1.2.3　计算机硬件组成

硬件系统是计算机的物质基础，没有硬件就不能称之为计算机。下面就来详细看一下计算机的硬件组成。

1.中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit，CPU），包括运算器和控制器两大部件，是计算机的核心部件。CPU是一小块集成电路，如图1-7所示。目前世界上生产微机CPU的厂家主要有Intel（英特尔）和AMD（超威）两家公司。

CPU的性能指标直接决定微型计算机的性能指标，CPU的性能指标主要包括主频、字长、高速缓存、制造工艺等。

（1）主频

主频是指CPU的时钟频率，单位是MHz（或GHz），表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度，是微型计算机性能的一个重要指标。主频越高，CPU在一个时钟周期里所能完成的指令数就越多，CPU的运算速度也就越快。

（2）字长

计算机系统中，CPU在单位时间内能处理的二进制数的位数叫字长。如果一个CPU单位时间内能处理字长为64位数据，通常称这个CPU为64位CPU。

（3）高速缓存

封闭在CPU芯片内部的高速缓冲存储器，是一种速度比内存更快的存储器，用于暂时存储CPU运算时产生的部分指令和数据，相当于内存和CPU之间的缓冲区，实现内存和CPU的速度匹配。

2.存储器

存储器是指存储程序和数据的部件。它分为内存储器（简称内存或主存）和外存储器（简称外存或辅存）两类。

（1）内存

内存是计算机各种信息存放和交换的中心，是主板上的存储部件，用来存储当前运行的程序和数据。内存以字节（8位二进制）为存储单元，一个存储器包含若干存储单元，每个存储单元有一个唯一的编号，称为单元的地址。CPU根据存储单元地址从内存中读出数据或向内存写入数据。内存容量就是所有存储单元的总数，以字节为基本单位。较之于外存，内存容量小，存取速度快。

按存取方式，内存可分为只读存储器（Read Only Memory，ROM）和随机存储器（Random Access Memory，RAM）。

ROM的特点是只能从中读出信息，不能随意写入信息，是一个永久性存储器，断电后信息不会丢失。ROM主要用来存放固定不变的程序和数据，如机器的开机自检程序、初始化程序、基本输入/输出设备的驱动程序等。

RAM随着计算机的启动，可以随时存取信息，特点是断电后信息会丢失。通常，微型计算机的内存容量配置就是指RAM，它是计算机性能的一个重要指标。目前，一般内存选配容量在2～8GB之间。内存插在主板的存储器插槽上，其外观如图1-8所示。

由于RAM的读/写速度比CPU慢得多，当RAM直接与CPU交换数据时，会出现速度不匹配，所以现在的计算机系统在内存和CPU间配有高速缓冲存储器（Cache）。

（2）外存

外存的特点是存储容量大，信息能永久保存，但相对于内存其存储速度慢。目前，常用的外存有硬盘、光盘和可移动外存。

①硬盘存储器（Hard Disk Driver，HDD）简称硬盘，是微机的主要外存设备，由磁盘片、读/写控制电路和驱动机构组成，用于存放计算机操作系统、各种应用程序和数据文件。硬盘大部分组件都密封在一个金属外壳内，如图1-9所示。

一个硬盘内部有多个盘片，这些盘片安装在一个同心轴上，每一个盘片都有两个盘面，一般每个盘面都可以存储数据。每个盘面被划分为磁道和扇区，其中磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹称为磁道；所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称为柱面；将每个磁道分成若干弧段，每个弧段称为一个扇区。硬盘的容量和这几个概念是分不开的。

硬盘容量=磁头数×柱面数×每柱面扇区数×每扇区字节数

硬盘作为主要的存储设备，通过硬盘接口连接到计算机的主板。常见的硬盘接口有ATA（Advanced Technology Attachment）、SATA（Serial ATA）和SCSI（Small Computer System Interface）。ATA和SATA接口的硬盘主要用在个人计算机上，SCSI接口的硬盘主要应用在中、高端服务器上。

②光盘全称为高密度光盘（Compact Disk，CD），是以光信息作为存储信息的载体，是一种广泛使用的外存。光盘按读/写限制分为只读光盘、只写一次光盘和可擦写光盘，前两种属于不可擦除的，如CD-ROM（Compact Disk-Read Only Memory）是只读光盘，CD-R（Compact Disk-Recordable）是只写一次光盘。

