计算机硬件组成课件

计算机硬件组成课件（绝对经典，附图片）

(2009-10-25 00:50:07)

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1.4微型计算机的硬件组成

1、微处理器、微型计算机和微型计算机系统的概念

(1)微处理器微型

计算机的核心部分是指由一片或几片大规模集成电路组成的，具有运算器和控制器功能的中央处理器(CPU)。

(2)微型计算机

以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制成的存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的计算机，简称微型计算机。

(3)微型计算机系统

以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和辅助电路，以及指挥微型计算机工作的系统软件，就构成了微型计算机系统。

2．CPU、内存、接口和总线的概念

微型计算机包含了多种系列、档次、型号的计算机。如IBM PC等。这些计算机的共同特点是体积小，适合放在办公桌上使用，而且每个时刻只能一人使用，因此又称为个人计算机。

图l-3是IBM PC系列机的典型结构.

图1-3 PC机的典型结构

(1)主板

主

板是固定在主机箱箱l体上的一块电路板，主板上装有大量的有源电子元件。其中主要组件有：CMOS、基本输入输出系统(basic input and output system，BIOS)、高速缓冲存储器(cache)、内存插槽、CPU插槽、键盘接口、软盘驱动器接口、硬盘驱动器接口、总线扩展插槽(提供．ISA、PCI等扩展槽)、串行接口(COM1、(COM2)、并行接口(打印机接口LPT1。因此，主板是计算机各种部件相互连接的纽带和桥梁。

(2)中央处理器

中央处理器(CPU)是计算机的核心，计算机的运转是在它的指挥控制下实现的，所有的算术和逻辑运算都是由它完成的，因此，CPU是决定计算机速度、处理能力、档次的关键部件。

(3)内存储器

存储器分为内存储器和外存储器，通常简称为内存和外存。内存是计算机的主要工作存储器，一般计算机在工作时，所执行的指令及处理的数据，均从内存取出。内存的速度快，但容量有限，主要用来存放计算机正在使用的程序和数据。外存具有存储容量大、存取速度比内存低的特点，所以它用于存放备用的程序和数据等。外存中存放的程序或数据必须调入内存后，才能被计算机执行和处理。常用的外存有磁盘机、磁带机、光盘机等。

计算机中的信息用二进制表示。计算机的存储器由千千万万个小单元组成，每个单元存放一位二进制数(0或1)。存储单位使用下列术语：

· 位(bit)是二进制数的最小单位，通常用“b”表示。

· 字节(byte)以8位二进制数组成1个字节，通常用“B”表示。

· 字(word)由若干个字节组成。它也是表示有储容量的一个单位，通常我们把计算机一次所能处理的数据的最大位数称为该机器的字长，显然字长越长，一次所处理的信息越多，计算精度越高。因此，“字长”是计算机功能的一个重要标志。

· 存储容量计算机内外存储器的容量是用字节(B)来计算和表示的，除B 外，还常用KB、MB、GB作为存储容量的单位。其换算关系如下：

B(字节) lB=8b

KB(干字节) 1KB=1024KB

MB(兆字节) lMB=1024KB

GB(吉字节) 1GB=1024MB

①内存

内存是计算机用于直接存取程序和数据的地方，因此计算机在执行程序前必须将这些程序装入内存中。从存储器取出信息称为读出；将信息存入存储器称为写入。存储器读出信息后，原内容保持不变；向存储器写入信息，则原内容被新内容所代替。由于内存是由半导体器件构成的，没有机械装置，所以内存的速度远远高于外存。内存又分如下两种：

· 只读存储器ROM(read only memory)

只能读而不能写入信息，它一般用来存储固定的系统软件和字库等内容，只能被调用，而不能被重写或修改，也不会因断电而消失。

· 随机存取存储器RAM(random access memory)

可以进行任意的读或写操作，它主要用来存放操作系统、各种应用软件、输入数据、输出数据、中间计算结果以及与外存交换的信息等。由于RAM用半导体器件组成，一旦断电，信息就会丢失，所以不能永久保留。

