計算機(jī)導(dǎo)論（第5版） 課件 第4章-計算機(jī)硬件知識

計算機(jī)導(dǎo)論第4章計算機(jī)硬件知識目錄CONTENTS0102計算機(jī)的基本組成與工作原理中央處理器03輸入設(shè)備04存儲器目錄CONTENTS0506輸出設(shè)備主板07計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展08總線計算機(jī)的基本組成與工作原理計算機(jī)的基本組成；計算機(jī)的基本工作原理/01計算機(jī)的基本組成與基本工作原理

計算機(jī)是一種能夠按照程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自動處理的電子設(shè)備。這里所說的計算機(jī)是指存儲程序式電子數(shù)字計算機(jī)，組成計算機(jī)硬件的主體是電子器件和電子線路，計算機(jī)存儲和處理的是數(shù)字信息，存儲在計算機(jī)中的程序通過控制器控制計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理工作。計算機(jī)的基本組成組成一臺計算機(jī)的所有物理設(shè)備構(gòu)成計算機(jī)硬件子系統(tǒng)。計算機(jī)硬件是看得見摸得著的實體，是計算機(jī)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。在分析“埃尼阿克”設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，1945年6月，馮·諾依曼等人完成了《EDVAC報告初稿》，報告給出了電子計算機(jī)邏輯設(shè)計的基本要素：二進(jìn)制，不僅數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示和存儲，組成程序的指令也用二進(jìn)制表示和存儲；存儲程序，程序及其要處理的數(shù)據(jù)存放在存儲器中；5個基本組成部分，計算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個部分組成。計算機(jī)的基本組成計算機(jī)各組成部分的主要功能運(yùn)算器用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破靼闯绦虼a的要求控制計算機(jī)各個部分協(xié)調(diào)一致地工作，完成程序規(guī)定的任務(wù)。存儲器用來存放程序及其要處理的數(shù)據(jù)，這里的存儲器指內(nèi)存。輸入設(shè)備用于將程序與數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，常用輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀和3D掃描儀等。輸出設(shè)備用于將程序執(zhí)行結(jié)果輸出，常用輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、3D打印機(jī)和繪圖儀等。計算機(jī)的基本工作原理根據(jù)要完成任務(wù)的詳細(xì)工作步驟（算法），編寫出相應(yīng)的程序。通過鍵盤等輸入設(shè)備把編寫的程序輸入到計算機(jī)的存儲器中，用一種稱為解釋器或編譯器的軟件將由語句組成的高級語言程序翻譯成由二進(jìn)制指令組成的機(jī)器語言程序并存放在存儲器中。存儲在存儲器中的機(jī)器語言程序能夠被計算機(jī)直接執(zhí)行。執(zhí)行機(jī)器語言程序時，控制器首先按照取指令—分析指令—執(zhí)行指令的模式執(zhí)行程序中的第一條指令。執(zhí)行完一條指令，控制器讀取下一條指令，按同樣的取指令-分析指令-執(zhí)行指令模式把程序中所有的指令執(zhí)行完，任務(wù)也就完成了。中央處理器中央處理器的基本組成；中央處理器芯片的制作過程/02中央處理器的基本組成CPU的組成與功能中央處理器（CPU）由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成。運(yùn)算器負(fù)責(zé)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；寄存器用于臨時保存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算后的結(jié)果；控制器負(fù)責(zé)按照程序的要求指揮各部件工作。中央處理器是組成計算機(jī)最核心的部件。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，CPU可以集成在一個半導(dǎo)體芯片上，這種具有中央處理器功能的超大規(guī)模集成電路芯片，稱為微處理器。微處理器就是芯片化的CPU。CPU還廣泛應(yīng)用在智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)控機(jī)床等數(shù)字化智能設(shè)備上。近些年，超級計算機(jī)、大型計算機(jī)等高端計算機(jī)系統(tǒng)也采用大量的通用高性能微處理器建造。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標(biāo)—兼容性每種微處理器都有特定的指令集，指令集就是某款CPU能夠識別的指令集合。適用于特定CPU的機(jī)器語言必須使用該CPU的指令集。由于各CPU都有特定的指令集，為某款CPU的計算機(jī)設(shè)計的程序在另一款CPU的計算機(jī)上可能無法運(yùn)行。CPU制造商在推出新產(chǎn)品時，需要認(rèn)真考慮兼容性問題。如果運(yùn)行在舊款CPU上的程序不用修改，就能直接在新款的CPU上運(yùn)行，就稱新款CPU向下兼容舊款CPU。向下兼容有利于新型CPU及相應(yīng)計算機(jī)的推廣。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標(biāo)—字長字長是指CPU一次能夠處理數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)，字長的大小直接反映計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，字長越長，一次可處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)就越多，運(yùn)算速度也就越快。例如，要完成兩個64位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的加法運(yùn)算，32位的CPU需要做兩次加法操作，而16位的CPU需要做4次加法，如果是目前常見的64位的CPU，做一次加法就可以了。當(dāng)然，字長越長，制作的技術(shù)難度就越大，成本也就越高。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標(biāo)—主頻主頻是指CPU的時鐘頻率，它決定了CPU每秒鐘可以劃分為多少個時鐘周期，可以執(zhí)行多少條指令。主頻越高，CPU的運(yùn)算速度也就越快。但主頻并不等于CPU一秒鐘執(zhí)行的指令條數(shù)，因為執(zhí)行一條指令可能需要多個時鐘周期。例如，如果一款CPU的主頻為3.5GHz，則一秒鐘可以劃分為3.5×109個時鐘周期，如果執(zhí)行一條指令平均需要6個時鐘周期，則該CPU一秒鐘可以執(zhí)行約0.6×109條指令，即約6億條指令。CPU芯片的制作過程CPU的設(shè)計—設(shè)計指令集設(shè)計CPU，首先要做的工作是設(shè)計指令集，即明確CPU能執(zhí)行哪些指令，具備哪些功能。指令集中包括算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、存取數(shù)據(jù)指令、比較指令、轉(zhuǎn)移指令等。設(shè)計指令集可以使用硬件描述語言（HDL），VerilogHDL和VHDL是最流行的兩種硬件描述語言。VerilogHDL以文本形式描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達(dá)式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所能完成的邏輯功能。CPU芯片的制作過程CPU的設(shè)計—畫出電路圖針對二進(jìn)制形式的指令，畫出相應(yīng)的電路圖，然后依據(jù)電路圖制作出實際的電路，一條指令對應(yīng)一部分電路。按照VerilogHDL代碼畫出數(shù)字電路設(shè)計圖可以使用電子設(shè)計自動化（EDA）軟件，EDA是一類對電路進(jìn)行自動布局、布線、分析、驗證的設(shè)計軟件?；赩erilogHDL代碼描述的數(shù)字電路的邏輯功能，EDA軟件能夠完成自動轉(zhuǎn)換成晶體管的布局、自動排布晶體管之間的連接線路。以及時序分析、功耗分析、功能驗證等工作。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—熔沙成硅對主要成分是二氧化硅的沙子進(jìn)行熔煉、脫氧和凈化等處理，得到可用于制造半導(dǎo)體的高純度硅，其形狀為圓柱形硅錠。隨著熔煉工藝的不斷改進(jìn)，硅錠的直徑從早期的2英寸（50毫米）逐步發(fā)展到近幾年的8英寸（200毫米）和12英寸（300毫米）。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—切割硅錠用切割工具對硅錠進(jìn)行橫向切割，得到稱為晶圓的圓形硅片，并對切割出的晶圓進(jìn)行拋光處理，使晶圓的表面非常平滑。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—光刻蝕刻在晶圓的表面涂抹一層非常薄、非常均勻的光刻膠，然后使用光刻機(jī)按照CPU版圖（電路圖）在晶圓上進(jìn)行光刻和蝕刻等處理，生成相應(yīng)的晶體管以及晶體管之間的連線。多次重復(fù)該過程，可以形成多層的電路。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—切分晶圓把晶圓切分成晶片。一片直徑為12英寸（300毫米）的晶圓，其面積有幾萬平方毫米，可以切分出幾百片晶片，每一片晶片就是一個CPU內(nèi)核（die），包含一套完整的CPU電路。CPU芯片的制作過程CPU的生產(chǎn)—封裝測試把一片CPU晶片放到一個稱為襯底或基片的絕緣底座上，底座下面是用于連接到主板的焊點，晶片上面再覆蓋一個稱為散熱片的金屬殼，就形成了一個單內(nèi)核CPU。封裝后再進(jìn)行最后的測試，通過測試的芯片就可以自用或出售了。CPU芯片的制作過程制作CPU芯片是一項非常復(fù)雜、精細(xì)、嚴(yán)格的工作，對設(shè)計人員，對所用的設(shè)備和工具都有很高的要求。在設(shè)計指令集時，要考慮到CPU的內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計和操作系統(tǒng)的設(shè)計以及應(yīng)用軟件的設(shè)計。對提取出的硅的純度要求很高，要達(dá)到99.9999％，相當(dāng)于平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。晶圓的厚度只有1毫米左右，要在其上完成多層的拋光、涂抹光刻膠、光刻、蝕刻等處理。晶體管的集成度非常高，1平方毫米要集成上億個晶體管。存儲器內(nèi)存；外存/03存儲器概述

