第2章　计算机硬件系统

计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机依靠硬件和软件的协同工作来完成指定的任务。硬件是指组成计算机的所有实体部分，如CPU、硬盘、鼠标、键盘、显示器等。软件是指建立在硬件基础上的所有程序和文档的集合。硬件系统是计算机工作的物质基础，任何软件都是建立在硬件基础上的，离开了硬件，软件将一事无成。如果把硬件系统比作计算机的躯体，那么软件系统就是计算机的头脑和灵魂，两者相互依存、密不可分。

本章学习目标

• 理解冯·诺依曼结构和哈佛结构的基本组成以及各自的特点。
• 理解和掌握计算机硬件系统的组成。
• 理解主板的功能和结构。
• 掌握CPU的组成结构、工作原理以及主要性能指标，了解常用CPU的技术特点。
• 掌握存储器的基本类型及各类存储器的结构特点、工作原理和主要性能指标。
• 理解总线和接口的基本功能，了解计算机常用总线和接口的技术特点。
• 理解和掌握各类I/O设备的功能、原理和特点。

2.1　计算机的基本结构

结构是指各部分之间的关系。计算机体系结构在整个计算机系统中占据核心地位，是设计和理解计算机的基础。通过分析计算机的基本组成和结构，可以更好地指导我们理解计算机的基本工作原理。根据计算机的核心部件中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的体系架构的不同，计算机体系结构可以分为冯·诺依曼结构和哈佛结构。

2.1.1　冯·诺依曼体系结构

1946年6月，冯·诺依曼在“EDVAC方案”中正式提出了以二进制、程序存储和程序控制为核心的思想，对ENIAC的缺陷进行了有效的改进，从而奠定了冯·诺依曼计算机的结构基础。

冯·诺依曼体系结构也称普林斯顿结构或冯氏结构，如图2-1所示，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构，取指令和取操作数都经由同一个总线进行串行传输（一次只能传输一条数据或指令）。由于指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据二者宽度（即位宽）相同，如Intel公司的8086处理器的程序指令和数据都是16位的宽度。

图2-1　冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构一般具有以下几个特点。

① 必须有一个存储器，用于存储数据和指令。

② 必须有一个控制器，用于控制程序的运行。

③ 必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算。

④ 必须有输入和输出设备，用于进行人机相互。

在该体系结构下，计算机由五大基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。下面我们来具体介绍一下这五大部件的功能、相互关系及工作过程。

1．五大部件的功能

（1）运算器。运算器是用二进制进行算术和逻辑运算的部件。它由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和若干通用寄存器组成。

ALU由组合逻辑电路组成，其功能是实现算术和逻辑等运算，是计算机的运算中心。算术运算是指加、减、乘、除和求补码等运算，而逻辑运算是指与、或、非、异或、移位等操作。它以加法运算为核心，减法通过补码变减为加，乘法通过一系列的加法和移位操作来完成。总之，在控制器的控制下，ALU对来自存储器的数据进行算术和逻辑运算。通用寄存器用来存放参加运算的原始数据、过程数据及结果数据。当然，运算器除了完成运算以外，还可以传送数据到内存中。

（2）控制器。控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器实现计算机对整个运算过程有规律的控制，是计算机的指挥中心。它的基本功能是控制从内存中取出指令、分析指令、发出由该指令规定的一系列操作命令并完成指令。

计算机执行程序时，控制器首先按程序计数器给出的指令地址从内存中取出一条指令，并对指令进行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令，控制它们执行这条指令所规定的功能。这样逐一执行一系列指令，计算机就能够按照程序的要求自动完成各项任务。

由于超大规模集成电路的发展，现在基本上是把控制器和运算器集成在一块芯片上，该芯片被称为中央处理器（CPU）。它是计算机的核心，其功能直接关系到计算机的性能，是计算机最复杂、最关键的部件。

（3）存储器。存储器用来存放计算机运行中要执行的指令和参与运算的各种数据。存储器分为内存储器和外存储器（这里我们主要讲内存储器，即内存），外存储器也可以作为输入输出设备。

（4）输入设备。输入设备用来将用户输入的原始数据（包括数字、声音、图形、图像）和程序指令转换为计算机能识别的形式（即二进制代码）存放在内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。

（5）输出设备。输出设备用于将存储在内存中由计算机处理的结果（即二进制数码）转换为人们所能识别的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

输入输出设备是人机交互的设备，统称为外围设备，简称外设。

2．五大部件的相互关系及工作过程

（1）相互关系。计算机的五大组成部分相互配合，协同工作，形成了高效的计算机硬件系统。

（2）工作过程。计算机工作时严格遵循“程序存储及程序控制”原理，具体过程如下。

① 首先由输入设备输入原始数据和程序指令（每一条指令都明确规定计算机从哪个地址取数、进行什么操作、结果数据送到什么地方去等步骤），由控制器控制，将这些数据和指令送入存储器（存储程序和数据）。

② 在控制器的控制下，存储器中的程序指令（按事先编排的顺序）被逐条送入控制器中，经译码分析后将程序指令转换为相应的控制命令（控制运算器及存储器进行各种存数、取数和运算）。

③ 在控制器的控制下，运算器完成规定操作，并将结果送回存储器。

④ 最后在控制器的控制下，将结果由存储器送入输出设备进行输出。

2.1.2　哈佛结构

哈佛结构（Harvard architecture，HARC）于20世纪70年代由哈佛大学的学者提出，是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的存储器结构，取指令和取操作数都经由不同总线进行并行传输，因此哈佛结构属于一种并行体系结构，如图2-2所示。由于指令存储地址和数据存储地址指向不同的存储器，因此程序指令和数据的宽度也不同。例如，Microchip公司的PIC芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

图2-2　哈佛结构

与冯·诺依曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：一是使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储器模块都不允许指令和数据并存；二是使用两条独立的总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两对总线之间毫无关联。

哈佛结构采用程序和数据空间独立的体系结构，目的是为了减轻程序运行时的瓶颈。例如，在一条取操作数的运算中，同时还有一个取指令操作，如果采用冯氏结构，程序和数据通过一条总线访问，取数据和取指令必然会产生冲突。而哈佛结构这种分开存储、分开传输的方式则能从根本上解决同一时间内取数据与取指令相冲突的问题。

由于可以同时读取指令和数据，大大提高了数据吞吐率，因此哈佛结构的微处理器通常具有更高的执行效率。但缺点是结构复杂，对外围设备的连接与处理要求高，十分不适合外围存储器的扩展。可以假设：如果是哈佛结构的计算机系统，就得在电脑上安装两块硬盘（一块装程序，另一块装数据）和两根内存（一根存储指令，另一根存储数据）。

总的来说，冯·诺依曼结构简单、易实现、成本低，但效率偏低；哈佛结构效率高但复杂。因而，目前绝大部分计算机仍采用冯·诺依曼结构。

2.2　计算机硬件的组成

计算机硬件（Hardware）是指组成计算机的各种物理设备，是看得见、摸得着的，可分为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大组成部分。下面以微型计算机（简称微机）为例，对计算机的硬件组成进行详细介绍。

微机通常由主机和外设两部分组成，如图2-3所示。主机是微机的核心部件，是指计算机除去输入输出设备以外的主要机体部分，主要包括主板、CPU、内存条、I/O扩展槽、总线和各种接口等。外设（外部设备的简称），是指连在计算机主机以外的硬件设备（对数据和信息起着传输、转送和存储的作用），是微机的重要组成部件，主要包括输入设备（如键盘、鼠标）、输出设备（如显示器、打印机）、网络设备（如路由器、交换机）等。