内存容量是反映计算机性能的一个很重要的指标，目前常用64MB、128MB、256MlB等，可高达4GB。

②外存

外部存储器包括软盘、硬盘、光盘和磁带等。外存的信息存储量大，但由于存在机械运动问题，所以存取速度要比内存慢得多。由于外存具有很大的存储容量，因此它可以存放大量信息。它不但存有机器开机后立即要调入的操作系统，而且还存有用户的应用软件、数据等。

由于外存大都由非电子线路来实现(例磁介质、光介质)所以外存上的信息从原理上讲可以长期保留。外存中存放的程序或数据必须调入内存后，才能被执行和处理。

· 软盘

目前常用的软盘有：3寸盘(3．5英寸)，低密度720KB，高密度1．44MB。超高密度软盘，从200MB到800MB，由于需要专门的软驱，而且盘片价格较高，因而使用不多。

软盘通过磁盘驱动器(简称软驱)来读写信息。目前微机多使用3．5英寸，1．44MB软盘。

· 硬盘

硬盘的存储容量很大，它是使用温彻斯特技术制成的驱动器，将硅钢盘片连同读写头等一起封装在真空密闭的盒子内，故无空气阻力、灰尘影响。其数据存储密度大、速度决。使用时应防止振动，所以计算机通电工作时，不能搬动，也不能摇晃和撞击。新的硬盘工作前需要格式化，但使用中的硬盘不能随便格式化，否则将丢失全部数据。随着计算机的飞速发展，硬盘也由低存储容量10MB发展到40GB，或更大。

· 光盘

光盘的读写原理与磁介质存储器完全不同，它是根据激光原理设计的一套光学读写设备。自20世纪80年代初从音响领域进入计算机领域后，在技术和应用上日趋成熟。目前，大部分．PC机已配置了CD—ROM(只读光盘)驱动器。CD．ROM 的标准容量为680MB，双速驱动器的速度为30KB/s。

VCD(video CD)是用来存放采用MPEG标准编码的全动态图像及其相应声音的数据光盘，它可以在一张普通的光盘上记录70分钟的全屏幕活动音、视频数据及相关的处理程序。它体积小，价格便宜，且有很好的音频、视频质量和很好的兼容性，在普通的CD—ROM驱动器上就能播放，所以为广大家用电脑爱好者所欢迎。

1.4.1微型计算机系统总线

微型计算机系统总线

微型计算机总线可以分为芯片总线(局部总线)、系统总线(又称板总线)、外总线(又称通信总线)。微处理器内部的总线，即局部总线。系统总线是用来连接各种插件板，以扩展系统功能的总线。在大多数微机中，显示适配器、声卡、网卡等都是以插件板的形式插入系统总线扩展槽的。外总线是用来连接外部设备的总线，如SCSI、IDE、USB等。

①IBM PC总线

IBM PC总线是在IBM PC/XT个人计算机上使用的总线，它是针对Intel 8088CPU设计的，有62条信号线，以适应8088的8位数据线和20条地址线的要求。这种总线是用户在IBM PC/XT机器的主板上扩展I/O板的I/O总线。

在IBM PC/XT微型计算机中有8个62线的扩展槽，这8个扩展槽是扩充系统的通道，扩展槽上可以插入不同功能的插件板，如内存扩展板、显示适配器、磁盘控制器、打印适配器、串行口适配器、网络适配器等。

②ISA总线

ISA(industry standard architecture)又称为工业标准体系结构，是在以80286为CPU的IBM PC/AT中使用的总线，因此又称为AT总线。ISA总线具有16位的数据宽度，工作频率为8MHz，最高数据传输速率8MB/s。ISA总线虽然性能并不是很高，但由于得到计算机厂商及大量的板卡生产厂商的支持以及兼容性需求，直到现在的高档微机中，仍然保留少量的ISA插槽。

