1.3.1　计算机硬件系统

计算机系统（见图1-1）是硬件和软件的结合体，硬件是计算机的“身躯”，软件是计算机的“灵魂”，两者缺一不可，互相协作，互相依赖。

计算机的硬件系统，从设计原理上来讲，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，图1-2所示为计算机五大部分间的联系与合作。控制器和运算器合称为中央处理器（CPU），它是计算机的核心部分。存储器分为内存储器和外存储器。输出、输入设备叫作外围设备。

一台普通的计算机，通常由主机、显示器、键盘、鼠标构成。另外，根据不同的工作还需要配上扬声器（俗称音箱）、打印机、扫描仪、投影仪、摄像头等。主机是计算机的核心部件，所有重要部件都装在主机里面，打开机箱就能看到内部的结构，在一块主板上面插着很多的功能卡，由系统总线将它们连接在一起。具体的组成部分包括主板、CPU、内存、外存储器、光盘驱动器、数据线、移动存储器、显卡、声卡、电源机箱、鼠标、键盘、显示器等。

1.主板

每台计算机的主机箱内都有一块比较大的电路板，称为主板或母板，如图1-3所示。主板是计算机中其他部件的载体，是计算机最重要的组件之一。主板上安装着CPU、内存储器、显卡、声卡、扩展槽、芯片组以及与硬盘、光驱、电源等外围设备，共同决定了计算机的性能水平。

芯片组是直接封装在主板上的电子元件，主板的主要芯片组是由南桥芯片和北桥芯片构成的。北桥芯片是一块位于CPU插座附近的控制芯片，负责计算机系统的数据传输和各种信号的控制，北桥芯片的类型确定了主板所能支持的CPU类型和最高频率、内存类型和最大容量、AGP插槽的性能等。南桥芯片一般位于PCI插槽的附近，负责控制和管理各种输出/输入设备（通常所说的I/O总线设备，如PCI设备、USB设备、硬盘等）的调配和数据传输。

主板的优劣主要取决于采用的芯片组及焊接技术，因为主板的线路全部是激光焊接的，精细的线路走向对主板的性能有很大的影响。选购主板时主要考虑它的稳定性、可扩展性及安全保护性等，参考指标有外频、倍频、总线类型等。

2.CPU

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）的性能基本决定了计算机的性能，是计算机系统的核心，计算机的所有运作都受CPU控制。CPU主要由运算器和控制器组成，其外形如图1-4和图1-5所示。

（1）运算器：运算器是对数据进行加工处理的部件，也称为算术逻辑单元（Arithmetic LogicUnit，ALU）。它的功能是在控制器的控制下对内存或内部寄存器中的数据进行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、比较、移位）的操作。

（2）控制器：控制器的作用是使计算机能够自动地执行程序，控制计算机的各个部件协调地工作。它不具有运算功能，只负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序地向各部件发出控制信号，协调和指挥整个计算机系统的操作。

CPU最主要的性能指标是主频，即CPU的时钟频率，代表CPU每秒钟能运算的次数。主频越高，执行一条指令的单位时间就越短，速度就越快。

目前，世界上最大的CPU生产商是Intel。Intel的CPU从286、386，到赛扬系列、奔腾系列，再到现在的多核CPU，每一代CPU，速度都会有革命性的进步。

3.内存

计算机系统的一个重要特征是具有极强的存储能力。存储器是计算机的记忆部件，是存放计算机的程序和数据的地方，存储器容量越大，能存储的信息越多。存储器分为内存储器和外存储器。其中，内存储器需要和CPU进行数据的交互，其存取速度应该与CPU处理速度相配，因此，存储器的设计需要兼顾容量和访问速度这两个需求，还要考虑成本。

内存储器简称内存，又称主存储器，如图1-6所示。内存主要用来存放当前运行的程序与待处理的数据以及运算结果。它可以直接跟CPU进行数据交换，因此存取速度快。

内存一般按字节分成许许多多存储单元，每个存储单元都有一个编号，称为地址。CPU通过地址可以找到所需的存储单元。当CPU从存储器中取出数据时叫作读操作，把数据存入存储器中叫作写操作，写、读操作又叫作存取或访问。