存儲器分為內(nèi)存和外存，也分別稱為主存儲器（主存）和輔助存儲器（輔存）。

內(nèi)存用于存放要執(zhí)行的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，外存作為內(nèi)存的后援設(shè)備，存放暫時不需要執(zhí)行而將來要執(zhí)行的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

沒有內(nèi)存，程序就無法保存到內(nèi)存中，因而也就無法執(zhí)行。沒有外存，輸入的程序及相應(yīng)的數(shù)據(jù)就不能長久保存。存儲器概述

目前主要采用半導(dǎo)體器件和磁性材料作為存儲器的存儲介質(zhì)。

一個雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或磁性材料的一個磁化元都可以存儲一個二進(jìn)制位，稱為一個存儲位或一個存儲元，由若干存儲元組成一個存儲單元，存儲器就是由很多個存儲單元組成的。每一個存儲單元有一個編號，稱為存儲單元的地址。一個存儲器中存儲單元的個數(shù)稱為該存儲器的存儲容量，存儲容量越大，存儲的數(shù)據(jù)就越多。

存儲器概述一個存儲元存儲一個二進(jìn)制位（bit,簡記b），一個存儲單元一般存儲8個二進(jìn)制位，稱為一個字節(jié)（Byte，簡記B），存儲器的存儲容量用字節(jié)數(shù)來表示。