③EISA总线

Intel 80486CPU推出以后，为了充分发挥486CPU的速度优势，迫切需要一种速度更快的总线。IBM公司研制的微总线(MCA)是当时速度最快、数据宽度为32位的总线，但它与ISA总线不兼容，加上IBM公司对微总线技术的封锁，迫使以Compaq公司为代表的9家公司联合，推出了一个新的总线标准

——EISA(extended industrial standard architecture)总线，即扩展工业标准体系结构。

EISA总线也是一种32位总线，但它与ISA总线兼容，即ISA卡可以直接插入EISA插槽。由于EISA的开放式体系结构，在微机中获得了广泛应用，并造就了一大批兼容机厂商和板卡生产厂家。EISA总线具有较高的输入输出能力，其数据总线宽度为32位，数据传输速率为33MB/s。EISA卡的安装较容易，具有自动配置功能，不需要DIP开关。它支持多个总线控制部件，增加了DMA(direct memory access)功能，增加了“瘁发”方式传送，支持多CPU。因此，EISA总线广泛用于微机服务器中。

④PCI总线

PCI(peripheral component interconnect)总线是一种高性能的局部总线，构成了CPU与外围设备之间的高速通道。它支持多个外围设备，与CPU时钟无关，并用严格的规定来保证高度的可靠性和兼容性，其主要特点是：

· 高性能PCI总线的频率为33MHz，与CPU的时钟频率无关。总线宽度为32位，可扩展到64位，传输速率可达132~264MB/s。

· 兼容性好PCI总线与ISA、EISA及MCA总线兼容，同时还兼容另一种局部总线VL。

· 高效益PCI总线的设计目的之一就是降低系统的总体成本，使用户得到实惠。在PCI的设计中，将大量系统功能，如存储器、高速缓冲器及其控制器高度集成在PCI芯片内，以节省各部件互连所需的逻辑电路，减小线路板尺寸，降低成本。

· 与处理器CPU无关PCI总线使用一种独特的中间缓冲器，把处理器子系统与外部设备分开，从而使PCI总线本身与处理器无关。这种与处理器无关的特性，使它具有无与伦比的兼容性，给计算机厂商和用户都带来实惠。

· 预留发展空间从一开始，PCI总线就是作为一种长期的总线标准来制定的，例如将3.3V的工作电压引入到规范中，以适应绿色计算机的节能要求；一开始只是32位的总线，但允许扩展到64位。

· 自动配置PCI部件设有配置存储器，计算机启动时，系统BIOS会自动为每个PCI设备分配需要的资源，并写入配置寄存器中。当有新的PCI设备加入系统时，系统会选择空闲的资源，并分配给新加入的PCI设备。

目前的个人计算机中，基本上都使用PCI总线，并保持一定数量的，ISA总线插槽。

1.4.2常用外部设备的性能指标

(1)键盘

键盘是用户用来键入命令、程序、数据的主要输入设备。常用的标准键盘按键的个数有10l键、103键和105键等。按字键开关类型分为：机械式、薄膜式、电容式和导电橡皮4种。微机上配置的键盘多数是电容式键盘或薄膜式键盘。

(2)鼠标

鼠标是快速输入设备，可以取代传统键盘的光标移动键，对于现代的图形用户界面软件(例如Windows 98、Windows 2000)更是不可缺少，能方便、准确、快速地操作。一般鼠标有左、右两个键，一些鼠标有左、中、右三键，大部分操作使用左键，根据不同软件要求有时使用右键、中键。目前使用的鼠标有机械式和光电式两种。机械式灵敏度较低，但价格便宜；光电式灵敏度高，价格也贵。

(3)扫描仪

扫描仪是一种用来输入图片资料的输入装置，有彩色和黑白两种，一般是作为一个独立的装置与计算机连接。目前市场供应的扫描仪，面积为A4纸张大小，分辨率可达28 800dpi(点/英寸)。

