信息技术 第一册（五年制高职）教案 1.2.4 计算机硬件系统-文档

.2.4计算机硬件系统1.计算机基本结构计算机硬件系统由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大功能部件组成，它们之间的关系如图1所示。图1硬件系统组成原理图①控制器。控制器是计算机的指挥中心，主要包括指令寄存器、译码器、程序计数器、时序节拍发生器和操作控制器，其职责是从存储器中取出指令并译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，向其他部件发出控制信号；保证相关部件协调一致地工作。②运算器。运算器主要由算术逻辑单元（ALU）、累加器、数据缓冲寄存器、标志寄存器和控制线路组成，其主要功能是在控制器的控制下，与内存储器交换信息，并进行算术和逻辑运算。运算器和控制器构成了中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU），又叫微处理器或CPU芯片，它直接影响计算机的整体性能，因此被称为“计算机的心脏”。③存储器。存储器是计算机的记忆装置，主要用于保存数据和程序，分为内存储器和外存储器两种。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。④输入/输出设备。输入设备是重要的人机接口，用于接受用户输入的命令、程序、图像和视频等信息，负责将现实中的信息转换成计算机能识别的二进制代码，并放入内存中。输入设备一般由输入装置和输入接口电路两部分组成，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备可以将计算机处理后的二进制结果转换为人们能识别的形式，如数字、字符、图形、视频、声音等，并表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。微型计算机的硬件系统从外观上看，微机的基本硬件包括主机、显示器、键盘和鼠标。其中，主机包括微处理器、主板、硬盘、内存储器、电源以及插在主板I/O总线扩展槽上的各种功能扩展卡。（1）微处理器微处理器是利用超大规模集成电路技术，把计算机的CPU部件集成在一小块芯片上，从而形成独立的部件，如图2所示。微处理器是微机的核心，其性能决定了整个计算机的性能。微处理器包含运算器、控制器、寄存器、时钟发生器、内部总线和高速缓冲存储器等部件。目前，主流的CPU是Intel公司的Core（酷睿）i系列和AMD公司的AthlonII和PhenomII系列产品。随着CPU频率的不断提高和核心数量的增加，其耗电量和发热量也持续攀升，CPU的散热问题变得越来越重要，散热器已成为与CPU配套的重要配件。当前，PC机最常用的散热器采用风冷加热管散热方式。（2）主板主板又叫主机板或系统板，是一块提供了各种插槽和系统总线及扩展总线的电路板，如图3所示。主板一般包括控制芯片组、CPU接口插座、内存插槽、BIOS、CMOS、各种I/O接口、扩展插槽、键盘/鼠标接口、外存储器接口和电源插座等元器件。图2CPU 图3主板①芯片组。芯片组是主板的关键部件，用于控制和协调整个微机的运行和各部件的选型。当前比较典型的芯片组通常由北桥芯片和南桥芯片组成。北桥芯片主要提供对CPU、内存、PCI/AGP插槽部件的类型和性能的支持，并负责处理它们之间的桥接。南桥芯片主要负责鼠标接口、键盘接口、USB接口的数据流通。②CPU接口插座。CPU接口插座用于在主板上安装连接CPU的芯片。目前CPU插座主要有Socket和Slot两种标准。例如，奔腾4微处理器采用的就是Socket478插座。③内存插槽和内存条。内存插槽用于在主板上安装内存条。目前常见的内存插槽有SDRAM、DDR、DDR2和DDR3几种，SDRAM内存条有两个缺口，而DDR、DDR2和DDR3内存条只有一个。不同内存插槽的引脚、缺口、电压和性能都不尽相同，内存条不能安装在不同类型的内存插槽上。内存又称主存，是与CPU进行沟通的桥梁，其作用是暂时存放CPU中的运算数据以及与硬盘等外部存储器交换的数据。内存的性能指标有传输类型、主频、存储容量、可靠性等。另外，选购内存时最好选择名牌厂家的产品，如金士顿、现代、威刚等。④BIOS和CMOS。