1.3.4 计算机的工作原理及硬件系统组成

1.计算机基本工作原理

计算机是一个能够实现数据处理的自动化电子装置，这是因为它采用了“存储程序”的工作原理。存储程序原理是计算机自动连续工作的基础，它是美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼所领导的研究小组正式提出的，其核心是程序存储与控制。

计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。其中运算器用于实现各种算术及逻辑运算，存储器用于存储需要计算机处理的数据、命令以及结果，输入设备是输入原始数据及相关处理方法，输出设备实现数据的输出显示，控制器是所有部分中最核心的，用于实现对计算机内部工作流程的控制。计算机的基本工作原理如图1-7所示。

2.计算机硬件系统组成

计算机硬件系统的组成如图1-8所示，硬件之间通过系统总线连接为一个整体。

（1）CPU

CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的英文缩写，它是计算机的核心部件，由运算器和控制器组成。CPU 是判断计算机性能高低的首要标准，它一般安插在主板的 CPU插座上。

目前世界上最大的CPU生产厂商是美国的Intel（英特尔）公司和AMD（超微）公司，图1-9所示分别是Intel、AMD公司的CPU产品。我国也于2002年研发了“龙芯一号”CPU, 2005年正式发布“龙芯二号”CPU，其性能与Intel公司的1GHz奔腾4处理器相当。

① CPU的基本功能

CPU包含两大部件：运算器和控制器。

a.运算器（ALU）

运算器是计算机的核心部件，是计算机中直接执行各种操作的部件。运算器不断地从存储器中得到要加工的数据，对其进行算术运算和逻辑运算，并将最后的结果送回存储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不紊地进行。

b.控制器（Control Unit）

控制器是计算机的指挥控制中心，主要作用是使计算机能够自动地执行命令。控制器负责从存储器中取出指令，对指令进行分析，根据指令的要求，按时间的先后顺序向其他部件发出相应的控制信号，统一指挥整个计算机各部件协调工作。

② CPU性能指标

a.字长是指CPU一次能处理的二进制数据的位数，字长越长，CPU的运算能力超强，精度越高。

b.主频是指CPU的时钟频率，通常用来表示CPU的运行速度，单位是赫兹（Hz），工作频率越高，CPU性能越好。

c.运算速度是指每秒能执行的指令数。

（2）内存储器

内存储器又称主存储器，是具有“记忆”功能的物理部件，由一组高集成度的COMS半导体集成电路组成，用来存放数据和程序。图1-10所示为内存储器的一般外形。

内存储器按功能又分为只读存储器（Read Only Memory,ROM）和随机存储器（Random Access Memory,RAM）。

① 只读存储器

只读存储器简称 ROM,CPU 对它们只取不存，主要用于存储由计算机厂家为该机编写好的一些基本的检测、控制、引导程序和系统配置等，如系统的BIOS即为ROM存储器。只读存储器的特点是存储的信息只能读取，不能写入，断电后信息不会丢失。

② 随机存储器

随机存储器又称为读写存储器，简称RAM。RAM有两个特点，第一是既可以读出数据，也可以写入数据，它主要用于存放当前正在使用或经常要使用的程序和数据。第二是易失性，一旦断电，则它的内容立即丢失。因此，微机每次启动时都要对RAM进行重新配置。

③ 高速缓冲存储器Cache

Cache 按其功能又分为两种：CPU 内部的 Cache 和 CPU 外部的 Cache。CPU 内部的Cache称为一级Cache，它是CPU内核的一部分，负责在CPU内部的寄存器与外部的Cache之间的缓冲。

CPU外部的 Cache为二级 Cache，它是独立于 CPU的部件，主要用于弥补 CPU内部Cache容量过小，负责CPU与内存之间的缓冲。

（3）外存储器

外存储器简称外存，它是内存的延伸，主要用于存储暂时不用又需要保护的统统文件、应用程序、用户程序、文档、数据等。CPU 不直接访问外存，当 CPU 需要执行外存的某个程序或调用数据时，首先由外存将相应程序调入内存，然后才能供CPU访问，即通过内存访问外存。

与内存相比，外存的特点是存储容量大，价格较低，而且在断电的情况下也可以长期保存信息，所以又称为永久性存储器。外存主要包括软盘、硬盘、U盘和光盘等。

① 软盘

软盘是个人计算机（PC机）中最早使用的可移介质。它由软盘、软盘驱动器和软盘适配器三部分组成。软盘是活动的存储介质，存取速度慢，容量也小，但可装可卸，携带方便，现在已基本被淘汰。