光驱又称光盘驱动器，用来读取光盘中的信息，通常操作系统及应用软件的安装需要依靠光驱完成。刻录机又称光盘刻录机，其外观与光驱相似，但除了具有光驱的全部功能外，还可以在光盘上写入或擦除数据。目前，DVD刻录机已成为市场主流。

③可移动外存：常见的可移动外存储设备有闪存卡、U盘和移动硬盘。

·闪存（Flash Memory）是一种新型半导体技术，具有低功耗、高可靠性、高存储密度、高读/写速度等特点，其种类繁多，有Compact Flash（CF）卡、索尼公司的Memory Stick（MS）和Scan Disk（SD）卡等。目前，基于闪存技术的闪存卡主要面向数码照相机、智能手机等产品，可通过读卡器读取闪存卡上的信息。

·U盘是一种新型非易失性半导体存储器，具有体积较小、便于携带、系统兼容性好等特点，目前容量通常在4～64 GB之间。另外，它采用标准的USB接口，支持即插即用。当前的计算机都配有USB接口，在Windows 7操作系统下，通过USB接口即插即用，使用非常方便。

·移动硬盘又称USB硬盘，是一种容量更大的移动存储设备，能在一定程度上满足需要经常传送大量数据的用户的需要，容量可达几百吉字节到几太字节。

3.输入设备

输入设备（Input Devices）是指将数据和信息输入到计算机中的设备，其作用是把数字、字符、图像、声音等形式的信息转换成计算机能识别的二进制代码。目前常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。

（1）键盘

键盘（Keyboard）是至今为止计算机系统最常用、最普通、也很重要的输入设备，如图1-10所示。键盘是计算机与用户之间交换信息的主要工具，主要用来输入字符信息。目前常见的键盘有104键，分为主键盘区、数字键区、功能键区和编辑键区。目前，键盘大多采用USB接口或无线方式与主机相连。

键盘上的字符是根据字符的使用频率确定的。一般将键盘一分为二，左右手分管两边，键位的基本键和键位的指法分布如图1-11（a）所示。键盘上的每一个键都是触发键，击键时不可用力太猛，触键后手指应迅速抬起。

图1-11（b）所示的八个键称为基本键，打字时双手应放在这八个基本键上。

①主键盘区：位于键盘的中部，包括下列键。

字符键包括英文字母键、数字键、特殊符号键等。这些键又分为单字符键和双字符键。当按某一单字符键时，可输入该键上的字符；当按某一双字符键时，输入该键的下挡字符，若按【Shift】键的同时按该键，可输入上挡字符。

【Shift】：上挡控制键，单独使用无意义。按住此键时，可输入双字符键的上挡字符。输入英文字母时，在小写状态下，按住此键，可输入大写英文字母；在大写状态下，按住此键，可输入小写英文字母。

【Caps Lock】：字母大写锁定键，按此键，对应的指示灯亮，输入的英文字母为大写形式；再按此键，对应的指示灯灭，输入的英文字母为小写形式。

【Ctrl】：控制键，单独使用无意义，与其他键配合使用。常用的一些组合键有【Ctrl+A】（全选）、【Ctrl+C】（复制所选项目）、【Ctrl+X】（剪切所选项目）、【Ctrl+V】（粘贴项目）。

【Alt】：转换键，与【Ctrl】键类似。常用的组合键有【Alt+Print Screen】（将当前活动程序窗口以图像方式复制到剪贴板）。

【Enter】：回车键，作为一段输入的结束，或者用于对输入内容的确认。

【Backspace】：退格键，按一次退格键将删除光标前面的一个字符。

【Tab】：制表键，在制作表格时用于定位。

②数字键区：也称小键盘区，位于键盘的右部。当输入大量的数字时，用右手在数字小键盘上输入可大大提高录入速度。按【Num Lock】键，对应指示灯亮，进入数字锁定状态，可直接输入数字。若指示灯不亮，输入内容为下挡编辑键内容。

③功能键区：位于键盘的最上面一排，包括下列键。

【Esc】：释放键，用于退出正在运行的程序。对于一般用户而言，【Esc】键并不常用，但是借助【Esc】键却能实现不少快捷操作。在不同的软件中【Esc】键的功能各不相同。