BIOS的全称是BasicInput/OutputSystem（基本输入/输出系统），是主板上的一块只读存储器，其中存放着与主板匹配的一组基本输入/输出系统程序。开机后，运行BIOS内的上电自检程序，就会对系统进行检测和初始化，然后通过BIOS中的自举程序将操作系统的引擎程序读入内存并运行，从而启动操作系统。系统运行过程中，BIOS是连通硬件和软件的枢纽，可以提供最低级、最直接的硬件控制和支持。CMOS是一种RAM芯片，其中存储了系统运行所必需的配置信息，如系统的存储器、CPU、磁盘驱动器等设备的参数，系统的日期和时间等。⑤总线扩展插槽。扩展插槽是CPU通过系统总线与外部设备连接的通道，上面可以插入显卡、声卡、网卡等各种扩展接口卡。主板上的扩展插槽类型一般有工业标准结构（ISA）、外围设备互连（PCI）、加速图形端口（AGP）和比较少见的Wi-Fi、VXB，以及笔记本电脑专用的PCMCIA等。⑥高速缓存。相对于CPU主频率的提升速度，内存存取速度的提升实在太慢。于是，计算机生产厂商提出了在CPU内部或主板的特殊位置配置高速缓存（Cache）的技术。高速缓存是一种基于集成芯片的存储技术，其存取速度高于普通的DDR内存，但价格较为昂贵。人们把封装在CPU内部的高速缓存称为内部高速缓存，可以分成Cache、L1Cache和L2Cache三个等级，安装在主板上的高速缓存被称为外部高速缓存。（3）总线总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，通过它实现计算机各部件之间的数据、地址和控制信息的传送。总线与微机各部件之间的关系如图4所示。图4总线结构示意图决定总线性能的主要技术指标包括：总线带宽，即单位时间内总线上的数据传送量，单位是MB/s；总线位宽，即总线能同时传送的二进制的位数，单位是bit；总线工作频率，单位是MHz，工作频率越高，总线工作速度越快，带宽越宽。上述三者之间的关系为：总线带宽=总线工作频率×总线位宽/8。可以从下列层次和角度对总线进行分类。按功能和规范划分：片总线、内总线和片外总线。按传输信息的类型划分：地址总线、数据总线和控制总线。按传送方式划分：并行总线、串行总线和USB总线。按连接部件的不同划分：内部总线和系统总线。（4）外存储器 外存储器简称外存或辅存，属于外部设备，是对内存的扩充。外存具有存储容量大、可以长期保存暂时不用的程序和数据、信息存储性价比高等特点。微机的外存储器主要有硬盘存储器、移动存储器和光盘存储器。①硬盘存储器。硬盘片、硬盘驱动器和适配卡组成硬盘存储器。其中，硬盘片和硬盘驱动器简称硬盘，是微机最主要的外部存储器，由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等组成。全球著名的硬盘品牌有希捷、西部数据、日立、东芝、三星等。根据硬盘存储介质的类型和数据存储方式，硬盘可以分为传统的温氏硬盘和新式的固态硬盘。根据硬盘的体积，可以分为1.8英寸硬盘、2.5英寸硬盘和3.5英寸硬盘。3.5英寸硬盘主要用于台式机，2.5英寸硬盘则用在笔记本电脑上，1.8英寸硬盘经常被用于MP4播放器等小型移动设备。存储容量是硬盘最主要的参数，一般以千兆字节（GB）为单位。硬盘厂家在标称硬盘容量时通常取1GB=1000MB，而且硬盘的分区和格式化也会占用一些空间。因此，操作系统中显示的硬盘容量和标称容量往往会存在差异。目前，主流硬盘的容量是320GB～1500GB，随着硬盘技术的发展，更大容量的硬盘还将不断推出。硬盘的另一个重要参数是转速，它是指硬盘盘片在一分钟内完成的最大转数，用RPM（转/每分钟）表示。转速在很大程度上直接影响着硬盘的速度，其快慢也是区分硬盘档次的重要标志之一。市场上台式硬盘的主流转速为7200RPM，服务器中使用的SCSI硬盘的转速为15000RPM。硬盘的基本参数还包括平均访问时间、传输速率和缓存等。固态硬盘是近几年新兴起的设备，它主要以Flash闪存芯片实现数据的永久存储。其最大优势是存取数据比普通温氏硬盘快，但每GB数据的存储代价远远高于后者。由于固态硬盘所采用的闪存材料有重写次数的限制，因此固态硬盘绝不允许针对一个位置的频繁读写。②移动存储器。常用的移动存储器有移动硬盘和闪存，如图5所示。移动硬盘将驱动装置和盘片一体化，采用类似硬盘的结构，增加了多级抗震功能，用于计算机之间交换大容量数据，其容量大、传输速度高、使用方便、可靠性提升。