图2-3　微型计算机

2.2.1　主板

主板（Mainboard），又称母板（Motherboard），是位于主机箱内的一块大型多层印刷电路板，是微机最基本、最重要的部件之一。如果把CPU比作微机的心脏，那么主板就是躯干（内含血管、神经等循环系统），CPU、内存条、显卡、网卡等均是需要安装在主板上的硬件，其他的硬盘与电源等均必须用数据线或电源线与主板相连。

主板一般是一块矩形电路板，如图2-4所示。虽然目前的主板品牌、型号五花八门，但外形和基本构成都基本类似，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有中央处理器（CPU）、随机存储器、只读存储器、显卡、声卡、网卡、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩展插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。其实，主板就是载体或平台，在上面搭载或连接CPU、硬盘、内存、显卡等设备，和机箱、电源、显示器、键盘、鼠标等构成一个完整的PC系统。因此，主板在整个微机系统中扮演着举足轻重的角色。可以说，电脑的整体运行速度和稳定性在很大程度上都取决于主板的性能。

图2-4　计算机主板

主板上一般有6～8个扩展槽，供微机外围设备的控制卡（适配器）插接，如显示卡、声卡等，这样可以对微机的子系统进行局部升级，使用户在硬件配置方面具有更大的灵活性。

2.2.2　中央处理器

在主板上，有个重要的半导体芯片，称为中央处理器（CPU），又称为微处理器，如图2-5所示。CPU采用超大规模集成电路工艺，其功能是执行算术和逻辑运算，并控制整个计算机自动、协调地完成各种操作。因此，虽然CPU只是一块小小的芯片，但它却是整个微机系统的灵魂与核心。

图2-5　微处理器

CPU通常由运算器、控制器和寄存器等部件组成。其中，运算器又称为算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），负责完成数据的算术运算和逻辑运算。控制器是计算机系统的指挥中心，负责自动执行程序指令并产生正确的控制信号，以控制各硬件部件协同工作。寄存器（Register）用来保存正在执行的程序指令、过程数据、运算结果等。这些部件通过CPU内部总线相互交换信息，协同工作。

CPU背面有许多的针脚，用于插入主板的CPU插槽中。此外，由于CPU在运行时会产生高热量，因此在其正面往往会加装散热片和风扇，帮助其降温，否则一旦温度过高将影响CPU的稳定性。

世界上最著名的用于PC机的CPU厂商是美国的Intel公司。从20世纪80年代起，Intel公司相继推出8086、8088、80286、80386、80486，然后开始将产品命名为“Pentium”（奔腾）系列，并陆续推出了奔腾Ⅱ、奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ、“酷睿”系列等。除了Intel之外，目前比较著名的CPU厂商还有AMD公司，其著名产品包括“雷鸟”系列、“毒龙”系列、“速龙”系列、“羿龙”系列等。

1．CPU的工作原理

简单地说，CPU的工作过程大致分为4个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、 执行（Execute）和写回（Writeback）。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。将指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。

2．CPU的主要性能指标

计算机的性能在很大程度上由CPU的性能决定，而CPU的性能主要体现在其运行程序的速度上。影响运行速度的性能指标主要包括CPU的核心数、字长、频率（主频、外频和倍频）、高速缓存容量、扩展指令集、工作电压以及制作工艺等。

（1）内核与核心数。内核（Core）即CPU的核心，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是内核，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的。CPU所有的计算、接收/存储命令、处理数据都由内核执行。

单核（Single-Core）或多核（Multi-Core）是指在同一块CPU上集成一个或多个相同功能的处理器核心，如图2-6所示。双核心或多核心CPU在性能上可以成倍地提高工作效率。

图2-6　多核CPU在高倍显微镜下的显像

（2）字长。CPU在同一时间能一次传输或处理的二进制代码的位数即为字长，它是衡量CPU性能的重要指标之一。在一次运算中，操作数和运算结果通过内部总线在寄存器和运算部件之间传送，字长决定着计算机内部寄存器、内部总线和ALU的位数，直接影响着机器的硬件规模和造价。此外，当其他性能指标相同时，字长还直接反映了CPU的计算精度（字长越长，计算精度越高）、数据处理速率（字长越长，数据处理速率越快）和数据存取效率（字长越长，寻址能力越强，可直接访问的内存单元就越多，数据存取效率越高）。

常见的微处理器字长为8位、16位、32位、64位。目前，64位高性能处理器已在PC机中普及。为适应不同的兼容要求及协调运算精度，大多数CPU均支持变字长运算，即机内可实现半字长、全字长和双倍字长运算，如64位CPU大都可以安装64位系统和32位系统。

（3）主频、外频和倍频。

① 主频。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是CPU的主频。主频也叫时钟频率，单位是GHz，用来表示CPU的运算速度。

CPU的主频计算公式：CPU的主频＝外频×倍频系数。

② 外频。外频是CPU与主板上其他设备进行数据传输的物理工作频率，也就是系统总线的工作频率，它代表着CPU与主板和内存等配件之间的数据传输速度，单位是MHz。CPU标准外频主要有66 MHz、100 MHz、133 MHz、166 MHz和200 MHz几种。

③ 倍频。倍频也称倍频系数，是CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高，CPU的主频也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间的数据传输速度是有限的，一味追求高倍频而得到高主频的CPU会出现明显的“瓶颈”效应（CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度）。现在的CPU基本都对倍频进行了锁定，一般是不能改的。

值得注意的是，主频并不直接代表CPU的运算速度或性能，如果认为CPU的主频指的就是CPU运行的速度，那么这种认识是很片面的。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力是没有直接关系的。当然，主频和实际的运算速度是有关的，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面性能指标（缓存、指令集、CPU的字长等）。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，就很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。例如，AMD公司的Athlon XP系列CPU大多都能以较低的主频达到Intel公司的Pentium 4系列较高主频CPU的性能。因此，主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。

（4）前端总线频率。前端总线（Front Side Bus，FSB）频率直接影响CPU与内存交换数据的速度。数据传输的最大带宽取决于所有同时传输的数据宽度和传输频率。其计算公式如下。

数据带宽＝（数据位宽×前端总线频率）/8

外频与前端总线频率的区别是：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100 MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟振荡一千万次；而100 MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是（100 MHz×64 bit）/8＝800 MB/s。

（5）高速缓冲存储器。高速缓冲存储器（Cache）是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据，因此速度很快。缓存又可分为一级高速缓存（L1 Cache）和二级高速缓存（L2 Cache）。

① L1 Cache。一级高速缓存通常在CPU内部，其容量和结构对CPU的性能影响很大，但价格昂贵且结构较复杂。在CPU芯片面积不能太大的情况下，一级高速缓存的容量不可能做得太大。一般一级高速缓存的容量在32～256 KB。

② L2 Cache。二级高速缓存分内部和外部两种芯片。内部的二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存的运行速度则只有主频的一半。二级高速缓存的容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用的CPU容量最大的是512 KB，而服务器和工作站上用的CPU的二级高速缓存可达1～3 MB。

（6）扩展指令集。指令集是存储在CPU内部，对CPU运算进行指导和优化的硬程序。拥有这些指令集，CPU就可以更高效地运行。因此，指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效的工具之一。CPU的基本指令集都差不多，但为了提升CPU某一方面的性能，又开发了扩展指令集，以增强CPU的多媒体、图形图像和Internet等的处理能力。这些扩展指令可以提高CPU处理多媒体和3D图形的能力。

