第2章 計(jì)算機(jī)硬件

存二章計(jì)算機(jī)硬件組成與工作原理

-2.1計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)

-2.2常用輸入設(shè)備

-2.3常用輸出設(shè)備

-2.4外存儲(chǔ)器

■2.5計(jì)算機(jī)基本工作原理

-2.6微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置及主要技術(shù)指

標(biāo)

1

02.L1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

■計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件

兩大部分。

?硬件，是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備，也稱硬設(shè)

備。

?軟件，是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)以及開

發(fā)、使用、維護(hù)程序所需文檔的集合。

硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

的靈魂。

2

硬件和軟件的關(guān)系

?沒有軟件的支持，再好的硬件配置也是

毫無價(jià)值的；沒有硬件，軟件再好也沒

有用武之地。所以，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)作

一個(gè)整體來看，它既含有硬件，也包含

軟件，兩者不可分割，硬件和軟件相結(jié)

合才能充分發(fā)揮電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能。

■計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成如圖2?1所示。

3

r運(yùn)算器

中央處理器

1捽制器

（CPU）

硬只讀存儲(chǔ)器（ROM）

件內(nèi)存儲(chǔ)器

系隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）

統(tǒng)（輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)器、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等）

J輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)、音箱等）

〔外存儲(chǔ)器（硬磁盤、軟磁盤、優(yōu)盤、光盤等）

計(jì)

算

機(jī)<操作系統(tǒng)

系

統(tǒng)r編鋒程序

語(yǔ)言處理程序<解釋程序

I匯編程序

）（監(jiān)捽、檢測(cè)程序

/系統(tǒng)軟件

\編輯程序

能

系統(tǒng)服務(wù)程序<裝配程序

系調(diào)試程序

統(tǒng)【其他服務(wù)程序

<數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

文字處理軟件

表格處理軟件

（應(yīng)用軟件

實(shí)時(shí)控制軟件

輔助設(shè)計(jì)軟件等

圖2-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

42.1.2計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

-計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部

分組成，也稱計(jì)算機(jī)的五大部件。這五大部件通過系統(tǒng)總線互連，傳

遞數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。這些系統(tǒng)總線按信號(hào)類型分成三類，分別

稱為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。

■運(yùn)算器和控制器合在一起稱為CPU（CentralProcessingUnit,中央處

理器），它是計(jì)算機(jī)的核心。存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)麻內(nèi)存）和外

存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱外存）兩種。CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、總線等構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的

“主機(jī)”。輸入設(shè)備粕輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱I/O（Input/Output）設(shè)備。I/O

設(shè)備和外存儲(chǔ)器等通常稱為計(jì)算機(jī)的“外部變備”，簡(jiǎn)稱“外設(shè)”。

■圖2?2是計(jì)算機(jī)硬件組成的示意圖。

5

圖2-2計(jì)算機(jī)硬件組成示意圖

計(jì)算機(jī)工作原理

-計(jì)算機(jī)之所以能脫離人的直接干預(yù)，

自動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算或信息處理，是

由于人把實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)算的一步步操作

用命令的形式，即一條條指令

(instruction),預(yù)先輸入到存儲(chǔ)器

中，在執(zhí)行時(shí)機(jī)器把這些指令一條條

的取出來，加以翻譯和執(zhí)行。

7

以兩個(gè)數(shù)相加為例:

第一步：把第一個(gè)數(shù)從它所在的存儲(chǔ)單元中取出來,

送至運(yùn)算器。

第二步：把第二個(gè)數(shù)從它所在的存儲(chǔ)單元中取出來，

送至運(yùn)算器。

第三步：相加。

第四步：把相加的結(jié)果送至存儲(chǔ)器中指定的單元

8

4中央處理器(CPU)

■由控制器和運(yùn)算器組成，計(jì)算機(jī)中的輸入/輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)

據(jù)傳輸和處理都通過CPU來控制執(zhí)行。微機(jī)中的中央處理器又稱為微

—蠢，例如，Intel公司的Pentium(奔騰5處理器。

控制器:對(duì)輸入的指令進(jìn)行分析，并統(tǒng)一控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件完

成一定任憊的部件。它一般由指令寄存器、狀態(tài)寄存器、指令譯

碼器、時(shí)序電路和控制電路組成。

運(yùn)算器:算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit)。主要任務(wù)

