gè)部分。通過(guò)電腦網(wǎng)絡(luò)可以連接地球上分散的電腦，然后共享各種分散的電腦資源?，F(xiàn)在電

10、腦網(wǎng)絡(luò)也是人們工作生活中不可或缺的事物，電腦網(wǎng)絡(luò)化可以讓人們足不出戶就能獲得大量的信息以及與世界各地的親友進(jìn)行通信、網(wǎng)上貿(mào)易等。î 智能化以前，電腦只能按照人的意愿和指令去處理數(shù)據(jù)，而智能化的電腦能夠代替人的腦力勞動(dòng)，具有類似人的智能，如能聽(tīng)懂人類的語(yǔ)言，能看懂各種圖形，可以自己學(xué)習(xí)等，即電腦可以進(jìn)行知識(shí)的處理，已能代替人的部分工作。1.2 電腦的組成原理一臺(tái)電腦系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件是指組成電腦的物理實(shí)體，如CPU、主板、內(nèi)存等；軟件是指運(yùn)行于硬件之上具有一定功能，并能夠?qū)τ布M(jìn)行操作、管理及控制的電腦程序，它依附于硬件。1.2.1 硬件系統(tǒng)微型電腦和大型電腦都是以

11、“電子計(jì)算機(jī)之父”馮·諾依曼所設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)就像一本書的目錄一樣，使得電腦的發(fā)展變化從未越出其規(guī)定和約束。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)規(guī)定電腦主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等幾部分組成，如圖1-1所示。圖1-1 電腦的組成1運(yùn)算器和控制器運(yùn)算器，顧名思義即進(jìn)行計(jì)算的機(jī)器，它被集成在CPU中，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即完成數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破魇侵高M(jìn)行控制的機(jī)器，它也被集成在CPU中，用來(lái)對(duì)電腦的運(yùn)算器等部件進(jìn)行控制，控制器可以發(fā)出各種指令，以控制整個(gè)電腦的運(yùn)行，指揮和協(xié)調(diào)電腦各部件的工作。運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理單元，英

12、文名為Central Processing Unit，簡(jiǎn)稱CPU。CPU是整個(gè)電腦的中樞，通過(guò)各部分的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、判斷和計(jì)算等處理，以完成程序所指定的任務(wù)。2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是電腦存放數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)，存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器又叫內(nèi)存或主存，其容量較小，但速度快，用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)；外存儲(chǔ)器是輔助存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱外存，其容量較大，但速度較慢，用于存放電腦暫時(shí)不用的數(shù)據(jù)和程序。內(nèi)存和外存的關(guān)系就像大米口袋和糧倉(cāng)的關(guān)系，大米口袋用于存放要吃的大米，糧倉(cāng)則存放暫時(shí)不吃的糧食。3輸入設(shè)備輸入設(shè)備是指將數(shù)據(jù)輸入到電腦中的設(shè)備，在早期，輸入設(shè)備是一臺(tái)讀孔的機(jī)器，它只能輸入“0”和“1”兩種數(shù)字

13、。隨著高級(jí)語(yǔ)言的出現(xiàn)，人們逐漸發(fā)明了鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和手寫板等人性化的輸入設(shè)備，從而使電腦不再只是科學(xué)家能夠操作的工具，一般人也可以輕松駕馭。4輸出設(shè)備在電腦中，輸出設(shè)備負(fù)責(zé)將電腦處理數(shù)據(jù)時(shí)的中間過(guò)程和結(jié)果告知人們，讓人們以此來(lái)判斷計(jì)算的正確性。最初電腦的輸出結(jié)果是一長(zhǎng)串由0和1組成的機(jī)器數(shù)，人們很難對(duì)其進(jìn)行判斷，后來(lái)為了方便，便在電腦中加入各種轉(zhuǎn)換設(shè)備，將機(jī)器數(shù)轉(zhuǎn)換成人們能夠輕松識(shí)別的數(shù)字、字符、表格、圖形等。最常見(jiàn)的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)和繪圖儀等，現(xiàn)在顯示器已成為每臺(tái)電腦的必配輸出設(shè)備。1.2.2 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)運(yùn)行在電腦硬件系統(tǒng)上，其作用是運(yùn)行、管理和維護(hù)電腦系統(tǒng)，并充分發(fā)揮電腦

14、性能。電腦軟件都是由電腦語(yǔ)言編制而成的程序，由于軟件的功能各有不同，因此可將其分為系統(tǒng)軟件、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和應(yīng)用軟件3大類。î 系統(tǒng)軟件：主要作用是對(duì)電腦的軟硬件資源進(jìn)行管理，并為用戶提供各種服務(wù)。系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，由一個(gè)或多個(gè)團(tuán)體開(kāi)發(fā)而成，包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理軟件和編譯程序等，如Windows等。î 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言：作用是將用戶語(yǔ)言翻譯成電腦能夠識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言，用戶能對(duì)電腦進(jìn)行控制，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言等。î 應(yīng)用軟件：指一些具有特定功能的軟件，這些軟件能夠幫助用戶完成特定的任務(wù)，如圖形處理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)軟件等。1.3 電腦的基本結(jié)構(gòu)從外觀