Intel公司1996年推出了MMX指令集（Multi Media eXtension，多媒体扩展指令集），它是一项多媒体指令增强技术，包含57条多媒体指令。此后，Intel又陆续发布了SSE（新增70条指令）、SSE2（新增144条指令）、SSE3（新增13条指令）、SSSE3（新增32条指令）、SSE4（新增47条指令）、EM-64T（针对64位桌面处理器）。CPU厂商正是通过不断添加图形、视频编码、处理三维成像及游戏应用等新指令，使处理器在音频、图像、数据压缩算法等多方面的性能得到不断提升。AMD公司主要是3D-Now!指令集。

（7）制造工艺。制造工艺是指在硅材料上生产CPU时内部晶体管与晶体管之间的距离，或者说晶体管之间导线的连线宽度，单位为“纳米”（ns）。纳米数越小，相同空间内的晶体管就越多，这意味着在同样面积的芯片中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计，因此CPU的性能就越出色，功耗也越小，温度也越低（高温是造成CPU无法在高频状态下稳定运行的主因）。例如，以前的CPU都是90 nm制程（Pentium 4）、65 nm制程、32 nm制程，现在的CPU已经全面进入22 nm时代（酷睿i3/i5/i7），而14 nm将是下一代CPU的发展目标。

（8）工作电压。工作电压是指CPU正常工作时所需的电压。从586 CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种。其中，内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定的，一般制作工艺越高，内核电压就越低。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。

一般来说，除工艺和工作电压越低越好之外，CPU的其他参数都是越高越好。

2.2.3　存储器

在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是用来存储程序和数据的部件。对于计算机来说，有了存储器，才有记忆能力，才能保证正常工作。

目前，在微机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器组成，如图2-7所示。

图2-7　存储器系统的多层次结构图

主存储器又称内存储器（简称内存），辅助存储器又称外存储器（简称外存），高速缓冲存储器又称Cache（简称缓存）。

微机系统中，内存储器一般都采用半导体存储器，而外存储器主要采用软盘、硬盘、光盘、磁带和优盘等。通常我们把CPU目前不使用的、永久保存的、大量的数据保存在外存储器上，而把一些CPU当前或即将使用的、临时保存的、少量的数据保存在内存储器上。例如，日常使用的操作系统、字处理软件、游戏软件等，一般都保存在外存储器上，需要用时再将其调入内存储器中运行。

随着技术的发展，CPU速度的提升远远快于内存储器。CPU希望最好能在1个时钟周期内就完成对所有数据的访问，但内存供给不上，这就导致CPU常常处于闲置等待状态，严重影响CPU的工作效率。为缓解CPU和内存速度不匹配问题，就引入了Cache。因此，缓存是为了平衡高速设备和低速设备之间的速度差异而存在的。

Cache位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器，主要用于存放当前内存中使用频率最高的程序块或数据块，并以接近CPU工作速度的方式向CPU提供数据，以提高整个系统的性能。

1．半导体存储器

现代计算机中多采用半导体存储器。按照信息存取原理的不同，可以将半导体存储器分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两大类，每一大类根据具体制造工艺的不同还可以细分。

（1）ROM。只读存储器（Read-Only Memory，ROM）因工作时只能读取信息而得名。ROM采用非易失性器件制造。厂家在制造ROM的过程中，信息（数据或程序）经特殊方式写入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能再写入，而且即使系统停止供电，这些数据也不会丢失。

① ROM芯片应用举例。ROM芯片常用于存储系统中不需要改写的数据。例如，在微机主板上，有一个专门用来存储基本I/O系统的ROM芯片，称为BIOS芯片，一般位于主板的南桥附近，如图2-8所示。

图2-8　含双BIOS的高端主板

BIOS（Basic Input Output System）因固化了基本输入输出系统而得名，主要保存着有关微机系统最重要的基本输入输出程序、系统信息设置、开机上电自检程序和系统启动自举程序等，用于在计算机开机过程中完成对硬件系统的加电自检、系统中各种硬件设备的初始化、基本输入输出的驱动程序及引导操作系统。BIOS提供了许多低层次的服务，如硬盘启动程序、显示器驱动程序、键盘驱动程序、打印机驱动程序以及串行通信接口驱动程序等，使用户不必过多地关心这些具体的物理特性和逻辑结构细节（如端口地址、命令及状态格式等），从而更方便地控制各种输入输出操作。

② ROM家族成员。ROM按照工作原理的不同又可细分为可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电子式可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪存储器（Flash ROM）等。目前，BIOS所用的ROM一般都是性能优越的Flash ROM。ROM家族最显著的特征是记忆性（系统停止供电后仍可保存数据），因此，ROM又称记忆性元件或非易失性元件。

• 可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）是一次性编程只读存储器。在出厂时内部并没有资料（内部所有信息均为“0”或“1”），用户可以根据自己的需要，用专门的编程器将资料写入，但这种机会只有一次，且一旦写入就无法修改，系统停止供电后可以保持数据（记忆性）。PROM成本较高且写入资料的速度比ROM的量产速度慢，一般只适用于少量需求的场合或ROM量产前的验证。
• 可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）是可多次编程只读存储器。其内部为一组浮栅晶体管，断电后仍能保留数据。EPROM可实现多次写入数据，但过程复杂，需在机外利用强紫外线擦除器对整个芯片进行数据删除，再使用一种特制的低电压编程器来写入数据，如图2-9所示。EPROM解决了PROM芯片只能写入一次数据的弊端，但使用起来既不方便也不稳定。

图2-9　EPROM芯片与擦除器

• 电子式可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）直接利用一个特制的低压编程器就可在机内实现擦除和写入数据，且过程简单，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。其最大的优点是彻底摆脱了紫外线擦除器机外读写的束缚，可即插即用，使用非常方便。另外，它以字节为最小修改单位（不必像EPROM那样只能将资料全部洗掉后才能写入），所以写入速度更快。
• 快闪存储器（Flash ROM）是快擦型存储器，可在计算机内进行快速删除数据和编程，也是一种掉电后不丢失数据的存储芯片。Flash ROM是对EEPROM的发展，其数据删除不是以单个字节为单位，而是以一定大小的“块”为单位。“块”的大小一般为256 KB到20 MB，这样Flash ROM就比EEPROM的读写速度更快。由于它具有高性能和低成本的双重优势，因此对于需要实施代码或数据更新的嵌入式应用来说是一种理想的存储器。

在ROM（只读存储器）家族中，虽然有些是可编程写入的，但由于写入的速度较慢，通常只用于读取，因此将它们归类为只读存储器范围。

（2）RAM。随机存储器（Random Access Memory，RAM），又称为读/写存储器或内存，表示既可以读取数据，也可以写入数据。RAM采用易失性器件制造，当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。主板上的内存条，如图2-10所示，实际上就是将多个RAM集成在一起的小块电路板。通常所说的内存容量，就是指内存条上RAM的容量。

图2-10　内存条

除了主板上的RAM内存条外，许多其他板卡上也使用RAM芯片。例如，显示卡中的显示内存（显存）可以作为CPU与显示器之间的数据传输中转站，从而加快显示信息的速度。

① RAM芯片应用举例。CMOS芯片是微机主板上的一块可读写的RAM芯片，主要用来保存当前系统的硬件配置参数和操作人员对某些系统参数（如系统时间日期、系统第一启动项等）的设置信息。CMOS芯片通过主板上的一块纽扣电池（CMOS电池）供电，因此无论是在关机状态中，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。