(4)显示器

显示器是用户用来显示键入的命令、程序、数据以及计算机运算的结果或系统给出的提示信息等的输出设备。显示器按显示颜色分彩色显示器和单色显示器

两种，目前大部分计算机都采用彩色显示器。在微型机中，台式机大都使用采用阴极射线显示器件(CRT)的显示器；便携式微型机和笔记本式微型机则使用

LCD(liquid crystal display)液晶显示器。显示器上的字符和图形是由一个个像素(pixel)组成的。显示器屏幕上可控制的最小光点称为像素，x方向和Y方向总的像素点数称为分辨率。显示器的分辨率一般用整个屏幕上光栅的列数与行数的乘积来表示。这个乘积越大，分辨率就越高，图像越清晰。现在常用的分辨率是640x480、800x600、1024x768、1280x1024等。

对应不同分辨率的显示器，有相应的控制电路，称为适配器或显示卡。显示器必须配置正确的适配器(俗称显示卡)才能构成完整的显示系统。适配器较早的标准有：CGA(color graphics adapter)标准(320 x 200，彩色)、EGA(enhanced graphics adapter)标准(640x350，彩色)和VGA(video graphics array)标准。VGA适用于高分辨率的彩色显示器，其图形分辨率在640x480以上，能显示256种颜色。其显示图形的效果相当理想。在VGA之后，又不断出现SVGA、TVGA卡等，分辨率提高到800x600、1024×768，而且有些具有16.7兆种彩色，称为“真彩色”。

显示器的RAM容量也是一个不可忽视的指标，目前常用l～8MB。如果希望显示器具有较强的图形输出功能，必须选用较大的容量。

(5)打印机

打印机是计算机重要的输出设备，由一根打印电缆与计算机上的并行口相连接。打印机能将结果印刷到纸上，从而永久保存。

按打印方式分类，打印机可分为击打式和非击打式两类。击打式打印机利用机械冲击力，通过打击色带在纸上印上字符或图形。非击打式打印机则用电、磁、光、热、喷墨等物理、化学方法来印刷字符和图形。打印质量用打印分辨率来度量，单位是“点数/每英寸”，即dpi(dot per inch)。非击打式打印机的打印质量通常比击打式的高，例如激光打印机分辨率通常是300dpi以上，而点阵打印机的分辨率不足100dpi。

①点阵打印机

点阵打印机由走纸装置、、控制和存储电路、插头、色带等组成。打印头是关键部件。打印头由若干根钢针组成，由钢针打印点，通过点拼成字符。打印时CPU通过并行端口送出信号．使打印头的一部分打印针打击色带，使色带接触打印纸进行着色，而另一部分打印针不动，这样便打印出字符。

常见的点阵打印机的打印头有9针、24针。常见型号有EPSON RX、MX、PX 等9针打印机，M-3070、M-1724、LQ-1600K等24针打印机。点阵打印机比较灵活、使用

方便、质量较高，但噪声比较大，且速度慢。

②喷墨打印机

这种打印机不用色带，而把墨水储存于可更换的盒子之中，通过毛细管作用将墨水直接喷到纸上。喷墨打印机的打印质量较高、分辨率高，打印噪声很低，价格适中，家庭环境中常选这种打印机。

③激光打印机

激光打印机由激光发生器和机芯组成核心部件。激光头能产生极细的光束，经由计算机处理及字符发生器送出的字形信息，通过一套光学系统形成两束光，在机芯的感光鼓上形成静电潜像，鼓面上的磁刷根据鼓上的静电分布情况将墨粉粘附在表面并逐渐显影，然后印在纸上。激光打印机输出速度快、打印质量高、无噪声，但价格高。

(6)绘图仪

绘图仪是计算机的图形输出设备，分为平台式和滚筒式两种。它是利用画笔在纸上画线，所以适合于绘制工程图，在气象、地质测绘，产品设计中是重要的输出设备。新型的绘图仪也采用无笔的绘制方式，具原理与喷墨、激光打印机印字方法相类似。