15、上看，電腦由主機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤和音箱等設(shè)備組成，如圖1-2所示。圖1-2 電腦的基本組成為了更好地了解電腦，這里將電腦細(xì)分為主機(jī)中的CPU（中央處理器）、主板、內(nèi)存條、硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、顯卡、聲卡、機(jī)箱，以及顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、打印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)和游戲手柄等。1.3.1 中央處理器（CPU）CPU是電腦的大腦，如圖1-3所示。日常所說(shuō)的奔騰、奔騰II、奔騰III、奔騰4、賽揚(yáng)、速龍、毒龍、雷鳥(niǎo)等都是CPU的型號(hào)，而“奔騰IV 2.8GHz”則是指該CPU的主頻，即運(yùn)算速度，它是CPU較關(guān)鍵的一項(xiàng)性能指標(biāo)。1.3.2 主板主板在電腦中起著舉足輕重的作用，是電腦最重要的部件之一，主

16、機(jī)里面幾乎所有的設(shè)備都會(huì)和主板有關(guān)聯(lián)，如圖1-4所示。從外觀上看，一塊方形的電路板上布滿了各種電子元器件、插槽和各種外部接口，其中有北橋芯片、CPU插槽、顯卡插槽、鼠標(biāo)和鍵盤接口、電源插座等。 圖1-3 CPU 圖1-4 主板1.3.3 內(nèi)存內(nèi)存是馮·諾依曼體系電腦中的關(guān)鍵部件，如圖1-5所示，電腦沒(méi)有內(nèi)存將無(wú)法運(yùn)行。內(nèi)存是電腦中各部件與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的中轉(zhuǎn)站，用于存儲(chǔ)CPU當(dāng)前處理的信息，能直接和CPU交換數(shù)據(jù)。內(nèi)存由半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路制成，特點(diǎn)是存取速度快，但是容量較小，斷電后不能保存數(shù)據(jù)。圖1-5 內(nèi)存1.3.4 硬盤硬盤是電腦中較重要的存儲(chǔ)設(shè)備，在其中存放著電腦正常運(yùn)行

17、需要的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，如圖1-6所示，它具有速度快、容量大、可靠性高等特點(diǎn)。1.3.5 光驅(qū)光驅(qū)是電腦中最普遍的外部存儲(chǔ)設(shè)備，如圖1-7所示。由于各種操作系統(tǒng)和軟件都是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，為了方便這些數(shù)據(jù)的存放和傳播，便將其刻在光盤上，為了電腦能夠直接讀取這些數(shù)據(jù)，就在電腦中增加了光驅(qū)這一外設(shè)。在早期的時(shí)候，這類數(shù)據(jù)的存放和傳播是采用類似錄音機(jī)磁帶的存儲(chǔ)介質(zhì)，即磁帶機(jī)和磁盤（軟盤）。后來(lái)開(kāi)始使用光盤來(lái)存放電腦程序、多媒體應(yīng)用軟件以及文本、圖形圖像等。用光盤存放數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是容量大、成本低，而且保存時(shí)間長(zhǎng)。 圖1-6 硬盤 圖1-7 光驅(qū)1.3.6 顯卡與顯示器顯卡與顯示器共同組成了電腦的顯示系統(tǒng)，是電腦

18、的輸出設(shè)備。顯卡又稱為顯示適配器，它主要用于電腦中的圖形處理和輸出，如圖1-8所示。顯示器的重要作用是將顯卡傳送來(lái)的圖像信息在屏幕上顯示，它是用戶和電腦對(duì)話的窗口，它可以顯示用戶的輸入信息和電腦的輸出信息，如圖1-9所示。 圖1-8 顯卡 圖1-9 顯示器1.3.7 聲卡與音箱聲卡與音箱組成了電腦的音效系統(tǒng)，它們也是電腦的輸出設(shè)備之一。聲卡的作用和顯卡類似，用于聲音信息的處理和輸出，如圖1-10所示。聲卡還可用來(lái)進(jìn)行聲音的輸入。如圖1-11所示為多媒體音箱。 圖1-10 聲卡 圖1-11 音箱1.3.8 鍵盤與鼠標(biāo)自從人們擺脫了手工的數(shù)字輸入后，鍵盤則成了必不可少的輸入設(shè)備，如圖1-12所示。輸入各種數(shù)據(jù)都需要鍵盤，它是人類和電腦之間重要的溝通工具。鼠標(biāo)是隨著圖形操作界面而產(chǎn)生的，如圖1-13所示，使用鼠標(biāo)可以準(zhǔn)確、方便地移動(dòng)光標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。 圖1-12 鍵盤 圖1-13 鼠標(biāo)1.3.9 電源和機(jī)箱電源也稱為電源供應(yīng)器，電源是電腦的心臟，如圖1-14所示，它提供了電腦正常運(yùn)行時(shí)所需要的動(dòng)力，各種設(shè)備的運(yùn)行都需要電源提供動(dòng)力。機(jī)箱是安裝放置各種電腦設(shè)備的裝置，如圖1-15所示，它將電腦設(shè)備整合在一起，起到保護(hù)電腦部件的作用，此外也能屏蔽主機(jī)內(nèi)的電磁輻射，保護(hù)電腦使用者。 圖1-14 電源 圖1-15