移动硬盘多采用USB、IEEE1394等接口，从而实现以较高的速度与系统进行数据传输。USB（通用串行总线）是规范计算机与外部设备的连接和通信的外部总线标准，已成为个人计算机和智能设备的必备接口之一。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB版本包括USB1.1、USB2.0和USB3.0，其最高传输速度分别为12Mb/s、480Mb/s和5.0Gb/s。USB移动硬盘的常见规格有12.5mm和9.5mm两种。图5移动硬盘和闪存IEEE1394接口是苹果公司开发的串行标准，中文译名为火线接口。IEEE1394也支持外设热插拔，其最高传输率为400MB/s。主流的微机并没有配置1394接口，要使用它必须购买相关的接口卡。闪存（FlashMemory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）存储器。闪存卡是利用闪存技术存储电子信息的存储器，一般应用于数码相机、掌上电脑、MP3等小型数码产品中。③光盘存储器。光盘存储器由光盘驱动器（简称光驱）和光盘组成。光驱的核心部件是由半导体激光器和光路系统组成的光学头，主要负责数据的读取工作。光驱最重要的技术指标是数据传输速率，以150Kb/s（比特/秒）为单位。例如，40倍速或称40X，传输速率是150Kb/s×40=6000Kb/s。光驱的技术指标还包括CPU占用时间、高速缓存容量、平均访问时间、容错性、稳定性等。光盘片采用激光材料，数据存放在光盘片中连续的螺旋轨道上。根据性能不同，光盘主要分为只读型光盘、一次性写入光盘、可擦写光盘、数字多功能光盘、蓝光光碟等几类。只读型光盘（CD-ROM）是使用最广泛的一种光盘，其制造成本低，由厂家写入程序或数据，出厂后只能进行读取操作。目前，大量的文献资料、教育影视节目、图书等都通过CD-ROM来传播。一次性写入光盘（CD-R）允许一次性写入，多次读取，有12cm和8cm两种尺寸。同样是12cm的光盘，CD-R80可存储700MB的数据或80分钟的音乐，而CD-R74则可存储650MB的数据或74分钟的音乐。可擦写光盘（CD-RW）既可以从中读取数据，也可以将记录的信息擦除再重新写入新的信息。数字多功能光盘（DVD）定义了单面单层、单面双层、双面单层和双面双层4种规格，容量分别为4.7GB、8.5GB、9.4GB和17GB。蓝光光碟（BD）是DVD之后的下一代光盘格式之一，用于存储高品质的影音或大容量数据。单层BD光碟的容量为25GB或27GB；双层BD光碟容量可达到46GB或54GB，足够烧录一部长达8小时的高清晰影片。（5）输入设备微机上使用的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、触摸屏、光学标记阅读机、手写输入板、语音输入装置等。①键盘。键盘是最常见的计算机输入设备，广泛应用于微机和各种终端设备上。计算机操作者通过键盘向计算机输入各种指令与数据，指挥计算机进行高效地工作。微机键盘可以根据击键数、按键工作原理、键盘外形等进行分类。其中，键盘的按键数曾出现过83键、93键、96键、101键、102键、104键、107键等。目前，市场上主流的是104键键盘，其按键分为字符键区、功能键区和数字小键盘等3个区域，常用键位的功能见表1。键盘的接口主要有PS/2和USB，有的键盘则采用无线连接。表1键盘中常用键位的功能按键功能〈Enter〉回车键。用于将数据或命令传送给计算机，在输入字符时实现换行功能〈SpaceBar〉空格键。因为使用频繁，所以它的设计要使得左右手都能很容易地操作它〈Backspace〉退格键。按下它可使光标回退一格，常用于删除当前行中的错误字符〈Shift〉换挡键。由于整个键盘上有30个双字符键（即每个键面上标有两个字符），并且英文字母还分大小写，因此需要此键来转换；在计算机刚启动时，每个双字符键都处于下面的字符和小写英文字母的状态〈Ctrl〉控制键。一般不单独使用，通常与其他键组合成复合控制键〈Esc〉强行退出键。在软件的支持下，通常用于退出某种环境或状态〈Alt〉交替换挡键。它与其他键组合成特殊功能键或复合控制键〈Tab〉制表定位键。