常用的存儲容量的度量單位有千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB）、拍字節(jié)（PB）、艾字節(jié)（EB）、澤字節(jié)（ZB）等。

其中，1ZB=1024EB，1EB=1024PB，1PB=1024TB，1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B，1B=8b。內(nèi)存最早的內(nèi)存是以磁芯的形式排列在線路上，每個磁芯與晶體管組成一個雙穩(wěn)態(tài)電路，用于存儲一個二進(jìn)制位，一位的存儲器體積有玉米粒大小，其整體存儲容量因體積影響受到很大限制。隨著集成電路的出現(xiàn)和集成度的不斷提高，出現(xiàn)了能夠焊接在主板上的集成電路形態(tài)的內(nèi)存芯片，大幅度提高了存儲容量。隨著CPU的發(fā)展和升級，對內(nèi)存的性能提出了更高的要求，出現(xiàn)了內(nèi)存條——將內(nèi)存芯片焊接到事先設(shè)計好的印制電路板上，在計算機(jī)主板上留有相應(yīng)的內(nèi)存插槽，可以方便地插拔和更換內(nèi)存條，為靈活配置和擴(kuò)充內(nèi)存容量帶來了方便。內(nèi)存隨機(jī)存取存儲器（RAM）隨機(jī)存取指可以根據(jù)地址直接存取任一單元中的數(shù)據(jù)，其存取速度比順序存取要快得多。RAM可分為靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM），RAM內(nèi)存主要選用DRAM。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SDRAM），并在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了單倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（SDR-SDRAM，簡稱SDR）、雙倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（DDR-SDRAM，簡稱DDR）、4倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（QDR-SDRAM，簡稱QDR）。內(nèi)存隨機(jī)存取存儲器（RAM）現(xiàn)在用得比較多的隨機(jī)存取存儲器是DDR內(nèi)存，DDR內(nèi)存經(jīng)歷了DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5的發(fā)展，存儲容量越來越大，存取速度越來越快。目前的RAM一般以內(nèi)存條的形式存在。在通電的情況下，RAM中的數(shù)據(jù)能夠保持，關(guān)機(jī)或斷電將導(dǎo)致RAM中的數(shù)據(jù)丟失。內(nèi)存只讀存儲器（ROM）ROM中的數(shù)據(jù)一般是在計算機(jī)出廠前由制造商寫入的，在斷電或關(guān)機(jī)后數(shù)據(jù)也不會丟失。主要用于存放與計算機(jī)開機(jī)相關(guān)的系統(tǒng)引導(dǎo)程序、開機(jī)自檢程序和系統(tǒng)參數(shù)等。隨著技術(shù)的進(jìn)步及為了滿足現(xiàn)實的需要，陸續(xù)出現(xiàn)了多種可由用戶寫入數(shù)據(jù)的ROM：只允許寫入數(shù)據(jù)一次的PROM、可多次寫入的EPROM/EEPROM和快閃存儲器（閃存）。閃存不僅集成度高、功耗低、體積小，而且擦寫方便，因而很快發(fā)展起來，得到廣泛應(yīng)用的U盤就是一種基于閃存技術(shù)的存儲設(shè)備。內(nèi)存高速緩存（cache）為了解決內(nèi)存與CPU工作速度上的矛盾，設(shè)計人員在CPU和內(nèi)存之間增設(shè)了一級存儲容量不大、但存取速度很快的高速緩沖存儲器，簡稱高速緩存或緩存。緩存中存放部分正在運(yùn)行的指令和數(shù)據(jù)，當(dāng)CPU需要讀取新的指令和數(shù)據(jù)時，首先從緩存中查找，找到則直接執(zhí)行；如果所需指令和數(shù)據(jù)不在緩存中，再到內(nèi)存中讀取，并同時寫入緩存中。因此采用緩存可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。緩存由存取速度快、成本高的靜態(tài)存儲器（SRAM）構(gòu)成，緩存的容量早期在KB級，現(xiàn)在達(dá)到了MB級。內(nèi)存高速緩存（cache）早期的緩存只有一級，分指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，集成在CPU內(nèi)部，后來出現(xiàn)了二級緩存和三級緩存，二級和三級緩存一般不再分指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，有集成在CPU內(nèi)部的，也有集成在主板上的。外存軟盤軟盤是軟磁盤的簡稱，現(xiàn)在已經(jīng)不用了，但通過對軟盤的介紹可以更好的理解機(jī)械硬盤的存儲結(jié)構(gòu)。1967年，IBM公司推出世界上第一張軟盤，直徑為32英寸。之后陸續(xù)推出了直徑為8英寸、5英寸、3英寸的軟盤。