是執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?！?/p>

-CPU的主要技術(shù)指標(biāo)是字長(zhǎng)和主頻。字長(zhǎng)是指CPU同時(shí)處

理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是MHz

或GHz,用來表示CPU的運(yùn)算速度。

9

CPU基本工作原理

原理如同一個(gè)工廠對(duì)產(chǎn)品的加工過程：進(jìn)入

工廠的原料（指令），經(jīng)過物資分配部門（控制

單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運(yùn)算單

元），生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)）后，再存儲(chǔ)

在倉(cāng)庫(kù)（存儲(chǔ)器）中，最后等著拿到市場(chǎng)上去賣

（交由應(yīng)用程序使用）。

10

微處理器的外形

■許多微型計(jì)算機(jī)使用的CPU芯片是將運(yùn)

算器及控制器等集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯

片內(nèi)。一般是只有一片或幾片像郵票

大小的集成電路芯片。

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intei)

IntelCore1/processor

桌面處理器旗艦

SRJ.二

(intei)'IntelCorei5processor

中端桌面處理器領(lǐng)軍人物

CORE"

IntelCorei3processor

Cor/族入門處理器

CORE

12

AMD口

JJ三g/

MAM^T^TAMD[AMDiAMD.贏毓,一—.

|立西"一面〉■1

L〃?「7?

龍芯一號(hào)

龍芯2c

龍芯2F

龍芯3A

14

15

CPU主要性能指標(biāo)

CPU主要的性能指標(biāo)有主頻、外頻、倍頻、前端總

線頻率、地址總線寬度、內(nèi)存總線速度、高速緩存、

工作電壓、多媒體指令集、制造工藝等。

這些性能指標(biāo)不僅是衡量一個(gè)CPU的標(biāo)準(zhǔn)，也決定

著一個(gè)微型計(jì)算機(jī)性能優(yōu)劣。因此用戶在選購(gòu)CPU時(shí)一

定要對(duì)其格外的重視。

16

?主頻

主頻(ClockSpeed)也叫時(shí)鐘頻率，是CPU的工作

頻率，單位是MHz,用來表示CPU的運(yùn)算速度。

由于在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU能夠完成的指令數(shù)是

固定的，因此主頻越高，CPU的在單位時(shí)間內(nèi)能夠執(zhí)行

的指令就越多，CPU的運(yùn)算速度就越快。

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盡管CPU承擔(dān)了計(jì)算機(jī)中主要的計(jì)算和控制任務(wù),

但是由于計(jì)算機(jī)是一個(gè)整體，因此計(jì)算機(jī)的性能優(yōu)劣

并不只由CPU主頻的高低來決定。

但由于CPU處于計(jì)算機(jī)中的核心位置，因此在選購(gòu)

計(jì)算機(jī)時(shí)還是要首先考慮CPU的主頻.

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?外頻

外頻是系統(tǒng)總線的工作頻率，具體是指CPU到芯片組之間的總

線速度，其單位是MHz。

目前，CPU的外頻大多為133MHz、200MHz、266MHz或333MHz。

?倍頻

倍頻是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者之間共識(shí)的表示關(guān)

系為：

主頻二外頻X倍頻

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?血端總線頻率

前端總線（FSB）是連接CPU和北橋芯片之間的線路。而前端

總線頻率是CPU與內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率，直接影響CPU與

內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。

前端總線的速度即數(shù)據(jù)帶寬，它取決于所有同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

的寬度和傳輸頻率，即：

數(shù)據(jù)帶寬二（總線頻率義數(shù)據(jù)寬度）/8

20

?緩存

緩存又稱為高速緩存，是指可以進(jìn)行

高速數(shù)據(jù)交換的存儲(chǔ)器。

CPU的緩存分為一級(jí)緩存(LICache)

和二級(jí)緩存(L2Cache)。

21

目前世界上主要生產(chǎn)CPU產(chǎn)品的廠商有Intel公司、

AMD公司、VIA（威盛）公司、IBM公司和富士通公司。

其中，Intel公司的CPU在民用領(lǐng)域占有80%多的市場(chǎng)份

額。

Intel公司創(chuàng)辦于1986年，是世界上第一塊CPU的

研發(fā)和制造公司，同時(shí)，還是當(dāng)今世界上CPU出貨量最

大的公司。

22

I存儲(chǔ)器

＞內(nèi)存

簡(jiǎn)稱主存，直接與CPU相連接，存儲(chǔ)容量較小，但存取速度快，

用來存放當(dāng)前運(yùn)行程序的指令和數(shù)據(jù)，并直接與CPU交換信息。

內(nèi)存一般由半導(dǎo)體器件構(gòu)成。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器