1.4.3微型计算机的主要性能指标及配置

(1)运算速度

运算速度是衡量CPU工作快慢的指标，一般以每秒完成多少次运算来度量。当今计算机的运算速度可达每秒万亿次。计算机的运算速度与主频有关，还与内存、硬盘等工作速度及字长有关。

(2)字长

字长是CPU一次可以处理的二进制位数，字长主要影响计算机的精度和速度。字长有8位、16位、32位和64位等。字长越长，表示一次读写和处理的数的范围越大，处理数据的速度越快，计算精度越高。

(3)主存容量

主存容量是衡量计算机记忆能力的指标。容量大，能存入的字数就多，能直接接纳和存储的程序就长，计算机的解题能力和规模就大。

(4)输入输出数据传输速率

输入输出数据传输速率决定了可用的外设和与外设交换数据的速度。提高计算机的输入输出传输速率可以提高计算机的整体速度。

(5)可靠性

可靠性指计算机连续无故障运行时间的长短。可靠性好，表示无故障运行时间长。

(6)兼容性

任何一种计算机中，高档机总是低档机发展的结果。如果原来为低档机开发的软件不加修改便可以在它的高档机上运行和使用，则称此高档机为向下兼容。

微型计算机的配置日新月异，这里给出一组例子：

主机CPU PIV 主频3．0G以上

内存RAM 512MB

外设硬盘 120GB

软驱 3．5英寸

CD-ROM 能够读取光盘

显示器 17寸液晶

显示卡 128MB显存

打印机激光打印机

计算机硬件系统的基本组成（五大部件）：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

运算器和控制器统称中央处理器（CPU）。

存储器分成内存储器和外存储器两大类。

CPU、内存储器和连接输入输出设备的接口统称为主机。微机的主机集成在主机板上。

外存储器、输入设备和输出设备统称为外部设备。

中央处理器（CPU）

计算机的中央处理器又称为CPU，它是计算机的核心部分。主要由运算器和控制器组成。

运算器：实现算术运算和逻辑运算的部件。

控制器：计算机的指挥系统。控制器通过地址访问存储器，从存储器中取出指令，经译码器分析后，根据指令分析结果产生相应的操作控制信号作用于其他部件，使得各部件在控制器控制下有条不紊地协调工作。