5英寸和3英寸軟盤在20世紀(jì)80~90年代曾得到廣泛應(yīng)用。軟盤的圓形盤片由塑料等軟質(zhì)材料做成，其表面涂覆一層用于存儲信息的磁性材料，盤片被封裝在方形保護(hù)套內(nèi)。外存軟盤軟盤存儲的數(shù)據(jù)是按一系列同心圓記錄在圓形盤片表面的，每一個同心圓稱為一個磁道。磁道從外向內(nèi)依次編號為0道、1道、2道、……，每個磁道又劃分為若干弧段，稱為扇區(qū)，扇區(qū)是軟盤的基本存儲單位，每個扇區(qū)的存儲容量為512B，扇區(qū)按1、2、3、…的順序編號。軟盤的存儲容量=盤面數(shù)×每面磁道數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的3英寸軟盤，兩面都能存儲信息，每面有80個磁道，每個磁道分為18個扇區(qū)，因此其存儲容量為：2×80×18×512=1.44MB計算機(jī)通過軟盤驅(qū)動器讀寫軟盤上的數(shù)據(jù)。外存硬盤（機(jī)械硬盤）硬盤是硬磁盤的簡稱，最早出現(xiàn)在1956年，由IBM公司研制成功，存儲容量只有5MB。1973年IBM公司研制出第一塊溫徹斯特硬盤，存儲容量達(dá)到60MB，其主要特點是具有密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸。1991年IBM公司生產(chǎn)的使用了巨磁阻效應(yīng)磁頭的3英寸硬盤的存儲容量首次達(dá)到了1GB。2000年，IBM公司使用玻璃取代傳統(tǒng)的鋁作為盤片材料，這為硬盤帶來更大的平滑性及更高的堅固性，玻璃材料在高轉(zhuǎn)速時具有更高的穩(wěn)定性，硬盤的存儲容量達(dá)到75GB。在硬盤的發(fā)展過程中，體積越來越小、容量越來越大，并出現(xiàn)了移動硬盤。目前一塊硬盤的存儲容量已達(dá)到TB級。外存硬盤（機(jī)械硬盤）一塊硬盤中可包含多張硬盤片，而且硬盤片與硬盤驅(qū)動器是封裝在一起的，所以日常所說的硬盤既包括硬盤片，也包括硬盤驅(qū)動器。硬盤的存儲容量=磁頭數(shù)×柱面數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)磁頭磁頭臂磁盤主軸與主軸電動機(jī)磁頭臂軸與電動機(jī)外存固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤是使用固態(tài)電子存儲芯片制成的硬盤，目前常用的固態(tài)硬盤采用快閃存儲器（閃存）作為存儲介質(zhì)。其內(nèi)部主體是一塊印制電路板（PCB），PCB上最主要的部件是控制芯片、緩存芯片和閃存芯片陣列?？刂菩酒闹饕饔檬呛侠碚{(diào)配數(shù)據(jù)在各個閃存芯片上的存儲及對外接口，緩存芯片輔助控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，閃存芯片陣列用于存儲數(shù)據(jù)。相對于機(jī)械硬盤，固態(tài)硬盤的優(yōu)點是讀寫速度快、防震動抗摔碰性能好、無噪聲、更輕便，缺點是價格比較高、擦寫次數(shù)有限制、損壞后數(shù)據(jù)難以恢復(fù)。外存固態(tài)硬盤目前常用的固態(tài)硬盤主要有SATA接口硬盤和M.2接口硬盤。SATA接口的固態(tài)硬盤與機(jī)械硬盤在外形與大小上一致，但比機(jī)械硬盤的存取速度快。M.2接口的固態(tài)硬盤比SATA接口的固態(tài)硬盤體積小、速度更快，更適合用于筆記本等移動設(shè)備中。外存光盤光盤中的數(shù)據(jù)是存儲在其螺旋形的光道上，通過激光照射讀寫數(shù)據(jù)。CD光盤：包括只讀光盤（CD-ROM）、一次寫入型光盤（CD-R）、可重復(fù)寫光盤（CD-RW）等，常用CD的存儲容量有650MB和700MB兩種，用戶存放音樂。VCD光盤：可存儲約70分鐘基于MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的影視節(jié)目。VCD的存儲容量與CD相同。外存光盤DVD光盤：具有更大的存儲容量和更好的存儲質(zhì)量。每張DVD光盤的存儲容量可以達(dá)到4.7GB、8.5GB、9.4GB和17GB。DVD有6種格式DVD-ROM用于存儲數(shù)據(jù)，只讀型光盤。DVD-R可由用戶寫入一次數(shù)據(jù)。DVD-RW采用順序存取方式并可以重寫1000次。DVD-RAM能隨機(jī)存取并可以重寫100000次。DVD-Video用于存儲和播放電影和其他可視娛樂節(jié)目。DVD-Audio用于存儲音頻數(shù)據(jù)并且比標(biāo)準(zhǔn)CD具有更好的音質(zhì)。外存U盤U盤是USB盤的簡稱，通過USB接口與計算機(jī)相連。USB是通用串行總線（UniversalSerialBus）的英文縮寫，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范個人計算機(jī)與外部設(shè)備的連接和通信，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到3.0版本，成為目前個人計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。