一般按下此键可使光标向右移动8个字符的距离功能键〈F1〉~〈F12〉键，具体功能由操作系统或应用程序自定定义光标移动键〈↑〉、〈↓〉、〈←〉、〈→〉键，分别用于上、下、左、右移动光标屏幕翻页键〈PgUp〉（PageUp）：翻回上一页；〈PgDn〉（PageDown）：向下翻一页打印屏幕键〈PrintScreenSysRq〉。把当前屏幕显示的内容全部打印出来双态键包括〈Insert〉键和3个锁定键。〈Insert〉键的双态是插入状态和改写状态；〈CapsLock〉、〈NumLock〉、〈ScrollLock〉键的双态分别是字母状态、数字状态、滚屏状态及其对应的锁定状态。当计算机启动后，4个双态键都处于第一种状态；按键后切换到第二种状态。在不关机的情况下，反复按键则在两种状态之间转换。为了区分锁定与否，许多键盘为它们配置了指示灯键盘是人与计算机打交道必不可少的设备之一，必须掌握键盘的正确指法和操作方法。操作时，右手管理主键盘的右半部分，左手管理主键盘的左半部分。键盘分4排（空格键所在排除外），其中，A、S、D、F、J、K、L这7个英文字母键和分号（；）键排成一排，作为基准键（又称定位键）。左手小指、无名指、中指、食指分别负责A、S、D、F键，右手食指、中指、无名指、小指分别负责J、K、L、；键，拇指轻置于空格键上。击键时，以基准键位为参考点，每个手指负责前后4排的4个键位，实行分工击键，击键后立即恢复到基准键位。各个手指击键的分工如图6所示。图6键盘的标准指法图除指法分工指定的手指所负责的字符键外，主键盘左、右两边各有一些没有手指负责的区域。原则上，左边的键由左手小指负责，右边的键由右手小指负责。Windows系统提供了微软拼音等多种汉字输入方法。除此之外，第三方机构开发了搜狗输入法、紫光输入法、五笔字型输入法等中文输入法，这些输入法词库量大、组词准确且兼容各种输入习惯，得到了广泛的应用。一般而言，第三方中文输入法软件可以免费获得，使用前按照向导提示进行安装即可。当要输入汉字时，请首先切换到自己熟悉的中文输入法，然后按照其规则进行输入即可。使用中文输入法的关键是掌握汉字输入法的调用方法、汉字的编码规则以及输入汉字的步骤。单击任务栏中的输入法指示器，屏幕上就会弹出选择输入法的菜单，如图7所示。单击要使用的输入法名称，即可切换到该中文输入法状态。按〈Ctrl+SpaceBar〉组合键，可以启动或关闭中文输入法；按〈Ctrl+Shift〉组合键，则能够在输入法间切换。选用了一种中文输入法后，屏幕上将出现该输入法的界面。例如，系统内置的微软拼音输入法的界面如图8所示。图7选择输入法的菜单图8微软拼音单击指示器中的全角/半角切换按钮（或按〈Shift+SpaceBar〉组合键），可以实现半角和全角的切换。当按钮似月牙状时，表明当前是“半角”输入，字母和数字占1个字符的位置；按钮似圆盘状时，表明当前是“全角”输入，字母和数字都占两个字符的位置。要实现中、英文标点符号切换，可以单击中英文标点切换按钮（或按〈Ctrl+.（圆点）〉组合键）。单击软键盘按钮，可以打开和关闭系统的软键盘。Windows提供了13种软键盘布局。右击软键盘按钮，从快捷菜单中选择一种软键盘格式后，就会显示相应的软键盘，供用户使用。软键盘使用完毕后，再次单击软键盘按钮即可将其关闭。②鼠标。鼠标多用于Windows环境中，以替代键盘的光标移动键，它可以使光标的移动更加方便、准确，如图9所示。按接口类型不同，鼠标可分为串行鼠标、PS/2鼠标、USB鼠标、无线鼠标4种；按工作原理可分为机械鼠标和光电鼠标。常用的鼠标是带滚轮的二键光电鼠标，基本操作如下。指向：把鼠标移到某一对象上，一般用于激活对象或显示提示信息。单击：将鼠标左键按下、释放，用于选定某个对象或某个选项、按钮等。右击：将鼠标右键按下、释放，会弹出对象的快捷菜单或帮助提示。双击：快速连续按下并释放鼠标左键两次，用于启动程序或窗口。拖动：单击对象，按住鼠标左键不放，然后移动指针至指定位置后再释放按键。③扫描仪。扫描仪是利用光电技术和数字处理技术，以扫描方式将图形或图像信息转换为数字信号的装置，如图10所示。人们通常使用扫描仪将各种形式的图像或文稿输入计算机中，然后对这些信息进行处理、使用、管理、存储和输出。图9鼠标 图10扫描仪扫描仪的主要性能指标有光学分辨率、灰度级、色彩位数、扫描速度和扫描幅面等。（6）输出设备输出设备的功能是将计算机处