② 硬盘

硬盘是微型计算机中最重要的一种外部存储器，它的存储容量大，主要用于存入系统文件、用户的应用程序和数据。硬盘是由若干磁性盘片组成的，每张磁性盘片是一种涂有磁性材料的铝合金圆盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中，通过主板上的IDE接口与系统单元连接。目前常见的品牌硬盘有希捷、西部数据、日立、东芝及三星等，硬盘产品容量可达80GB、200GB、500GB、750GB、2TB等，硬盘技术还在不断地发展，更大容量的硬盘还将会继续推出。常见硬盘如图1-11所示。

固态硬盘（Solid State Drives），简称固盘，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。固盘已经进入存储市场的主流行列，它具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，它在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也基本与普通的2.5英寸硬盘一致，被广泛应用于军事、车载、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。

③ 光盘

光盘利用光学方式读写数据，采用塑料基片的凸凹来记录信息。光盘的特点是记录密度高，存储容量大，数据保存时间长，如图1-12所示。

目前使用较多的光盘主要有3类：只读光盘、一次性写入光盘和可擦型光盘。

a.只读光盘（CD-ROM），其上的信息只能读出，不能写入，可提供680MB 存储空间。

b.一次性写入光盘（CD-R），只能写一次，写后不能修改，必须采用专用的光盘刻录机才能刻录信息。

c.可擦型光盘（CD-RW），是可反复擦写的光盘，这种光盘驱动器既可作为光盘刻录机，用来写入信息，又可作为普通光盘驱动器，用来读取信息。CD-RW 盘片就像软盘片一样，可读可写。

④ U盘

U 盘又称闪盘、优盘，是一种采用快闪存储器（Flash Memory）为存储介质，可直接在USB接口上进行读写的新一代外存储器。U盘目前被广泛使用，其特点是容量大，体积小，保存信息可靠和易于携带等。常见的U盘如图1-13所示。

⑤ 移动硬盘

移动硬盘是一种采用了计算机外设标准接口（USB 或 IEE1394）的便携式大容量存储系统。移动硬盘一般由硬盘体加上带有USB/IEE1394控制芯片及外围电路板的配套硬盘盒构成。移动硬盘具有如下特性：容量大（最大能提供几百 GB 的存储空间或更多，存取速度快，兼容性好，具有良好的抗震性能。

（4）输入/输出设备

① 输入设备

输入设备是用于将信息输入计算机的装置，常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、数码照相机和数码摄像机等。

a.键盘

键盘通过键盘电缆线与主机相连。键盘可分为打字机键区、功能键区、全屏幕编辑键区、控制键区和小键盘区这5个区，各区的作用有所不同，如图1-14所示。

b.鼠标

鼠标是计算机的输入设备，分有线和无线两种。最常用的鼠标一般有左右两个键，中间有一个滚轮，通常称为3D鼠标，如图1-15所示。

c.扫描仪

扫描仪是一种光、机、电一体化的输入设备，它是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具。目前使用最普遍的是CCD（电荷耦合元件）阵列组成的电子扫描仪，其主要技术指标有分辨率、扫描幅面、扫描速率。图1-16所示为图形扫描仪外观。

d.视频摄像头

视频摄像头又称为计算机相机，是一种视频输入设备，被广泛地运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。人们也可以彼此通过视频摄像头打网络电话，进行有影像、有声音的交谈和沟通。

e.数码照相机和数码摄像机

数码照相机和数码摄像机都可以作为计算机的输入设备。数码照相机拍摄的相片直接保存为图片文件，可以存储到计算机中进行加工处理和输出。数码摄像机可以拍摄动态视频，通过配置视频采集卡，可以输入到计算机中处理。

② 输出设备

输出设备是将计算机中的数据信息传送给用户的设备，显示器、打印机、绘图仪、音箱等都是常用的输出设备。

a.显示器

显示器通过电子屏幕显示输出计算机的处理结果及用户需要的程序、数据、图形等信息。显示器是计算机中最重要的输出设备之一，也是人机交互不可缺少的设备。

显示器按使用技术的不同，可分为阴极射线显示器CRT 显示器和液晶显示器LCD两种。LCD 显示器，具有图像显示清晰、体积小、重量轻、便于携带、能耗低和对人体辐射小等优点。图1-17所示为LCD显示器。

b.打印机

打印机是重要的输出设备，它将计算机的处理信息输出打印在纸上，可以长期保存。打印机主要有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机3种。目前市场上常见的打印机有 Canon （佳能）、联想、HP（惠普）、爱普生等品牌。图1-18所示是喷墨打印机和激光打印机。

c.绘图仪

绘图仪是能按照人们的要求自动绘制图形的设备，它可将计算机的输出信息以图形的形式输出，是各种计算机辅助设计不可缺少的工具。图1-19所示为绘图仪外观。

d.其他输出设备

音箱是多媒体计算机中一种必不可少的设备，用来输出计算机中的声音。音箱一般由放大器、分频器、箱体、扬声器等部分组成。音箱只能在有声频卡的微机中才能使用，声频卡的作用是对各种声音信息进行解码，并将解码后的结果送入音箱中播放。

