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1、5. 计算机的组成及硬件简介在日常生活和科学实验中，我们会遇到各种电子仪器设备。所有的电子仪器设备都是由 上述电子元器件构成的。为了让大家对电子元器件与仪器设备的构成有一个基本的了解，我 们以日常生活中使用最广的台式计算机为例，进行整机的撤装实验。期望通过这一实践过程 让大家更进一步地理解台式计算机中电子元器件的各种功能，并对计算机的硬件构成有一个 粗浅地了解。计算机硬件（Computer Hardware）是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成 的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机的整体为计算机软件 运行提供物质基础。计算机硬件的功能是输入并存储程序、数据，以
2、及执行程序，把数据加 工成可以利用的形式。从外观上看, 微机由主机箱和外部设备组成，主机箱内主要包括 CPU、 内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备包括鼠标、 键盘、显示器、音箱等，这些设备通过接口和连接线与主机相连。运算器 运算器是对数据进行加工处理的部件，它在控制器的作用下与内存交换数据， 负责进行各类基本的算术运算、逻辑运算和其它操作。在运算器中含有暂时存放数据或结果 的寄存器。运算器由算术逻辑单元（Arthmetic Logic Unit ,ALU）、累加器、状态寄存器和通 用寄存器等组成。 ALU 是用于完成加、减、乘、除等算术运算、与、或、非等逻
3、辑运算以 及移位求补等操作的部件。控制器 控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时 间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地进行工作，一步一 步地完成各种操作。控制器是整个计算机系统的指挥中心，负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序 地、有目的地向各个部件发出控制信号，使计算机的各个部件协调一致地工作。控制器由指 令指针寄存器、指令寄存器、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。存储器 存储器是计算机记忆和暂存数据的部件。计算机中的全部信息，包括原始的输 入数据。经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且指 挥计算机
4、运行的各种程序，即规定对输入数据进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器 中。存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种。输入设备 输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的 信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。现行的输入 设备包括键盘、鼠标等。输出设备 输出设备是输出计算机处理结果的设备。它将这些结果转换成便于人们识别的形式。现行的输出设备包括打印机、显示器、自动绘图机等。中央处理器 硬件系统的核心是中央处理器（Central Processing Unit简称CPU）。它主 要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制
5、成的芯片，又称微处理器芯片。CPU是任何计算机系统中必备的核心部件。CPU分别由运算电路和控制电路实现。图 5.1给出了 CPU外形照片及其在主机板上的位置。寄存器 寄存器也是CPU的一个重要组成部分，是CPU内部的临时存储单元。寄存器 既可以存放数据和地址，又可以存放控制信息或CPU工作的状态信息。CPU品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次。反映CPU品质的最重要指标是主 频和数据传送的位数。主频说明了 CPU的工作速度，主频越高，CPU的运行速度越快。常 用的 CPU 主频有 1.5GHZ、2.0GHZ、2.4GHZ 等。CPU 传送数据的位数是指计算机在同一时间能同时并行传送的二进制