指令：指挥计算机进行各种操作的命令。

指令系统：一台计算机所有指令的集合。

执行一条指令的四个基本操作：

微机的CPU又称微处理器，更新换代快：

4004→8008→8080→8088→80286→80386→80486→80586→奔腾Ⅱ→奔腾Ⅲ→奔腾Ⅳ→…

CPU的性能指标决定于时钟频率（主频）和字长。

主频是指CPU的时钟频率。主频越高，计算机的运算速度就越快。奔腾Ⅲ主频可达866MHz以上，奔腾Ⅳ则可达2.6GHz、2.8GHz。

字长是指一个字的长度。字长越长，数的表示范围越大，运算精度越高，且在相同时钟频率下运算速度就越快。微机字长经历了4位→8位→32位→64位四代变化。

计算机的存储机制

存储器是计算机中用来存放所有数据和程序的记忆部件，它的基本功能是按指定的地址存（写）入或者取（读）出信息。

计算机中的存储器可分成两大类：一类是内存储器，简称内存或主存；另一类是外存储器（辅助存储器），简称外存或辅存。

存储器由若干个存储单元组成，每个存储单元都有一个地址，计算机通过地址对存储单元进行读写。

一个存储器所包含的字节数称为存储容量，单位有B、KB、MB、GB、TB等。

1 B = 8 bits （1字节= 8位）

1 KB = 1024 B

1 MB = 1024 KB

1 GB = 1024 MB

1 TB = 1024 GB

计算机的存储机制－内存

内存：用来存放当前正在使用的，或随时要用的程序或数据，包括ROM和RAM。主要特点：存取速度快，容量小，价格昂贵。

ROM：只读存储器。特点：只能读，不能写；断电后信息不会丢失。主要用来存放固定不变的基本输入输出程序。

RAM：随机存取存储器。特点：可读可写；但断电后信息全部丢失。

微机内存容量的大小，一般是指RAM的大小。目前微机常见的内存配置为

64MB、128MB、256MB或512MB。

计算机的存储机制－外存

外存：用来存放暂时不用或需保存的程序或数据。当需要使用外存中的信息时，必须将其调入RAM中才能被CPU执行和处理。主要特点：存取速度慢，容量大，价格便宜。

微型计算机的外存一般有：软盘、硬盘和光盘。

软磁盘存储器（简称软盘）：由软磁盘、软盘驱动器和软盘驱动卡组成。微机常用3.5寸软盘，容量1.44MB。注意：软盘上的写保护口是设置保护软盘上数据的装置。

软盘存储的信息是按磁道和扇区组织存储的。磁道为一个个的同心圆，各道周长不同，但却存储等量的数据。每个磁道又等分为若干扇区，每个扇区可存储若干个字节。扇区数和字节数由格式化程序决定。

格式化：对磁盘进行分磁道和扇区并写上各个扇区的地址标记。格式化后的磁盘产生四个区域：引导区、文件分配表区、文件目录区及数据区。

写保护缺口：控制软盘的读写操作。

软盘的容量计算：字节数/每扇区×扇区数/每磁道×磁道数/每面×面数

硬磁盘存储器（简称硬盘）：由硬磁盘和硬盘驱动器组成。硬盘是按柱面、磁头号和扇区号的格式组织存储信息的。柱面由一组磁盘的同一磁道在纵向上所形成的同心园柱面构成，柱面上的各个磁道和扇区的划分与磁盘相同。硬盘被封闭在

一个金属体内，数据在硬盘上的位置通过柱面号、磁头号和扇区号三个参数确定。微机常用的硬盘有10GB、20G、30G、40G、60G、80G、100G、120G等多种。

光盘存储器：由光盘片和光盘驱动器构成。目前主要有三种类型的光盘：只读型光盘（CD-ROM)、一次写入型光盘和可擦写型光盘。5.25寸CD-ROM容量650MB～1GB。

计算机的输入设备

输入设备是向计算机中输入信息（程序、数据、声音、文字、图形、图像等）的设备。微型计算机中常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。外存储器也是一种输入设备。【图示】

键盘

鼠标可按结构分为：机电式和光电式鼠标。

计算机的输出设备

计算机的输出设备主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也是一种输出设备。

显示器有阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子体显示器等多种，又分为14寸、15寸、17寸、17寸纯平。显示器上的内容由像素组成，像素总和是分辨率；常见的高分辨率为：640*480 / 1024*768 / 1280*1024；分辨率越高，其清晰程度越好。显示器与主机的接口为显卡，常见的显卡有VGA、SVGA等。彩显卡所支持的颜色数量是显卡的一个重要指标,主要取决于显存RAM的大小。

例：分辨率为320×200，每像素点要求显示4种颜色，则由22=4可知每像素点颜色占用2bit，共需2×320×200=16000B的显存。

常见的打印机有：针式打印机、激光打印机和喷墨打印机。

计算机的其它部件

主板：微机采用一种“积木式”的体系结构，主板是一块印刷电路板，有多个长方形的插槽，CPU、内存、显卡、多功能卡等都可以插在主板上。多功能卡上有串行口（用来连接鼠标）和并行口（用来连接打印机等外设）。另外声霸卡、视卡、调制解调器等也将插在主板上。

接口：输入/输出接口电路是微处理器与外部设备之间的信息变换和实现缓冲功能必不可少的部件。

总线（BUS）是连接微机各部件之间的一组公共信号线，是计算机中传送数据和信息的公共通道。根据所传送信息的不同，总线分为地址总线（AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)。