调制解调器（Modem）和网络适配器（网卡）是计算机连接网络的主要部件。计算机通过调制解调器连接电话线接入因特网，根据 Modem 的形态和安装方式，大致可以分为外置式、内置式、PCMCIA 插卡式、机架式 4 种。网卡是连接计算机与外界的局域网，是局域网中连接计算机和传输介质的接口。

3.微型计算机系统

微型计算机简称微机，是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出（I/O）接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。微机的特点是体积小，灵活性大，价格便宜，使用方便，因此是目前社会各个领域广泛使用的工具。

（1）概述

微型计算机又称为个人计算机（Personal Computer,PC），它由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备5大部件组成。微型计算机的核心部件是微处理器，集成了运算器和控制器两大部分。

目前微型计算机有以下几种。

① 台式机，是一种独立相分离的计算机，主机、显示器等设备一般都是相对独立的，体积较大。台式机的性能相对较强，散热性较好，易于扩展。

② 计算机一体机，它的芯片、主板与显示器集成在一起，显示器就是一台计算机，因此只要将键盘和鼠标连接到显示器上，机器就能使用。

③ 笔记本计算机，是一种小型、可携带的个人计算机，它和台式机架构类似，但是提供了更好的便携性。

④ 掌上计算机，是一种运行在嵌入式操作系统和内嵌式应用软件之上的、小巧、轻便、易带、实用、价廉的手持式计算设备。

⑤ 平板计算机，是一款无需翻盖，没有键盘，大小不等，形状各异，却功能完整的计算机。其构成组件与笔记本计算机基本相同，利用触笔在屏幕上书写。

⑥ 嵌入式计算机，即嵌入式系统，是一种以应用为中心，以微处理器为基础，软硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。

（2）总线

总线（Bus）是连接CPU 、内存储器和外部设备（I/O 设备）的公共信息通道。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

微型计算机常用的总线有以下几种。

① ISA总线

ISA总线，是一种16位总线结构，使用范围很广，目前很多的接口卡都是根据ISA标准生产的。

② EISA总线

EISA 总线，为扩展工业标准体系结构总线，是 ISA 总线的扩展，是一种32位总线，目前这种总线用在服务器系统板上。

③ PCI总线

PCI 总线，是一种32位总线，也支持64位数据传送。这种总线具有一个管理层，用来协调数据传输，可以支持3～4个扩展槽，数据传送率较高，目前主要用在服务器和Pentium微型机系统板上。

④ PCI Express总线

PCI Express是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起 PCI 以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。

⑤ USB总线

USB总线，它是由Intel公司提出的一种新型接口标准。利用它可以将一些低速设备（如键盘、鼠标、扫描仪）连接在一起。USB总线支持多个并行操作，能为设备提供电源。

（3）主板

主板又叫主机板（MainBoard）或母板（MotherBoard），简称M/B，它安装在机箱内，是微机最基本的，也是最重要的部件之一。主板一般为矩形集成电路板，由微处理器模块、内存模块、基本（I/O）接口、中断控制器、DMA控制器及系统总线组成。主板是整个计算机内部结构的基础，无论是CPU、内存、显卡，还是鼠标、键盘、声卡、网卡都是由主板来协调工作的。因此，主板的好坏，将直接影响计算机性能的发挥。从图1-20中可以看到，主板主要包括CPU插座、内存插槽、总线扩展槽、外设接口插座、串行和并行端口等几个部分。

主板中还集成了以下直接连接外围设备的接口电路。

① 硬盘接口：硬盘接口可分为IDE接口和SATA接口。

② 软驱接口：34针连接软驱所用，多位于IDE接口旁。

③ COM 接口（串口）：目前大多数主板都提供了两个 COM 接口，分别为 COM1和COM2，作用是连接串行鼠标和外置Modem等设备。

④ PS/2接口：PS/2接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。

⑤ USB接口：通用串行总线接口（USB）是现在最为流行的接口。

⑥ LPT接口（并口）：一般用来连接打印机或扫描仪。

⑦ IEEE1394接口：是苹果公司开发的串行标准。