6、信息数。常说的 16位机、32位机和64位机，是指该计算机中的CPU可以同时处理16位、32位和64位的 二进制数据。286机是16位机，386机是32位机、486机是32位机，Pentium机是64位机。 随着型号的不断更新，微机的性能也不断提高。内存 存储器按功能可以分为主存和辅存。主存是相对存取速度快而容量小的一类存储 器，辅存则是相对存取速度慢而容量很大的一类存储器。主存也称内存，内存直接与 CPU 相连接，是计算机中主要的工作存储器，当前运行的程序与数据存放在内存中。现代的内存 多半是半导体存储器，采用大规模集成电路或超大规模集成电路器件。内存按其工作方式的 不同，可以分为随机存取存
7、储器（简称RAM）和只读存储器（简称ROM。随机存取存储器允许随机地按任意指定地址向内存单元存入或从该单元取出信息 , 对 任一地址的存取时间都是相同的。由于信息是通过电信号写入存储器的，所以断电时RAM 中的信息就会消失。计算机工作时使用的程序和数据等都存储在RAM中，如果对程序和数 据进行了修改后，应该将它存储到外存储器中，否则关机后信息将丢失。通常所说的内存大 小就是指RAM的大小，一般以MB或GB为单位。外存PC机常用的外存是软盘和硬盘，现在还有光盘、U盘、移动硬盘的使用也越来越 普及。硬盘 从数据存储原理和存储格式上看，硬盘与软盘完全相同。但是硬盘的磁性材料是 涂在金属、陶瓷或玻璃制
8、成的硬盘基片上的，而软盘的基片是塑料的。硬盘的转速和容量会 影响读写速度和系统运行速度，所以好的软盘便更有耐久性。硬盘相对软盘来说，主要是存 储空间比较大，有的硬盘容量已达到2TB以上。硬盘大多由多个盘片组成，此时除了每个 盘片要分为若干个磁道和扇区以外，多个盘片表面的相应磁道将在空间上形成多个同心圆柱 面。图5.2 (a)给出了用得较多的希捷台式机硬盘的照片。光盘光盘是利用激光原理进行读、写的设备，是迅速发展的一种辅助存储器，可以存 放各种文字、声音、图形、图像和动画等多媒体数字信息。图5.2(b)给出了光盘的外形图。CD (Compact Disc)即高密度光盘，是近代发展起来不同于完全磁
9、性载体的光学存储 介质(例如：磁光盘也是光盘)，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信 息，又称激光光盘。要了解光盘的制造原理，首先就要了解光盘的结构，其结构同制造过程密切相关。大家 知道，光盘只是一个统称，它分成两类，一类是只读型光盘，其中包括CD-Audio、CD-Video、 CD-ROM、DVD-Audio、DVD-Video DVD-ROM 等；另一类是可记录型光盘,它包括 CD-R CD-RW、DVD-R、DVD+R、DVD+RW、DVD-RAM、Double layer DVD+R等各种类型。CD-ROM是光盘只读存储器，一种能够存储大量数据的外部存储媒体，一张压缩光
10、盘 的直径大约是4.5英寸，厚1/8英寸，能容纳约660兆字节的数据。所有的CD-ROM盘都是 用一张母盘压制而成，然后封装到聚碳酸酯的保护外壳里。记录在母盘上的数据呈螺旋状， 由中心向外散开，磁盘表面有许多微小的坑，那就是记录的数字信息。读CD-ROM上的数 据时，是利用激光束扫描光盘，根据激光在小坑上的反射变化得到数字(0或1)信息。盘 中的信息存储在螺旋形光道中。CD-ROM驱动器的速率以“X倍速”表示，其速率的标准有2倍速，4倍速，8倍速等， 目前可达到50倍速。随着技术的发展，已出现了数字多功能磁盘(DVD)，它的存储容量 更大，现已达到9.4千兆字节，还有更高的，而且图像清晰度更好