(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)兩種：

(l)RAM:可以讀寫，存取任一單元所需的時(shí)間相同，通電時(shí)RAM中

的內(nèi)容可以保持，斷電后，存儲(chǔ)的內(nèi)容立即消失。

(2)ROM:存儲(chǔ)的信息只能讀出，不能寫入，斷電后信息不會(huì)丟失。

＞外存

簡(jiǎn)稱輔存，它是內(nèi)存的擴(kuò)充。外存存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，但存取

速度慢，一般用來存放大量暫時(shí)不用的程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，

需要時(shí)，可成批地和內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。常用的外存有磁盤、

光盤、優(yōu)盤和磁帶等。

23

存儲(chǔ)器

-計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)容量的基本單位

是字節(jié)。8位二進(jìn)制碼（8bits）稱為一個(gè)字

節(jié)（Byte,簡(jiǎn)稱B）。1024個(gè)字節(jié)稱為1K字

節(jié)，1024K個(gè)字節(jié)稱1兆字節(jié)（1MB）,

1024M個(gè)字節(jié)稱為1G字節(jié)（1GB）,

1024G個(gè)字節(jié)稱為1T字節(jié)（1TB）o現(xiàn)在微

機(jī)的主存容量大多數(shù)在幾百兆字節(jié)以上。

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]|輸入輸出設(shè)備

■輸入設(shè)備

用來向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備通常稱為“輸入設(shè)備”。

觸入到計(jì)算機(jī)中的信息都使用二進(jìn)位（“0”和“1”）來表

Zj\O

■輸出設(shè)備

計(jì)算機(jī)的輸出可以是文本、語(yǔ)音、音樂、圖像、動(dòng)畫等多

種形式。負(fù)責(zé)完成輸出任務(wù)的是輸出設(shè)備，它們的功能是

把計(jì)算機(jī)中用“0”和“1”表示的信息轉(zhuǎn)換成為人可直接識(shí)

別和感知的形式。

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［系統(tǒng)總線與I/O接口

系統(tǒng)總線是用于在CPU、內(nèi)存、外存和各

種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息并協(xié)調(diào)它們

工作的一種部件（含傳輸線和控制電路）。

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,2.2.1鍵盤

-通過鍵盤，可以將字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等輸入到計(jì)算機(jī)

中，從而向計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，輸入中西文字和數(shù)據(jù)。鍵盤

與主機(jī)的接口有多種形式，一般采用的是AT接口或PS/2

接口，比較新的產(chǎn)品使用USB接口。

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鍵盤盤面分四個(gè)區(qū)

功能鍵區(qū)

打字鍵盤區(qū)（又稱英文主鍵盤區(qū)）

方向鍵區(qū)（控制鍵盤區(qū)）

數(shù)字鍵區(qū)（副鍵盤區(qū)）

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鍵盤的分類

⑴按擊鍵數(shù)分類

鍵盤按鍵數(shù)曾出現(xiàn)有83鍵、93鍵、96鍵、101鍵、102鍵、

104鍵、107鍵等。

⑵按工作原理分類

可分為機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種。

⑶按鍵盤外形分類

可分為標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、人體工學(xué)鍵盤等

⑷按接口分類

可分為AT接口（大口）、PS/2接口（小口）、USB接口

等。

⑸/蜃接方式分類

可分為有線和無線兩種。無線鍵盤的連接又分紅外方式

和無軟電方式兩種。

⑹按功能分類

可分為普通鍵盤、多功能鍵盤等

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冊(cè)

2.2.2鼠標(biāo)