【F1】～【F12】：特殊功能键，其功能由系统或应用程序定义。

【Print Screen】：打印屏幕键，将屏幕上的内容复制到剪贴板上。

【Scroll Lock】：屏幕锁定键。

【Pause】：暂停键。

④编辑键区：位于主键盘区和数字键区之间，包括下列键。

【→】、【←】、【↑】、【↓】：光标移动键，控制光标按箭头方向移动一个字符或一行。

【Insert】：插入/改写转换键，每按一次，由插入状态改为改写状态，或由改写状态改为插入状态。

【Delete】：删除键，按此键将删除光标后面的一个字符。

【Home】：将光标移动到所在行的最左边。

【End】：将光标移动到所在行的最右边。

【Page Up】：用于翻页，把上一页的内容显示在屏幕上。

【Page Down】：用于翻页，把下一页的内容显示在屏幕上。

（2）鼠标

鼠标是增强键盘输入功能的重要设备，通常有两个按键和一个滚轮，利用它可以快捷、准确、直观地在屏幕上定位光标，适合菜单式命令的选择和图形界面的操作。对于屏幕上较远距离光标的移动，用鼠标远比键盘方便，它是多窗口环境下必不可少的输入工具。目前，鼠标大多采用USB接口或无线方式与主机相连，外观如图1-12所示。

鼠标分为机械鼠标和光电鼠标两大类，其中光电鼠标又可分为有线鼠标和无线鼠标。现在大多数高分辨率的鼠标都是光电鼠标，市面上的鼠标还有采用激光引擎、蓝影引擎和4G鼠标。激光鼠标适用于竞技游戏，微软蓝影鼠标除了拥有激光鼠标快速反应性能外，还兼备了光电鼠标强大兼容性的特点，4G鼠标具有更高分辨率，感应性更好。

机械鼠标虽然价格低廉，但容易磨损，不易保持清洁，已退出微机标准配置；光电鼠标定位准确，可靠耐用，而且随着技术的成熟价格越来越低，是目前微机的标准配置。

鼠标一般有左键、右键和滚轮，一般情况下，左键为鼠标的主键，右键为副键，滚轮多在有滚动条的窗口中使用。鼠标的基本操作包括指向、单击、右击、双击和拖动。

①指向：指移动鼠标，将鼠标指针移到操作对象上。

②单击：指快速按下并释放鼠标左键。单击一般用于选定一个操作对象。

③右击：指快速按下并释放鼠标右键。右击一般用于打开一个与操作相关的快捷菜单。

④双击：指连续两次快速按下并释放鼠标左键。双击一般用于打开窗口，启动应用程序。

⑤拖动：指按下鼠标左键，移动鼠标到指定位置，再释放按键的操作。拖动一般用于选择多个操作对象、复制或移动对象等，也可以用来拖动窗口等。

（3）其他输入设备

除了最常用的键盘、鼠标外，现在的其他输入设备已有很多种，如扫描仪、手写笔、条形码阅读器、摄像头、麦克风和数码照相机等，如图1-13所示。

①扫描仪是图像和文字的输入设备，可以直接将图形、图像、文本或照片等输入到计算机中。扫描仪的主要技术指标有分辨率（dpi，每英寸扫描所得的像素数）、灰度值或颜色值、扫描速度等。扫描仪通常采用USB接口，支持即插即用，使用非常方便。

②条形码阅读器是一种扫描条形码的装置，可以将不同宽度的黑白条纹转换成对应的编码输入到计算机中。许多自选商场和图书馆都用它来帮助管理商品和图书。

4.输出设备

输出设备（Output Devices）是指将主机内的信息转换成数字、文字、符号、图形、图像或声音等进行输出的设备，常用的输出设备有显示器、打印机和绘图仪等。

（1）显示器

显示器又称监视器，是计算机系统中最重要的输出设备之一。按其工作原理，显示器可分为阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PD）等。

显示器的主要技术指标包括以下几方面：

①屏幕尺寸：用屏幕对角线尺寸来度量，以英寸为单位，如19英寸、24英寸等。

②点距：显示器所显示的图像和文字都是由“点”组成的，即像素（Pixel）。点距就是屏幕上相邻两个像素点之间的距离，是决定图像清晰度的重要因素，点距越小，图像越清晰。