以前，CMOS多为一颗独立的RAM芯片，由于纽扣电池本身电量就少，为尽可能避免传输损耗，COMS芯片会与电池距离很近。但近年来，多把CMOS芯片集成在南桥芯片里，如图2-11所示。

② RAM家族成员。RAM可随机读取又可随机写入数据，通常用于存放系统程序、用户程序以及相关数据。RAM按照工作方式的不同又可细分为动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）两大类。

• 动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是采用半导体器件中分布电容上电荷的有、无来表示所储存的信息“0”和“1”。由于保存在分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，因此需要周期性地充电。DRAM存储器的功耗低、集成度高、成本低，但存取速度较慢。

图2-11　带CMOS清除按钮和南桥散热片的高端主板

• 静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM）是通过双稳态电路来保持存储器中的信息的。只要存储器的电源不断，存放在存储器中的信息就不会丢失。SRAM的主要优点在于接口电路简单、使用方便，并且比DRAM的速度更快，运行也更稳定；但缺点是功率大、集成度低、成本高。因此，SRAM常被用来作为系统的高速缓冲存储器（Cache）。

2．主存储器

主存储器也称内存，是微机中的主要存储部件，也是CPU能够直接寻址的存储空间。因此，主存储器的好坏直接影响微机的运行速度。目前，微机上配置的主存储器均采用DRAM。

（1）内存发展所经历的主要时代。

• SDRAM时代（1997～2002年）。这一时代的内存采用SDRAM（同步动态随机存储器）制作而成，称为168线内存条（因有168根金角线而得名，金角线也称“金手指”，中间有1个缺口）。SDRAM内存的带宽为64 bit（正好对应当时CPU的64 bit数据总线宽度）；时钟频率为100 MHz、133 MHz；常见的存储容量为128 M、256 M和512 M等。
• 频率竞备时代。2000年，Intel公司推出了主频达600 MHz的奔腾Ⅲ处理器，之后AMD公司又推出了主频突破1 GHz的速龙（Athlon）处理器。在AMD与Intel的激烈竞争中，CPU的主频也在不断地高速提升。为了匹配CPU速度上的高速增长，必须对内存也进行更新，两家芯片巨头各自提出了自己的改进意见。

Intel提出重新设计内存，取名为“Rambus”，而AMD提出在SDRAM的基础上做改良，取名为“DDR SDRAM”（Double Data Rate SDRAM），为双倍速率SDRAM之意。虽然Rambus的性能非常优越，但因触及硬件厂商的既得利益，而遭到强烈抵制并最终搁浅。

• DDR时代（2002年至今）。具体情况如下。

DDR（Double Data Rate，双倍速率SDRAM）：数据传输速度为传统SDRAM的两倍。

DDR2：采用0.13 μm生产工艺、更低的运行电压（1.8 V），从而进一步降低发热量，以便提高频率，频率可达800/1 066 MHz。

DDR3：生产工艺小于0.1 μm，工作电压降至1.5 V，频率可达1 600/2 000 MHz。

DDR4：2012年DDR4时代开启，起步电压降至1.2 V，而频率提升至2 133 MHz。次年进一步将电压降至1.0 V，频率则实现2 667 MHz。DDR4内存已于2014年首先用于服务器领域。

各类DDR内存条间的比较如图2-12所示。

图2-12　不同类型DDR内存条的比较

（2）内存的主要性能指标。目前，衡量内存的性能指标主要包括内存类型、存储容量、内存频率、品牌和价格等。

① 内存类型。目前，微机上配置的主存储器均为DDR内存条，随着CPU性能的不断提高，又相继出现了DDR2（二代内存）、DDR3（三代内存）。DDR3在频率和速度上有更大的优势，性能更好、更省电。目前，DDR3内存已在PC上普及。

② 内存容量。一般来说，内存容量越大，数据处理的速度就越快。但是，在选购内存的时候也要考虑PC软、硬件需求，以发挥内存的最大价值。例如，Windows XP 32位系统最大支持4 G内存，Windows 7家庭版 64位系统最大支持8 G内存。

③ 工作频率。工作频率越高代表速度越快。例如，DDR3内存的起步频率为800 MHz，甚至可达到2 666 MHz。目前，DDR3 1 600 4 G/8 G（工作频率为1 600 MHz）已成为PC的主流标配。

④ 时序。时序表示内存完成一项工作所需要的时间周期，时间越长，则表示执行效率越低。例如，DDR2内存的时序为CL5/CL6，DDR3内存的时序则为CL9/CL11。

⑤ 工作电压。通常情况下，工作电压越小，能耗就越低。例如，DDR2的工作电压是1.8 V，DDR3的是1.5 V。

3．高速缓冲存储器

高速缓冲存储器（Cache）即高速缓存，其存储内容为最近曾被CPU访问过的程序或数据。由于在多数情况下，一段时间内程序的执行总是集中于程序代码的某一较小范围，因此如果将这段代码一次性从内存调入高速缓存，则可以在一段时间内满足CPU的需要，从而将CPU对内存的访问变为对高速缓存的访问，以提高CPU的访问速度和整个系统的性能。目前，微机上配置的高速缓存基本上都采用SRAM。

4．辅助存储器

在一个计算机系统中，除了有主存储器外，一般还有辅助存储器，用于存储暂时不用的程序和数据。它与主存储器的区别在于，存放在辅助存储器中的数据必须调入主存储器后才能被CPU所使用。

辅助存储器在结构上大多由存储介质和驱动器两部分组成。其中，存储介质是一种可以表示两种不同状态并以此来存储数据的材料，而驱动器则主要负责向存储介质中写入或读取数据。目前，在微机中常用的辅助存储器有磁盘、Flash闪存盘、固态硬盘和光盘等。

（1）磁盘存储器。磁盘存储器是目前个人计算机中应用最广泛的一种辅助存储器，由磁盘、磁盘驱动器及磁盘控制器3部分组成。

磁盘存储器主要分为软磁盘和硬磁盘两大类。目前，软盘已基本被淘汰，下面主要介绍硬盘存储器及其相关原理。

① 硬盘技术及工作原理。目前，微机所用的硬盘都是采用温切斯特技术，由IBM公司于20世纪70年代提出。它把磁盘、驱动电机、读写磁头等组装并封装在一起，成为温切斯特驱动器，简称温盘，如图2-13所示。

图2-13　硬盘的内部结构

温切斯特技术的核心是：盘体密封；盘片固定并高速旋转；高速旋转产生浮力使磁头飘浮在盘片上方而不与盘片接触（悬浮距离为零点几微米，约为人类头发直径的千分之一），并沿盘片径向移动。

硬盘工作时，固定在同一个转轴上的多张盘片以每分钟数千转甚至更高的速度旋转，磁头在驱动电机的带动下在磁盘上做径向移动，寻找定位，完成数据的写入或读取工作。硬盘经过低级格式化、分区及高级格式化后即可使用。