-一種指示設(shè)備，能方便地控制屏幕上的鼠標(biāo)箭頭準(zhǔn)確地定

位在指定的位置處，并通過按鈕完成各種操作。鼠標(biāo)器與

主機(jī)的接口有三種。EIA-232串行接口（9針D型插頭座）、

PS/2接口、USB接口。

31

■鼠標(biāo)的分類

⑴按照結(jié)構(gòu)分類,可分為機(jī)械鼠標(biāo)和光電

鼠標(biāo)。

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⑵按照接口方式分類，可以分為串口、

PS/2接口以及USB接口鼠標(biāo)。

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$223筆輸入設(shè)備

-筆輸入設(shè)備一般都由兩部分組成：一部分是與主機(jī)相連接

的“手寫板”，手寫板上有連接線，接在主機(jī)的串行口或

USB口；另一部分是在手寫板上寫字的“手寫筆”。用戶

通過手寫筆與手寫板的相互作用來完成寫字、畫畫和控制

鼠標(biāo)箭頭的操作,

二_

35

$224掃描儀

■掃描儀是將原稿(圖片、照片、底片、書稿)輸入計(jì)算機(jī)

的一種輸入設(shè)備。按掃描儀的結(jié)構(gòu)來分，掃描儀可分為

手持式、平板式、膠片和滾筒式等幾種。

-掃描儀的主要性能指標(biāo)包括:

(1)掃描儀的分辨率。

(2)色彩位數(shù)(色彩深度)。

(3)掃描幅面。

(4)與主機(jī)的接口。

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掃描儀的工作原理

■掃描儀的工作步驟如下：將掃描的原稿正面朝下鋪在掃描

儀的玻璃板上；啟動(dòng)掃描儀驅(qū)動(dòng)程序后，安裝在掃描儀內(nèi)

部的可移動(dòng)光源通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下帶

動(dòng)裝著光學(xué)系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成

掃描，為了均勻照亮稿件，掃描儀光源為長(zhǎng)條形，并沿垂

直方向掃過整個(gè)原稿，每掃一行得到原稿橫向一行的圖像

信息，照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的縫隙，

形成橫向光帶；又經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)

入分光鏡；經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的RGB三條彩

色光帶，分別照到各自的CCD上；CCD將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M

電子信號(hào)，該信號(hào)被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號(hào)。至此,

反映原稿圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠接受的二進(jìn)制數(shù)

字電子信號(hào)，最后傳送至計(jì)算機(jī)并在計(jì)算機(jī)內(nèi)部逐步形成

原稿的全圖。

37

掃描儀的結(jié)構(gòu)

■平板式掃描儀包括三大部分：掃描頭

（光學(xué)成像部分）；步進(jìn)電機(jī)和導(dǎo)軌

（傳動(dòng)部分）；主板（控制和A/D轉(zhuǎn)換處

理電路部分）。

接口（SCSI,并行或USB）

38

?2.2.5數(shù)碼相機(jī)

■數(shù)碼相機(jī)不使用光敏鹵化銀膠片成像，而是將影像聚焦在

成像芯片（CCD或CMOS）上，并由成像芯片轉(zhuǎn)換成電

信號(hào)，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）變成數(shù)字圖像，經(jīng)過必

要的圖像處理和數(shù)據(jù)壓縮之后，存儲(chǔ)在相機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器

中。整個(gè)過程不到1秒種，其中成像芯片是數(shù)碼相機(jī)的核

心。圖2?8是數(shù)碼相機(jī)的成像過程。

39

數(shù)碼相機(jī)成像過程

圖像存

處理儲(chǔ)

QPC機(jī)

與器接口

數(shù)據(jù)電路a打印機(jī)

壓縮

o電視機(jī)

圖2-8數(shù)碼相機(jī)的成像過程

■數(shù)碼相機(jī)的存儲(chǔ)器大多采用快擦寫存儲(chǔ)器（閃爍存儲(chǔ)器），

即使斷電也不會(huì)丟失信息。存儲(chǔ)容量是數(shù)碼相機(jī)的另一項(xiàng)

重要性能，在圖像分辨率和質(zhì)量要求相同的情況下，存儲(chǔ)

容量越大，可存儲(chǔ)的數(shù)字像片就越多。

40

231顯示器

顯示器是計(jì)算機(jī)必不可少的一種圖文輸出設(shè)備，其作用是將數(shù)字信號(hào)

轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，最終將文字與圖形顯示出來。

算

機(jī)

常

鍥

部

分

組

監(jiān)

監(jiān)

計(jì)

顯

示

通

由

兩

成

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器

器

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1極

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、

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，

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路