USB接口具有傳輸速度快（USB3.0達(dá)到5.0Gbps）、使用方便、支持熱插拔和連接靈活等優(yōu)點，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、掃描儀、移動硬盤、U盤、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像頭、USB網(wǎng)卡等幾乎所有的外部設(shè)備。U盤是一種基于閃存技術(shù)的移動存儲設(shè)備，閃存用快可擦可編程只讀存儲器芯片（EPROM芯片）來存儲數(shù)據(jù)。外存U盤U盤具有體積小、存儲容量大和價格低等優(yōu)點，是目前人們最常用的移動存儲設(shè)備，存儲容量從早期的幾十MB到幾百M(fèi)B，發(fā)展到目前的幾十GB。U盤的存儲介質(zhì)是基于集成電路的閃存芯片，隨著集成度的不斷提高，U盤的體積越來越小、存儲容量越來越大、成本越來越低。下圖所示為一款普通U盤和一款帶寫保護(hù)口的U盤。輸入設(shè)備鍵盤；鼠標(biāo)；觸摸屏；掃描儀；3D掃描儀/04輸入設(shè)備鍵盤鍵盤是最常用的輸入設(shè)備。通過鍵盤，可以向計算機(jī)輸入字母、漢字、數(shù)字和標(biāo)點符號等數(shù)據(jù)，也可以輸入命令控制計算機(jī)的運(yùn)行。隨著圖形界面操作系統(tǒng)成為主流，101鍵和104鍵鍵盤得到廣泛應(yīng)用。在104鍵鍵盤之后出現(xiàn)的是新興多媒體鍵盤，在傳統(tǒng)的鍵盤基礎(chǔ)上增加了一些常用快捷鍵或音量調(diào)節(jié)裝置，對于收發(fā)電子郵件、打開瀏覽器和啟動多媒體播放器等都只需要按一個特殊按鍵即可，進(jìn)一步簡化了操作。輸入設(shè)備鼠標(biāo)隨著圖形界面操作系統(tǒng)成為主流操作系統(tǒng)，鼠標(biāo)也成為微型機(jī)的標(biāo)配輸入設(shè)備，鼠標(biāo)的使用給人們操作各種圖形界面軟件帶來了極大的方便。美國著名計算機(jī)科學(xué)家道格拉斯·恩格爾巴特因發(fā)明鼠標(biāo)，獲得1992年度的IEEE-CS計算機(jī)先驅(qū)獎和1997年度的圖靈獎。鼠標(biāo)類型主要有機(jī)械鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)。光電鼠標(biāo)的內(nèi)部有紅外或激光發(fā)射、接收裝置，它利用光的反射來確定鼠標(biāo)的移動，是目前常用的一種鼠標(biāo)。目前USB接口有線鼠標(biāo)和2.4G無線鼠標(biāo)較為常見。輸入設(shè)備觸摸屏觸摸屏是一種用手指或筆觸及屏幕上所顯示的選項來完成指定操作的人機(jī)交互式輸入設(shè)備。觸摸屏由三個部分組成，一是傳感器，把手指或筆觸及的位置檢測出來；二是控制卡，觸及信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成位置數(shù)據(jù)，經(jīng)接口送入計算機(jī)；三是驅(qū)動程序，即相應(yīng)的管理軟件。觸摸屏是平板電腦的主要輸入設(shè)備，觸摸屏還廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦、智慧教室顯示屏、自動售票等設(shè)備上，極大地方便了用戶操作。輸入設(shè)備掃描儀掃描儀是一種將圖像信息輸入計算機(jī)的輸入設(shè)備，它將圖像分割成條或塊，逐條或逐塊依次掃描，利用光電轉(zhuǎn)換元件把模擬信號（紙上圖像）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（數(shù)字圖像）并輸入計算機(jī)。利用掃描儀可以輸入圖片，也可以輸入文字。現(xiàn)在除了獨(dú)立的掃描儀外，很多激光打印機(jī)也附帶有掃描儀功能。輸入設(shè)備3D掃描儀3D掃描儀也稱三維掃描儀，是一種采集三維物體的形狀與外觀數(shù)據(jù)并輸入計算機(jī)的設(shè)備。3D掃描儀通過掃描的方式采集目標(biāo)物體的幾何形狀與外觀數(shù)據(jù)，外觀數(shù)據(jù)包括物體表面的顏色、光照亮度等，并把采集到的數(shù)據(jù)用于進(jìn)行三維重建計算，在計算機(jī)中建立起目標(biāo)物體的三維數(shù)字模型。3D掃描、三維數(shù)字模型重建、3D打印已逐步廣泛應(yīng)用于虛擬博物館、電影制作、游戲創(chuàng)作、工業(yè)設(shè)計、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域。輸出設(shè)備顯示器；打印機(jī)；3D打印機(jī)；繪圖儀/05輸出設(shè)備顯示器顯示器用來顯示字符與圖形圖像信息，是計算機(jī)必配的輸出設(shè)備。常用的顯示器有CRT顯示器和液晶顯示器，早期臺式計算機(jī)主要配置CRT顯示器，目前液晶顯示器已經(jīng)取代了CRT顯示器。液晶顯示器（LCD）是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，通過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LCD顯示器具有體積小、重量輕、省電、無閃爍和不產(chǎn)生輻射等優(yōu)點。