硬盘的体积小、容量大、防尘性能好、可靠性高，且对使用环境要求不高。它的出现使磁盘性能有了突破性的进展，硬盘也成为此后40年里硬盘存储器的主要产品。

② 磁盘存储器的数据结构。磁盘是以“盘面—磁道—扇区”的方式来进行数据组织的，如图2-14所示。

• 磁道。硬盘上信息的存储是以同心圆的形式排列的，每一个圆环称为一个磁道。当对磁盘进行读写时，磁头定位在磁道上，为防止或减少由于磁头未定位准确或磁域间的干扰所引起的错误，相邻磁道间有一定的间隙。
• 扇区。一个磁盘面有上千个磁道，磁道又进一步被分割成几十到上百个等长的圆弧，每一段圆弧称为一个扇区。相邻扇区间同样留有一定的间隙，一个扇区可以存储若干位信息，它是磁盘与主机之间交换信息的基本单位。大多数系统所定义的扇区的大小为512 B～2 KB。

图2-14　磁盘的数据结构示意图

• 柱面。每个存储表面的同一磁道组成一个圆柱面，称为柱面。

③ 磁盘存储器的容量计算。公式如下。

硬盘的容量＝磁头数×柱面数×每磁道扇区数×扇区字节数

磁头数即为盘片数；柱面数即为磁道数；扇区字节数即为扇区容量（一般为512 B）。

【例2-1】 某硬盘的磁头有15个，磁道数为8 894个，每道有63个扇区，每个扇区为512 B，请计算该硬盘的存储容量。

解：存储容量＝磁头数×柱面数×每磁道扇区数×512 B＝15×8 894×63×512 B＝4.3 G

④ 硬盘的分类。

• 根据存储容量分类，硬盘有80 GB、300 GB、500 GB、1 TB等。
• 根据接口类型分类。硬盘的接口有IDE、EIDE、ATA2、SCSI、SATA等多种不同的类型。其中，EIDE和ATA2是在IDE接口的基础上做的改进，现在已很少使用。目前，主流PC机的硬盘接口是SATA，服务器用SCSI接口，一些低端的服务器/工作站用企业级的SATA接口。

⑤ 硬盘的主要性能指标。

• 硬盘容量。作为计算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。硬盘的容量一般以吉字节（GB）或太字节（TB）为单位，换算关系为1 TB=1 024 GB；1 GB=1 024 MB。

另外，硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘单个盘片的容量。单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。

• 主轴转速。主轴转速是指磁盘每分钟旋转的圈数，单位为转/每分（RPM），它是硬盘所有指标中除了容量之外最引人注目的性能参数，也是决定硬盘内部传输率的关键因素之一。一般来说，转速越快，读取硬盘数据的速度就越快，硬盘的整体性能也越好。目前，硬盘的转速主要有5 400 RPM、7 200 RPM和10 000 RPM。
• 平均寻道时间。平均寻道时间是指磁头从当前磁道移动到目标数据所在磁道的平均时间。这个时间越短，读取硬盘数据的速度就越快。磁头的平均寻道时间除了和单碟容量有关外，还与磁头动力臂的运行速度密切相关。目前，硬盘的平均寻道时间为7～9 ms。
• 高速缓存。高速缓存是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度。高速缓存也是硬盘非常重要的一个参数，其大小直接影响到硬盘的整体性能。目前，主流硬盘的缓存已达几十MB。
• 数据传输率。数据传输率包括内部数据传输率和外部数据传输率。内部数据传输率是指从硬盘到缓存的传输速度；外部数据传输率是指从缓存到硬盘接口的传输速度。内部数据传输率更能反映硬盘的实际表现，通常以MB/s为单位。目前，最快的传输速度已达160 MB/s。

（2）Flash存储器。Flash存储器，简称闪存，其存取数据的速度比硬盘、光盘更快，而且具有抗震性强、体积小、功率低等优点。因此，闪存主要用于一些小规模的数据记录和便携式移动设备的存储器，如优盘、固态硬盘、SD卡等。

① 优盘。优盘，全称为USB闪存盘。因使用USB接口与主机通信而得名。它是一种新型存储产品，具有轻巧便携、安全稳定、即插即用、支持系统引导、可重复擦写、存储容量大等优点。

② 固态硬盘。固态硬盘（Solid State Disk，SSD），从技术层面来看，本质上是闪存集成（可看成是一个大容量优盘），如图2-15所示。

与传统硬盘相比，固态硬盘由于采用闪存作为存储介质，读取速度比机械硬盘更快。传统硬盘通过磁头进行读盘，对于存放在不同区域内的文件，有寻道时间。固态硬盘不用磁头，几乎没有寻道时间，因此固态硬盘持续读写速度远高于普通硬盘。另外，固态硬盘内部没有任何机械装置，不再需要配备马达和风扇，所以工作时也没有噪声；而且由于内部不存在磁头等任何机械活动部件，所以不会发生机械故障，安全可靠，抗震性能极强。

众所周知，普通硬盘的机械特性严重限制了数据读取和写入的速度。近年来，电脑运行速度最大的瓶颈恰恰就是在硬盘上，所以固态硬盘的诞生，恰好能解决这一瓶颈。近几年，随着固态硬盘技术的不断提高，成本不断降低，以固态硬盘替代传统普通硬盘的消费者也越来越多。

（3）激光存储器。光盘是利用光学方式进行信息读/写的一种大容量、可移动存储器。光盘的外形呈圆形。与磁盘利用表面磁化来表示信息不同，光盘利用介质表面有无凹痕来存储信息，如图2-16所示。

图2-15　固态硬盘与机械硬盘内部构造对比

图2-16　光盘与介质表面的凹痕

根据光盘的使用特性不同，可将其分为只读光盘、一次性写入光盘、可重写光盘三大类。目前广泛使用的CD-ROM光盘属于只读光盘，数据信息由生产厂商在制造时写入光盘中。该光盘可反复进行读操作，但不能进行写操作。一次性写入光盘，可以由用户写入信息，但只能写入一次，就不能再擦除或改写。可重写光盘，用户可以自己写入信息，也可对已有信息进行擦除或改写，就像使用磁盘一样，可反复读写。可重写光盘需要插入特殊的光盘驱动器进行读写操作，它的存储容量一般在几百MB到几GB不等。

2.2.4　总线与接口

任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计和系统结构，常用一组线路配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为“总线”。微机中的总线一般有内部总线、系统总线和外部总线，如图2-17所示。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。

图2-17　微机中的总线示意图

接口（Port）是主机与和外部设备之间信息交换的桥梁，主要用于连接输入/输入设备。有些接口专门用于连接特定的设备，如硬盘接口、显卡接口、打印机并行接口等。而有些接口则具有通用性，可以连接各种各样的外设，如USB接口等。

随着微电子技术和计算机技术的发展，总线与接口技术也在不断地发展和完善，以下仅对微机中常用的一些总线和接口技术进行介绍。

1．ISA总线

ISA（Industrial Standard Architecture，工业标准体系）总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，也称AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用得非常广泛。ISA总线有98只引脚，如图2-18所示。

图2-18　ISA总线插槽与PCI总线插槽

2．EISA总线

EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准体系）总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在使用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。

3．PCI总线

PCI（Peripheral Component Interconnect，外围设备互连）总线是常用总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线，如图2-18所示。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能与VESA、ISA相比有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132 Mbps，同时支持多组外围设备。PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（Micro Channel Architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

4．AGP总线

AGP（Accelerated Graphics Port，图像加速端口）是一种最新的总线类型，它比PCI总线的速度快两倍以上。目前，多数计算机系统使用PCI作为通信总线，AGP总线专门用于加速图像显示。例如，在三维动画中，AGP替换PCI总线来传递视频数据。

5．RS-232-C总线

RS-232-C是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）制定的一种串行物理接口标准，如图2-19（a）所示。RS是英文“Recommended Stabdard”（推荐标准）的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1 200、2 400、4 800、9 600、19 200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2 500 pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。例如，采用150 pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15 m。若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一个原因是RS-232属于单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20 m以内的通信。