③分辨率：是显示器屏幕上每行和每列所能显示的像素点数，用“横向点数×纵向点数”表示，如1024×768像素、1920×1080像素等。

显示器通过显卡与主机相连。显卡又称显示适配器，它将CPU送来的影像数据处理成显示器可以接收的格式，再送到显示屏上形成影像。显示器和显卡构成了计算机系统的显示系统，其外观如图1-14所示。

（2）打印机

打印机也是计算机常用的输出设备，是指把文字或图形在纸上输出的计算机外围设备。目前，打印机主要通过USB接口与主机连接，其外观如图1-15所示。

根据打印方式，打印机可分为击打式打印机和非击打式打印机。击打式打印机主要是针式打印机，又称点阵打印机，其结构简单，打印的耗材费用低，特别是可以进行多层打印。目前，针式打印机主要应用在票据打印领域。

非击打式打印机常用的有激光打印机和喷墨打印机。这类打印机的优点是：分辨率高、无噪声、打印速度快，但价格比较贵。喷墨打印机还能打印大幅画，用彩色喷墨打印机可以打印彩色图形。

3D打印机是一种新型打印机，它是快速成形技术的一种机器，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印机可以应用到需要模型和原型的任何行业，如国防科工、医疗卫生、建筑设计、家电电子、配件饰品等。目前，受价格、原材料、行业标准等因素影响，其发展存在一定瓶颈。

5.总线结构

计算机硬件的主要部件并不是孤立存在的，它们在处理信息的过程中需要相互连接和传输。在计算机系统中各部件的连接是通过总线进行的。总线（Bus）是计算机系统各部件间信息传送的公共通道，常被比喻为“高速公路”，它包含了运算器、控制器、存储器和输入/输出设备之间信息传送所需要的全部信号；总线结构是微型计算机硬件结构的最重要特点。根据总线内所传送的信息性质将总线分为三类，如图1-16所示。

①地址总线（Address Bus）用来传送地址信息。地址总线采用统一编址方式实现CPU对内存或I/O设备的寻址，CPU能直接访问内存地址的范围取决于地址线的数目。

②数据总线（Data Bus）用来传送数据信息。数据信息可以由CPU传至内存或I/O设备，也可以由内存或I/O设备送至CPU。数据总线的位数是CPU一次可传输的数据量，它决定了CPU的类型与档次。

③控制总线（Control Bus）用来传输CPU、内存和I/O设备之间的控制信息，这些控制信息包括I/O接口的各种工作状态信息、I/O接口对CPU提出的中断请求、CPU对内存和I/O接口的读/写信息、访问信息及其他各种功能控制信息，是总线中功能最强、最复杂的总线。

根据连接设备的不同，总线又可以分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线位于CPU芯片内部，用于运算器、各寄存器、控制器和Cache之间的数据传输；系统总线是连接系统主板与扩展插槽的总线；外部总线则是用于连接系统与外围设备的总线。

6.主板

总线体现在硬件上就是计算机主板（Main Board），又称系统板（System Board）或母板（Mother Board），是计算机系统的重要硬件之一。其外观如图1-17所示。主板通常是矩形印制电路板，其上配有CPU、内存条、显卡、声卡、鼠标和键盘等各类插槽或接口，而光盘驱动器和硬盘驱动器则通过扁线与主板相连。主板安装在计算机机箱内，将计算机的各个部件紧密地联系在一起，是计算机稳定运行的重要保障之一。

主板上一般包括以下部件：

①CPU插座，不同的主板使用不同的中央处理器，中央处理器升级时，一般主板也要更换。

②存储器插槽，用来安装内存条，内存条的引脚必须和插槽的引线一致。

③主板芯片组，用来控制对存储器的访问和对外围设备的接口，主要包括北桥芯片、南桥芯片、BIOS芯片等三大芯片。

④系统总线和外部总线，实现CPU和各个部件的连接和通信。

⑤各种接口插槽用来接插各种接口卡，如视频卡、电视卡等。现在的主板连接外围接口板的插槽主要是PCI-E插槽，即支持PCI-E总线标准的插槽。

⑥各种外围设备的接口，如USB接口、并行接口等。

现在的主板集成度越来越高，声卡、网卡等一般都集成到主板上，芯片数目越来越少，故障率逐步降低，速度及稳定性也随之提高。