輸出設(shè)備顯示器顯示器要通過顯示適配器（顯卡）才能與CPU相連，顯卡連接CPU與顯示器的接口電路，插接在主板的擴(kuò)展槽上。顯卡的主要作用是把CPU向顯示器發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為顯示器所需的模擬信號。顯卡分集成顯卡和獨(dú)立顯卡，獨(dú)立顯卡具有比集成顯卡更強(qiáng)大、快速的圖形圖像處理能力及并行計算能力，而且易于更新升級。顯卡主要由顯示芯片、顯示內(nèi)存、RAMDAC芯片和總線接口組成。輸出設(shè)備顯示器顯示芯片是顯卡的核心部件，其主要功能是對要顯示的圖形、圖像、視頻信息進(jìn)行計算處理和渲染。顯示內(nèi)存用來存放顯示芯片處理后的數(shù)據(jù)，其容量和存取速度影響著顯卡的整體性能，對顯示器的分辨率及色彩的位數(shù)也有影響。RAMDAC芯片將顯示內(nèi)存中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能在顯示器上顯示的模擬信號，其轉(zhuǎn)換速度影響著顯卡的刷新頻率和最大分辨率?？偩€接口是顯卡與主板總線的通信接口，實現(xiàn)顯示器與CPU的連接與通信，近幾年使用較多的是PCI-E接口。輸出設(shè)備顯示器早期顯卡的作用比較簡單，主要功能是把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為能夠在顯示器上顯示的模擬信號。隨著3D圖形圖像成為重要的顯示內(nèi)容，能夠高效處理3D圖形圖像的圖形處理器(GPU)成為顯示芯片的主流選擇。GPU的使用使圖形圖像處理減少了對CPU的依賴，提高了圖形圖像處理速度和顯示效果。GPU的計算部件是專門針對圖形圖像和視頻處理等高強(qiáng)度并行浮點運(yùn)算而設(shè)計的，而人工智能模型的訓(xùn)練也需要大量的并行浮點運(yùn)算，近幾年GPU卡在人工智能模型訓(xùn)練上得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了模型的訓(xùn)練速度。輸出設(shè)備打印機(jī)打印機(jī)也是一種常用的輸出設(shè)備，用于將計算機(jī)處理結(jié)果打印在紙上。利用打印機(jī)不僅可以打印數(shù)字、文字，也可以打印圖形和圖像。目前常用的打印機(jī)有針式打印機(jī)、激光打印機(jī)和噴墨打印機(jī)。針式打印機(jī)的打印頭上有若干根精密的打印針，打印時相應(yīng)的打印針撞擊色帶（在打印紙上留下細(xì)小的色點痕跡）來完成打印工作，常用的是24針打印機(jī)?，F(xiàn)在在銀行、賓館、藥店等需要多聯(lián)票據(jù)打印的地方還在使用。輸出設(shè)備打印機(jī)噴墨打印機(jī)的打印頭上有許多小噴嘴，使用液體墨水，精細(xì)的小噴嘴將墨水噴到紙面上形成字符或圖像等要打印的內(nèi)容。激光打印機(jī)采用激光和電子放電技術(shù)，通過靜電潛像，再用碳粉使?jié)撓褡兂煞巯?，加熱后碳粉固定，最后印出?nèi)容。選擇購買打印機(jī)可以從打印分辨率、打印速度、打印紙最大尺寸和價格等方面綜合考慮。輸出設(shè)備3D打印機(jī)3D打印其實是一種快速成形技術(shù)，以3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料、金屬等可黏合材料，通過逐層打印粘合材料的方式來構(gòu)造物體?；?D打印技術(shù)，完成3D打印工作的設(shè)備稱為3D打印機(jī)。3D打印機(jī)的打印方式：一是在成形的區(qū)域噴灑一層液態(tài)黏合劑，然后再噴灑一層均勻的原料粉末，粉末遇到黏合劑會迅速固化粘結(jié)，這樣在一層液態(tài)黏合劑一層粉末的交替下，實物被逐漸打印成形。二是使用激光燒結(jié)技術(shù)，按形狀先噴灑一層粉末，然后通過激光高溫?zé)Y(jié)后，再噴灑一層粉末，再通過激光高溫?zé)Y(jié)，層層累加，打印出實物。三是使用熔積成型技術(shù)，在噴頭內(nèi)熔化原料并逐層擠出，原料擠出后凝固成型。輸出設(shè)備3D打印機(jī)最早的3D打印機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代。從長遠(yuǎn)來看，3D打印將會沖擊基于車床、鉆頭、沖壓機(jī)、制模機(jī)等工具的傳統(tǒng)制造業(yè);但從目前看，由于受到打印材料、打印成本和打印速度等因素的制約，主要還是用于產(chǎn)品模型、設(shè)計樣品等的打印，還難以規(guī)?；蛴嵱卯a(chǎn)品。3D打印機(jī)可以和3D掃描儀配合使用，對于一個實物，先用3D掃描儀掃描生成三維數(shù)字模型，然后用3D打印機(jī)打印出來。輸出設(shè)備繪圖儀繪圖儀是一種能在紙張、薄膜和膠片等記錄介質(zhì)上繪出計算機(jī)生成的各種圖形或圖像的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)和工作原理繪圖儀可以分為滾筒式和平臺式兩大類。繪圖儀除了必要的硬件設(shè)備之外，還必須配備豐富的繪圖軟件。只有軟件與硬件結(jié)合起來，才能實現(xiàn)自動繪圖。主板芯片；擴(kuò)展槽；對外接口/06主板概述主板（mainboard）是微型機(jī)最基本的也是最重要的部件之一，是其他部件組裝和工作的基礎(chǔ)。