11、，高保真效果也更好。CD-ROM为计算机所使用的光盘规格，其读取光盘片的设备就称为光驱(CD-ROM)， 储存在光盘片上的数据是以雷射光读取的，而非磁性方式读取，所以光盘的保存可长达数十 年。计算机所使用的光盘片格式与普通家中雷射唱盘所播放的音乐光盘（CD）格式相同，一 片光盘片的数据容量高达650MB （74 min）,但光盘片只能读取数据，而不能写入数据（如 果有CD-R可烧录式光驱及CD-R空白片加上烧写软件，则可以在光盘片上写入数据）。目 前大多数的计算机都将CD-ROM列为标准配备，而CD-ROM的转速从1倍、2倍.24 倍、32倍，到现今最快的40倍，速度的世代交替非常快，另计算机
12、系统所使用的光盘片 也称为CD-Title。用于计算机系统的光盘有三类：只读光盘（CD-ROM）、一次写入光盘（CD-R）和可擦 写光盘（CD-RW）。CD-ROM光盘由碳酸脂旨做成，中心带有直径15mm的孔洞。在盘基上浇铸了一个螺旋 状的物理磁道，从光盘的内部一直螺旋到最外圈，磁道内部排列着一个个蚀刻的凹陷”，由 这些“凹坑”和“平地”构成了存储的数据信息。由于读光盘的激光会穿过塑料层，因此需要在 其上面覆盖一层金属反射层（通常为铝合金）使它可以反射光，然后再在铝合金层上覆盖一 层丙烯酸的保护层。需要注意的是CD-ROM光盘的表面变脏和划伤时都会降低其可读性。尽管光盘是从下 方读取的，尽量避
13、免使用圆珠笔之类的硬制笔在光盘正面写字，容易划伤保护层下的数据层。CD-R是一种一次写入、永久读的标准。CD-R光盘写入数据后，该光盘就不能再刻写 了。刻录得到的光盘可以在CD-DA或CD-ROM驱动器上读取。CD-R与CD-ROM的工作 原理相同，都是通过激光照射到盘片上的“凹陷”和“平地”其反射光的变化来读取的；不同之 处在于CD-ROM的“凹陷”是印制的，而CD-R是由刻录机烧制而成。CD-RW是可擦写光盘。盘片由于采用了相变技术，它的激光反射率比一般的CD盘片 要低很多。但是随着MultiRead技术的出现，这个问题很快得到了解决，如今采用MultiRead 技术已经成为CD -ROM
14、光驱的必备手段。凡是采用了 MultiRead技术的光驱都可以读出 CD-RW盘片。光驱 光驱（见图5.3）是电脑用来读写光碟内容的一种驱动设备，也是台式机和笔记 本电脑里比较常见的一个部件。随着多媒体的应用越来越广泛，使得光驱成为计算机的标准 配置。目前，光驱可分为CD-ROM驱动器、DVD光驱（DVD-ROM）、康宝（COMBO）和刻录 机等。图5. 3光驱外形DVD-ROM是用来读取DVD盘上数据的设备，从外形上看和CD驱动器一样。DVD 驱动器完全兼容现在流行的VCD、CD-ROM、CD-R、CD-AUDIO等格式，而普通CD-ROM 驱动器无法读取DVD格式的光盘0 DVD-ROM采
15、用了 0.74 Rm道宽和0.41 Rm/位高密度记 录线等新技术，单面单层容量为4.7G，单面双层DVD为9.4G，而双面双层可以达到17G 的海量存储。DVD-R为一次写入式影音光盘，DVD-RW为可重复写入式数字影音光盘。键盘 键盘（见图 5.4）是最常用的输入设备，它是由一组开关矩阵组成，包括数字键 字母键、符号键、功能键及控制键等。每一个按键在计算机中都有它的惟一代码。当按下某 个键时，键盘接口将该键的二进制代码送入计算机主机中，并将按键字符显示在显示器上 当快速大量输入字符，主机来不及处理时，先将这些字符的代码送往内存的键盘缓冲区，然 后再从该缓冲区中取出进行分析处理。键盘接口电路
16、多采用单片微处理器，由它控制整个键 盘的工作，如对键盘的自检、键盘扫描、按键代码的产生、发送与主机的通讯等。TTI閤足4 键盘鼠标器鼠标器（Mouse）是一种手持式屏幕坐标定位设备,它是适应菜单操作的软件和 图形处理环境而出现的一种输入设备,特别是在现今流行的 Windows 图形操作系统环境下, 应用鼠标方便快捷.常用的鼠标器有两种,一种是机械式的，另一种是光电式的。机械式鼠标器鼠标器的底座上装有一个可以滚动的金属球，当鼠标器在桌面上滚动时 金属球与桌面摩擦，发生滚动。金属球与四个方向的电位器接触，可以测量出上下左右四个 方向的位移量，用以控制屏幕上光标的移动。光标和鼠标器的移动方向是一致的。而且移动 的距离成比例。光电式鼠标器的底部装有两个平行放置的小光源。这种鼠标器在反射板上移动，光源发 出的光经过反