6．IEEE 488总线

IEEE 488总线是一种并行总线标准，如图2-19（b）所示。IEEE 488总线用于连接系统，如微机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE 488总线装配。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并连于总线上而无需中介单元。总线上最多可连接15台设备，最大传输距离为20 m，信号传输速度一般为500 kbit/s，最大传输速度为1 Mbit/s。

7．USB总线

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC和Northern Telecom 7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准，如图2-19（c）所示。它基于通用连接技术，实现外设的简单、快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像使用串口、并口的设备那样需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12 Mbps，比串口设备快100倍，比并口设备快近10倍，而且USB还能支持多媒体。

图2-19　各种外部总线接口

2.2.5　输入/输出设备

1．输入设备

（1）键盘。键盘（Keyboard）是微机必备的输入系统，用来向微机输入命令、程序和数据。

键盘由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成，不同开关键上标有不同字符，每按下一个按键就相当于接通了相应的开关电路，随即将该键对应的字符代码通过接口电路送入微机。键盘是通过一根电缆线与主机相连接的。这条电缆中包括了4条线：＋5 V电源、地线和两条双向信号线。

键盘上键位的排列是有一定规律的。键位的排列与键位的用途有关，按用途可将键盘分为主键盘区、功能键盘区、全屏幕编辑键盘区和小键盘区。

主键盘区又称为标准英文打字机键盘区，其英文字母排列与英文打字机一致。各种字母、数字、运算符号、标点符号以及汉字等信息都是通过在这一区域的操作输入到计算机中的。

功能键盘区包括12个功能键Fl～F12。功能键在不同的软件系统下，其功能是不同的，具体功能由操作系统或应用软件来定义。

编辑键盘区在主键盘和数字小键盘的中间。该键包括4个光标移动键和6个编辑键。

小键盘区包含数字小键盘和编辑键。数字小键盘位于键盘的右部。该区的键起着数字键和光标键的双重功能。小键盘上标有“Num Lock”字样的按键是一个数字/编辑转换键。当按下该键时，该键上方标有“Num Lock”字样的指示灯发亮，表明小键盘处于数字输入状态，此时使用小键盘可以输入数字；若再按下“Num Lock”键，该指示灯熄灭，表明小键盘处于编辑状态。小键盘上的按键转换为光标控制/编辑键。

（2）鼠标。鼠标（Mouse）是微机必备的输入设备，其主要功能是对光标进行快速移动、选中图像或文字的对象、执行命令等。

鼠标按其结构可分为机械式（如图2-20（a）所示）、光电式（如图2-21（b）所示）、半光电式、轨迹球、无线遥控式、PDA上的光笔和NetMouse7类。由于光电式鼠标工艺简单、使用方便、价格低廉，所以被广泛应用。

光电式鼠标的工作原理：光电式鼠标的定位精度比机械式鼠标的定位精度高，是用户的首选输入设备。光电式鼠标的内部结构比较简单，其中没有橡胶球、传动轴和光栅轮。要让光电式鼠标发挥出强大的功能，一定要配备一块专用的感光板。发光二极管发出的一部分光照射到下面的感光板上反射回来被光敏三极管吸收，另一部分光被感光板吸收而无法反射，从而形成了高低电平交错的脉冲信号。

鼠标最常用的接口有串行口、专用鼠标器端口（PS/2）和USB接口3种。对鼠标的操作可分为左击、右击、双击及拖动，这4种不同的操作可以实现不同的功能。

（3）扫描仪。扫描仪（Scanner）是计算机用于输入图形和图像的专用设备，如图2-21所示。利用它可以迅速地将图形、图像、照片、文本输入到计算机中。

扫描仪内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信息转换成计算机图像数据，并传送给计算机，再由计算机进行图像处理、编辑、存储、打印输出或传送给其他设备。

目前，使用最普遍的是由线性CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合器件）阵列组成的电子式扫描仪，其扫描原理为：当它扫描图像时（一次只能扫描一行），光线从物体上反射回来，通过透镜射进CCD，CCD将光线转换成模拟电压信号，并且标出每个像素的灰度级，再由ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）将模拟电压信号转换为数字信号，每种颜色使用8、10或12位来表示，扫描后，通过Twain（扫描图像专用格式）格式来保存。

图2-20　机械式鼠标与光电式鼠标的内部结构

图2-21　扫描仪

扫描仪的主要技术指标有分辨率、灰度层次、扫描速度等。

2．输出设备

（1）显示器。微机的显示系统由显示器、显示卡和相应的驱动软件组成。

显示器是微机必不可少的输出设备，其作用是将主机输出的电信号通过一系列处理后转换成光信号，并最终将文字、图形显示出来。用户通过它可以查看微机的各种程序、数据、图形等信息及经过计算机处理后的中间结果和最后结果。显示器是一种实时显示设备，屏幕上的内容随电信号的不同可以快速改变，但一旦断电，显示的内容将全部消失。

① 显示器的主要类型。显示器按显示器件的不同，主要可分为阴极射线管显示器（Cathode Ray Tube，CRT）、液晶显示器（Liquid Crytal Disaplay，LCD）、发光二极管显示器（Light Emitting Diode，LED）和有机发光二极管显示器（Organic Light Emitting Diode，OLED）。

• CRT显示器。CRT显示技术已有100多年的发展历史，其制造成本低、价格便宜、显示品质较好，如图2-22所示。一个典型的光栅扫描式CRT主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、荧光粉层和玻璃外壳部分组成，如图2-23所示。当显示器加电后，在电子枪和荧光粉层之间形成一个电势差为10 000～30 000 V的直流加速电场，当电子枪射出的电子束经过聚焦和加速后，在偏转线圈产生的磁场的作用下，按用户所需要的方向偏转，然后通过荫罩上的小孔射在荧光粉层上，经过高压加速后电子束所携带的动能的一部分便转化成光能，形成可见光。电子束先从左到右，再从上到下，反复进行快速的水平扫描和垂直扫描（每秒超过几十遍），由于荧光粉的余晖和人眼的视觉暂留效应，用户就会感觉到在屏幕上形成了一幅幅的图像。

图2-22　CRT阴极射线管显示器　　　　　

图2-23　CRT与LCD 内部器件及结构对比

CRT显示器由于功耗高、体积大、重量重等缺点，现已基本退出市场。

• LCD显示器。LCD采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示，是目前最好的彩色显示设备之一，也是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备，如图2-24所示。LCD显示器不仅具有厚度薄、重量轻、耗电低等特点，同时还具有CRT显示器不具备的无闪烁、低辐射、几乎无颜色失真的特点。
• LED显示器。液晶本身并不发光，需要另外的光源发亮。传统的液晶显示器使用CCFL（冷阴极荧光灯管）作为背光源，而现在可以用LED（发光二极管）作为背光源，于是有了LED显示器，它用LED光源替代了传统的荧光灯管，画面更优质，寿命更长，制作工艺更环保，并且能使液晶显示面板更薄。

值得一提的是，目前市面上所谓的LED显示器实际上都是LED背光源液晶显示器，是指背光用LED（LED灯泡组成发光矩阵），面板仍是LCD，从本质上看，仍属于LCD显示器的一种，如图2-25所示。