主板的主要功能有兩個：一是提供插接CPU、內(nèi)存條和各種功能卡的插槽，部分主板甚至將一些功能卡（如顯卡和聲卡等）集成在主板上；二是為各種常用外部設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、掃描儀、硬盤和U盤等提供與CPU連接的通用接口。主板的性能影響著整個微型機(jī)系統(tǒng)的性能。主板由芯片、擴(kuò)展槽和對外接口三個主要部分組成。主板概述主板圖CPU插座PCIEX16插槽

（用于獨(dú)立顯卡）PCIEX1插槽CPU供電插座內(nèi)存插槽主板供電插座M.2硬盤插口

（位于散熱片下）SATA硬盤接口CPU散熱風(fēng)扇供電插座芯片部分芯片組芯片組是主板的核心，由北橋芯片和南橋芯片組成。北橋芯片主要負(fù)責(zé)CPU與內(nèi)存、顯卡等高速部件之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著設(shè)計的不斷改進(jìn)和集成電路集成度的不斷提高，北橋芯片的功能逐步被移入CPU內(nèi)部，目前有的主板已經(jīng)沒有北橋芯片了。南橋芯片主要負(fù)責(zé)CPU與硬盤、U盤、集成網(wǎng)卡等低速設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。芯片組中的芯片焊接在主板上，不像CPU和內(nèi)存條等通過插槽可進(jìn)行簡單的升級替換。芯片部分RAID控制芯片：支持多個硬盤組成各種RAID（獨(dú)立冗余磁盤陣列）模式，把多臺小容量的硬盤組合成一臺大容量的硬盤，具有數(shù)據(jù)保護(hù)和提高數(shù)據(jù)傳輸速度的功能。BIOS芯片：其中保存著計算機(jī)系統(tǒng)中的基本輸入輸出程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、自檢程序和系統(tǒng)啟動自舉程序等?，F(xiàn)在主板的BIOS還具有電源管理、CPU參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)監(jiān)控和計算機(jī)病毒防護(hù)等功能。CMOS芯片：用來存放BIOS中一些可由用戶設(shè)定和修改的參數(shù)，如計算機(jī)是從硬盤啟動還是從光盤啟動、芯片組工作特性、能源管理參數(shù)、管理員密碼等。開機(jī)時，CMOS由系統(tǒng)電源供電，關(guān)機(jī)時靠主板上的電池供電。擴(kuò)展槽部分CPU插座CPU芯片通過CPU插座連接到主板上，不同類型的CPU需要有與之對應(yīng)的CPU插座。目前常見CPU的接口是針腳式或觸點式接口。內(nèi)存插槽通過該插槽可以更換或增加內(nèi)存條，以擴(kuò)充內(nèi)存容量，但要注意內(nèi)存條與插槽的匹配以及新內(nèi)存條與原有內(nèi)存條的匹配。總線擴(kuò)展槽通過總線擴(kuò)展插槽可以插接多種標(biāo)準(zhǔn)板卡，如顯卡、視頻采集卡、聲卡和網(wǎng)卡等。目前的主板上主要有PCI擴(kuò)展槽和PCI-E擴(kuò)展槽，插接進(jìn)擴(kuò)展槽的板卡實現(xiàn)了與CPU的連接，成為計算機(jī)系統(tǒng)的組成部分。對外接口部分接口主要用于外設(shè)和主機(jī)的連接，主機(jī)和外設(shè)是不能直接通過總線連接的，因為外設(shè)都是些機(jī)電、磁性或光學(xué)設(shè)備等，而構(gòu)成主機(jī)的CPU和內(nèi)存是電子設(shè)備（數(shù)字電路）。與CPU和內(nèi)存相比，外設(shè)的工作速度要慢得多、處理的信號格式也可能不同，因此需要有某種機(jī)制來緩解這種差異，外設(shè)是通過一種被稱為接口的部件連接到總線的。接口一般由兩部分組成：硬件電路和相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。例如，要把一臺打印機(jī)連接到計算機(jī)上打印文檔，一是要把打印機(jī)的數(shù)據(jù)線插接到計算機(jī)的相應(yīng)接口（可以是USB接口），二是運(yùn)行與打印機(jī)品牌、型號對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，之后打印機(jī)才能正常工作。對外接口部分主要接口SATA接口：用于插接機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤。音頻接口：分為SPEAKER、MIC、LINEIN/OUT等不同類型，分別用于連接音箱/耳機(jī)、麥克風(fēng)、線路輸入輸出設(shè)備，進(jìn)行聲音的播放與錄制。USB接口：USB接口具有傳輸速度快、使用方便、支持熱插拔和連接靈活等優(yōu)點，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、掃描儀、U盤、手機(jī)等幾乎所有的外部設(shè)備。是目前使用最多的一種接口。M.2接口：是一種新型接口，可以兼容SATA、PCI-E、USB等多種協(xié)議，目前常見的接入設(shè)備是固態(tài)硬盤和無線網(wǎng)卡?？偩€數(shù)據(jù)總線；地址總線；控制總線/07總線所謂總線，是指將數(shù)據(jù)從一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線，是計算機(jī)中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，使用統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，不同設(shè)備間的互連更容易實現(xiàn)?？偩€一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線之分：內(nèi)部總線指芯片內(nèi)部連接各元件的總線，如CPU芯片內(nèi)部連接運(yùn)算器和控制器的總線。系統(tǒng)總線指連接CPU、內(nèi)存和各種輸入輸出接口的總線。外部總線則是指外設(shè)接口和外部設(shè)備之間的連接總線?？偩€系統(tǒng)總線就是主板上的板級總線數(shù)據(jù)總線：用于CPU與內(nèi)存、CPU與外設(shè)接口之間傳輸數(shù)據(jù)。目前，微型計算機(jī)中常用的數(shù)據(jù)總線有PCI總線和PCI-E總線。地址總線：從內(nèi)存單元或外設(shè)端口中寫數(shù)據(jù)，首先要知道內(nèi)存單元或外設(shè)端口的地址，地址總線就是用來傳送這些地址信息的?？刂瓶偩€：用于傳輸控制信息，進(jìn)而控制對內(nèi)存和外部設(shè)備的訪問。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展CISC與RISC；流水線技術(shù)；并行處理技術(shù)/08CISC與RISCCISC