图2-24　LCD液晶显示器

图2-25　LED背光源液晶显示器

严格意义上的LED显示器，是指完全采用LED（发光二极管）作为显像器件的显示器。我们经常见到的广场广告牌等，就是一种LED点阵显示屏，它已经完全摆脱了液晶的存在，是一种全新意义上的自发光显示屏幕。相对于液晶而言，它具有很多优势。

• OLED显示器。OLED被公认为LCD的继任者，也被认为是下一代显示技术的最佳方案。OLED有别于LCD显示技术的最大优点可归纳为OLED具有像素点自发光的特性。OLED由于自发光、每个像素独立照明的特性。画质效果更加出众；而且，OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能，是严格意义上的LED显示器。此外，OLED通过配合不同的基板材质可实现弯曲甚至折叠显示效果，如图2-26所示。OLED的可塑性和能耗优势，正在智能手机、可穿戴设备和物联网领域慢慢凸显。

图2-26　采用OLED的曲屏概念手机

② 显示器的主要性能指标。

• 屏幕尺寸与可视面积。屏幕尺寸是指显示屏的对角线长度，一般以英寸为单位（1 英寸= 2.54 cm），常见的LCD显示屏有14英寸、15英寸、17英寸、19英寸、21英寸等。可视面积是指显示屏实际可以显示图像的最大范围，用长与高的乘积来表示，但通常人们也用屏幕可见部分的对角线长度来表示。CRT的可视面积都会小于屏幕尺寸，如17英寸的CRT显示器的可视区域大多在15～16英寸。LCD显示器的可视面积与它的屏幕尺寸基本相同，也就是说，一个15.1英寸的LCD显示器的实际可视尺寸也基本是15.1英寸。这也是为什么一台15英寸的LCD显示器与一台17英寸的CTR显示器看上去差不多的原因。
• 像素、点间距和分辨率。显示器所显示的图形和文字是由许许多多的“点”组成的，我们称这些点为像素。像素是组成图像的最基本的单元要素。

点间距是指屏幕上相邻两个像素点之间的距离，是决定图像清晰度（也称细腻度）的重要因素，如图2-27所示。点间距越小，图像越清晰，细节越清楚，成本越高。显示器常见的点间距有0.21 mm、0.28 mm和0.31 mm几种，0.21 mm点间距通常用于高档的显示器。目前，市场上最常用的是0.28 mm点间距的显示器，这对于用户平常的工作和娱乐来说，已经足够了。

图2-27　点间距对图像细腻度的影响

分辨率是指屏幕上每行有多少像素点、每列有多少像素点，一般用矩阵行列式来表示，其中每个像素点都能被计算机单独访问。例如，14英寸的液晶显示屏的最佳分辨率为1 024×768，即该液晶显示板在水平方向上有1 024个像素，垂直方向上有768个像素。分辨率越高，屏幕可以显示的内容越丰富、图像越清晰。LCD的分辨率与CRT不同，一般不能任意调整，它是制造商所设置和规定的，现在LCD的分辨率一般是800×600的SVGA显示模式和1 024×768的XGA显示模式。

• 对比度。对比度是指在规定的照明条件和观察条件下，图像最亮的白色区域与次暗的黑色区域之间的比值。对比度直接体现了显示器能否展现丰富色阶的参数，对比度越高，还原的画面层次感就越好。在CRT 显示器中，对比度对其性能的影响并不引起人们的重视；但在液晶显示器中，对比度却是衡量显示器好坏的主要参数之一。
• 可视角度。可视角度是指站在始于屏幕法线（显示器正中间的假想线）的某个角度的位置时仍可清晰地看见屏幕图像所构成的最大角度，可视角越大越好。例如，当我们说可视角是80°左右时，表示站在始于屏幕法线80°的位置时仍可清晰地看见屏幕图像。

可视角度小是LCD天生的缺陷，如图2-28所示，因此这个在CRT中不值一提的指标在选购LCD时便被提到了相当重要的位置上来。一般来说，液晶显示器的水平视角在100°以上，垂直视角在80°以上即可满足要求。

• 亮度。人眼可以分辨约250个亮度级别，LCD的亮度由背光灯所决定，普遍高于传统的CRT。亮度越高，显示器对周围环境的抗干扰能力就越强，显示效果就显得更明亮。目前，主流的LCD显示器大多能达到250:1这一标准。
• 响应时间。响应时间是指LCD显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶体由暗转亮或者是由亮转暗的反应时间。CRT显示器的响应时间一般少于1 ns（纳秒），可忽略不计；而在液晶显示器中，响应时间却是衡量其好坏的主要参数之一，它决定着LCD显示画面的流畅程度。LCD的响应时间越短，就代表各像素点对输入信号反应的速度越快，它在每秒钟能显示的画面也就越多。我们平常看到的电影，每秒钟显示24幅画面，这时我们已经无法察觉画面的延迟，而会感觉很流畅。但是，在进行一些高速度游戏的时候，响应时间过慢的LCD显示器会出现图像拖影现象。目前，市场上主流LCD的响应时间为5 ms（毫秒）。

（2）显示卡。

① 显示卡的基本结构。显示卡是显示器与主机通信的控制电路和接口，如图2-29所示，其核心是图形处理芯片，在它周围是显示内存和BIOS芯片等。当CPU有运算结果或图形要显示的时候，它首先将其传送给显示卡，由显示卡的图形处理芯片把它们翻译成显示器能识别的数据格式，并通过显示卡后面的一个15芯VGA接口和显示电缆传给显示器。不同的显示器需要不同的显示卡。常见的显示标准有MDA、CGA、EGA、HGA、MCGA、VGA、SVGA、TVGA、AGP等。

图2-28　LCD做可视角度测试的效果对比图

图2-29　显示卡的基本结构

② 显示卡的颜色。显卡的颜色有16色、256色、增强色（16位）和真彩色（24位）。一般微机出厂时都预置为16位色，即同时能显示2¹⁶=65 536种颜色，而真彩色24位模式则可同时显示2²⁴≈1 670万种颜色，这基本涵盖了人眼所能识别的所有颜色，用户可根据自身需要进行相应的调整。

（3）打印机。打印机是计算机系统的标准输出设备之一，用来打印程序结果、图形和文字资料等。

打印机的种类很多，按打印方式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、喷墨等物理、化学方法来印刷字符和图形，打印质量较高。按打印机的工作原理则可将其分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机，如图2-30所示。

① 针式打印机。针式打印机由走纸装置、控制和存储电路、打印头、色带等组成。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发出信号，驱动一部分打印针打击色带，使色带接触打印纸进行着色，便打印出字符。

图2-30　各种类型的打印机

针式打印机的优点是结构简单、耗材省、维护费用低、可打印多层介质（如银行等需打印多联单据）；缺点是噪声大、分辨率低、体积较大、速度慢、打印针易折断以及需经常更换色带等。针式打印机按针数可分为9针和24针两种，打印速度一般为50～200个汉字/秒。该类打印机按宽度可分为窄行（80列）和宽行（132列）两种。目前，在我国使用最广泛的是带汉字字库的24针打印机。

② 喷墨打印机。喷墨打印机不用色带，而是把墨水储存于可更换的盒子中，通过毛细管将墨水直接喷到纸上。喷墨打印机的打印质量较高、噪声小、速度快、色彩效果好，常用于家用。

喷墨打印机按喷墨形式可分为液态喷墨打印机和固态喷墨打印机两种。液态喷墨打印机是使墨水通过细喷嘴，在强电场作用下以高速墨水束喷出在纸上形成文字和图像；固态喷墨打印机使用的墨在常温下是固态，打印时墨被加热液化，之后喷射到纸上，并渗透其中，附着性好，色彩鲜亮，但价格昂贵。