CISC是指復(fù)雜指令集計算機(jī)，CISC結(jié)構(gòu)的CPU主要用在服務(wù)器、臺式機(jī)和筆記本上。設(shè)計CPU時都要首先為其設(shè)計一組實現(xiàn)多種功能的機(jī)器語言指令，稱為指令集。指令集中指令越多，編寫機(jī)器語言程序就越容易，解決實際問題的能力就越強(qiáng)。CISC的指令集中有大量的指令，包括一些實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的指令（如求開方值的指令），每一項簡單或復(fù)雜的任務(wù)都有一條對應(yīng)的指令。在CISC結(jié)構(gòu)的計算機(jī)上編寫程序比較容易。但復(fù)雜的指令集使得CPU的電路設(shè)計也非常復(fù)雜，因為每一條指令都需要設(shè)計相應(yīng)的硬件電路。CISC與RISCRISC

RISC是指精簡指令集計算機(jī)，RISC結(jié)構(gòu)的CPU主要用于智能手機(jī)和平板電腦中。RISC體系結(jié)構(gòu)的要點就是簡化指令集，指令集中只保留最常用的那些實現(xiàn)基本操作的簡單指令，這樣就能簡化CPU的電路設(shè)計。在RISC結(jié)構(gòu)的計算機(jī)上，簡單功能直接由指令集中的指令實現(xiàn)，復(fù)雜的功能則由多條簡單指令組合成微程序?qū)崿F(xiàn)。由于RISC結(jié)構(gòu)CPU的每條指令的執(zhí)行時間相同，指令的執(zhí)行便于組織成流水線方式，CPU具有較快的處理速度，而且功耗低。流水線技術(shù)計算機(jī)執(zhí)行一條指令一般包括三個步驟：取指令、分析指令和執(zhí)行指令。在早期的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，多以串行方式執(zhí)行指令，即完成一條指令的“取指令、分析指令和執(zhí)行指令”，再進(jìn)行下一條指令的“取指令、分析指令和執(zhí)行指令”。如果每條指令的執(zhí)行需要時間T，則執(zhí)行n條指令就需要n×T的時間。由于取指令、分析指令和執(zhí)行指令分別由CPU中的不同部件（電路模塊）完成，在一條指令的執(zhí)行期間，雖然CPU作為整體沒有閑著，但其中的部件（如取指令部件）是時而工作時而空閑的，所以執(zhí)行效率并不高。流水線技術(shù)流水線技術(shù)的設(shè)計靈感來自現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)流水線，即把計算機(jī)中各個功能部件要完成的操作分解成若干個“操作步驟”來處理。一條指令分成取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個串行執(zhí)行的步驟。如果把一條指令的各個步驟與后一條指令的各個步驟安排成流水線方式，每一個部件完成當(dāng)前指令的任務(wù)后，不會等待，而是立即進(jìn)入下一條指令的處理過程。原本每條指令需要3t的時間完成從取指令到分析指令、執(zhí)行指令的過程，采用流水線后，3條指令的執(zhí)行只需要5t的時間即可完成。并行處理技術(shù)多核計算機(jī)多核計算機(jī)所用處理器為多核處理器，多核處理器指在一個CPU芯片內(nèi)包含多個內(nèi)核。計算機(jī)運(yùn)行時，CPU內(nèi)的多個內(nèi)核可同時完成計算等工作，提高了計算和其他處理工作的速度。2023年1月英特爾公司推出了第13代酷睿處理器—酷睿i9-13980HX，這款CPU擁有24個內(nèi)核，包括8個性能核和16個能效核。

并行處理技術(shù)多處理器計算機(jī)多處理器計算機(jī)指包含多個處理器的計算機(jī)系統(tǒng)，也稱為并行計算機(jī)。多處理器計算機(jī)運(yùn)行時，多個處理器可同時工作，分別承擔(dān)某項處理任務(wù)的一部分，可有效提升計算機(jī)系統(tǒng)的性能。多處理器計算機(jī)可分為并行向量計算機(jī)、大規(guī)模并行處理機(jī)、對稱式共享存儲器多處理機(jī)、分布式共享存儲多處理機(jī)等。

并行處理技術(shù)多處理器計算機(jī)—并行向量計算機(jī)向量是一種常見的數(shù)據(jù)形式，一個向量可以包含很多個元素，特別適合并行處理和流水線處理（同時處理不同分量數(shù)據(jù)）。并行向量計算機(jī)（PVP）簡稱向量機(jī)，其中的處理器設(shè)計有專門的向量表示和向量處理指令，而且一臺向量機(jī)可以包含多個向量處理器。美國Cray公司推出的多個機(jī)型、NEC公司的SX-X44、我國國防科技大學(xué)研制成功的“銀河I”“銀河II”都是向量機(jī)。1991年公布推出