③ 激光打印机。激光打印机是利用电子成像技术进行打印。它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吸附在表面并逐渐显影，然后转印到纸上。激光打印机的打印质量高、速度快、噪声低。

除以上3种打印机之外，还有热蜡式、热升华式、染料扩散式打印机。这些打印机输出质量好，但成本高、速度慢，主要用于出版、制作精美画册、广告和美工等有高档彩色输出要求的任务。

小　　结

（1）计算机体系结构可以分为冯·诺依曼结构和哈佛结构。冯·诺依曼结构简单、易实现、成本低，但效率偏低。哈佛结构效率高但复杂，并且对外围设备的连接与处理要求也很高，十分不适合于外围存储器的扩展。因而，目前绝大部分计算机仍采用冯·诺依曼结构。

（2）计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件是组成微型机的所有实体部件，是计算机进行工作的物质基础。软件是建立在硬件基础之上的所有程序和文档的集合。

（3）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五大基本部分组成。运算器用来实现算术、逻辑等运算；控制器用来实现对整个运算过程的有规律的控制；存储器用来存放程序及参与运算的各种数据；输入设备用来输入程序和原始数据；输出设备用来输出运算的结果。

（4）主板是位于主机箱内的一块大型多层印制电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，是微机最基本、最重要的部件之一。如果把CPU比作微机的心脏，那么主板就是躯干。

（5）CPU采用超大规模集成电路工艺，其功能是执行算术和逻辑运算，并控制整个计算机自动、协调地完成各种操作，它是整个微机系统的灵魂与核心。CPU的主要性能指标包括核心数、字长、频率（主频、外频和倍频）、高速缓存容量、扩展指令集、工作电压和制作工艺等。

（6）在微机系统中，存储系统通常采用三级层次结构，主要由高速缓冲存储器（Cache）、主存储器和辅助存储器组成。主存储器又称内存储器，又可分为ROM和RAM两大类；Cache是一个读写速度比内存更快的存储器，主要用于存放当前内存中使用频率最高的程序块或数据块，并以接近CPU工作速度的方式向CPU提供数据，以提高整个系统的性能；而外存储器通常用来存储大量的、需要持久化存储的数据。

（7）硬盘的主要性能指标有容量大小、主轴转速、平均寻道时间、高速缓存、数据传输率等。

（8）总线是CPU与外围设备之间传输信息的一组信号线。微机中的总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。接口（Port）是主机与和外部设备之间信息交换的桥梁，主要用于连接输入/输入设备。计算机中常用的总线与接口的标准有ISA、EISA、PCI、AGP、RS-232-C、IEEE 488、USB等。

（9）计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，输出设备有显示器、显示卡、打印机等。

习　题　2

一、单项选择题

1．组成微型计算机主机的两个主要部件是微处理器和（　　）。

　　A．硬盘　　B．软盘　　C．光盘　　D．内存储器

2．如果计算机突然断电，则下面（　　）中的信息会全部丢失，即使再通电它们也无法恢复。

　　A．ROM　　B．PROM　　C．RAM　　D．Flash

3．ALU完成算术运算和 （　　）。

　　A．二进制计算　　B．逻辑运算　　C．奇偶校验　　D．存储数据

4．微型计算机中的Cache多是一种 （　　）。

　　A．静态只读存储器　　B．静态随机存储器　　C．动态只读存储器　　D．动态随机存储器

5．一张软盘格式化为双面50磁道、10扇区/道、512字节/扇区，则其总容量为（　　）。

　　A．256 000字节　　B．512 000字节　　C．2 048 000字节　　D．128 000字节

6．在数字摄像头中，50万像素相当于分辨率 （　　）。

　　A．640×480　　B．800×600　　C．1 024×768　　D．1 600×1 200

7．下列有关存储器读/写速度的排列，正确的是 （　　）。

　　A．RAM>Cache>硬盘>软盘　　B．Cache>RAM>硬盘>软盘

　　C．Cache>硬盘>RAM>软盘　　D．RAM>硬盘>软盘>Cache

8．关于存储器的叙述，正确的是 （　　）。

　　A．存储器是随机存储器和只读存储器的总称

　　B．存储器是一种输入设备

　　C．在计算机断电时，随机存储器中的数据不会丢失

　　D．内存储器在存取数据时比外存储器快

9．以下CPU的性能指标中（　　），越小越好。

　　A．字长　　B．制程工艺　　C．内核数　　D．主频

10．关于CPU主频的叙述，错误的是 （　　）。

　　A．主频就是CPU运行的速度

　　B．主频是CPU性能表现的一个主要方面，但不能代表CPU的整体性能

　　C．提高CPU主频一直是CPU发展的主动力之一

　　D．CPU主频的高低不会直接影响CPU的运算能力

11．指挥和控制计算机各部分自动、连续、协调一致地运行的部件是（　　）。

　　A．存储器　　B．运算器　　C．控制器　　D．存储器

12．关于Cache的叙述，正确的是 （　　）。

　　A．Cache用来缓解CPU与内存之间的速度瓶颈

　　B．Cache是计算中读写速度最快的半导体存储器，与CPU的运行速度一样快

　　C．为保证高命中率，Cache的容量往往非常大，与内存容量相当　　

　　D．Cache用来抵消CPU与内存之间的速度瓶颈

13．下列存储器中，（　　）是顺序存取的存储媒体。

　　A．软盘　　B．硬盘　　C．光盘 　　D．磁带

14．显示器最重要的指标是 （　　）。

　　A．屏幕大小　　B．分辨率　　C．显示速度 　　D．制造商

15．地址总线是（　　）在微机各部分之间传送的线路。

　　A．数据信号　　B．控制信号　　C．CPU应答信号　　D．寻址信号

二、填空题

1．微机的运算器、控制器、内存储器构成计算机的　　　　部分。

2．冯·诺依曼计算机的两大特征是　　　　与　　　　。

3．某台型号规格为CORE i5/3.5 GHz的微型机，其中3.5 GHz表示该机的　　　　。

4．运算器的主要功能是　　　　运算和　　　　运算。

5．在计算机内存中，每个基本存储单元都被赋予一个唯一的序号，即为　　　　。

6．指令由　　　　和操作数地址两部分组成。　

7．为缓解CPU和主存的速度匹配问题，可采用　　　　技术。

8．在计算机数据处理过程中，CPU直接和　　　　交换信息。

9．磁盘的每一面都划分成很多的同心圆，称为　　　　。

10．计算机的3类系统总线分别是　　　　、　　　　和　　　　。

三、简答题

1．计算机的基本组成结构包括几个部分？请画出示意图，并简述各个部分的功能。

2．构成一台计算机的主要硬件有哪些？

3．什么是主板？主板的作用是什么？

4．简述CPU的两个基本部件的基本功能。

5．简述存储器的功能和分类。

6．简述内存和Cache的区别。

7．什么是辅助存储器？目前常用的辅助存储器有哪几种？简述它们各自的工作原理和特点。

8．列举常见的输入设备和输出设备，并简述它们的功能和特点。

9．指出下列与计算机有关的英文术语的含义：CPU、ALU、RAM、ROM、PROM、EPROM、DRAM、SDRAM、DDR、CD-ROM、BIOS、Cache

10．如果某人要购买一台台式计算机，请根据所学知识，从系统各个必备硬件的选型和常用软件的安装等方面给予详细的指导意见。