内存储器主要由RAM（Random-Access Memory，随机存储器）和ROM（Read-Only Memory，只读存储器）构成。

（1）RAM也就是通常所说的内存，主要用来临时存放程序或软件运行时，各种需要处理的数据，不是永久性存储信息。在计算机断电后，RAM中的数据或信息将会全部丢失。

（2）ROM的信息一般由出产厂家写入，使用时通常只能读取，不能写入，所以用来存放固定的程序。存放在ROM中的信息是永久性的，不会在断电后消失。一般认为ROM是只能读取、不能擦写的。

现在使用的DDR4内存，是为新一代CPU和操作系统开发的内存，内存容量更大，传输更可靠，功耗降低更节能。内存容量包括2GB、4GB、8GB、16GB等，随着CPU速度大大提高、新的操作系统版本不断更新，高速、大容量内存的出现，使计算机的运行达到最佳效果。

4.硬盘

外存储器（简称外存）存放着计算机所有的主要信息，计算机通过内外存之间不断的信息交换来使用外存中的信息，其中的信息要被送入内存后才能被使用，CPU不能直接访问。外存是访问速度相对较慢但容量很大的存储器，外存主要有磁带、光盘、硬盘、移动硬盘、U盘等。

硬盘是最主要的外存储设备，容量较大、存取速度较快。硬盘（见图1-7）是由多个金属盘片组成，并有多个磁头同时读/写。硬盘存储器通常采用温彻斯特技术，它把磁头、盘片及执行机构都密封在一个容器内与外界环境隔绝，这样不但可避免空气尘埃的污染，而且可以把磁头与盘面的距离减少到最小，加大数据存储密度，从而增加了存储容量。

硬盘片的每个面上有若干个磁道，每个磁道分成若干个扇区，每个扇区有512B，目前硬盘的转速一般是7200r/min。现在计算机所用的硬盘，其容量越来越大，常见的为320GB～2TB不等。选购硬盘时，主要标准是容量、读取速度等。

固态硬盘，是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，如图1-8所示。固态硬盘的存储介质分为两种：一种是采用闪存（Flash芯片）作为存储介质；另一种是采用DRAM作为存储介质。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。它被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。它的优点主要是读/写速度快、防震抗摔、低功耗、无噪声、工作温度范围大、轻便等；缺点主要是容量不够大、寿命短、售价高等。

5.光盘驱动器

光盘驱动器是近年来发展的一种外部存储器，可以存放声音、图像、动画、视频、电影等多媒体信息，具有容量大、价格便宜、保存时间长、适宜保存大量的数据等特点，所以光驱是计算机不可缺少的硬件配置。

DVD光驱（见图1-9）是指读取光盘驱动器的设备，可以同时兼容CD与DVD。标准DVD盘片的容量为4.7GB，相当于CD-ROM光盘的7倍，可以存储133min电影。DVD盘片可分为：DVD-ROM、DVD-R（可一次写入）、DVD-RAM（可多次写入）、DVD-RW（读和重写）、单面双层DVD和双面双层DVD。目前的DVD光驱多采用ATAPI/EIDE接口或Serial ATA（SATA）接口，这意味着DVD光驱能像硬盘一样连接到IDE或SATA接口上。选购DVD光驱时，主要标准是其纠错能力、读/写速度、噪声等。

6.数据线

数据线负责把硬盘、光驱、刻录机等部件连到主板上，数据就通过它在主板和这些部件之间进行传输。

目前，数据线包括两种：并口数据线，也称并行ATA数据线，如图1-10所示；另一种是串口数据线，也称SATA数据线，如图1-11所示。并行ATA是80针排线的接口，缺点是并行线路的信号可能会干扰；如果数据不能同步，就会出现反复读取数据，导致性能的下降；也不易铺设，阻碍空气流通。

SATA是一种新的接口标准，与并行ATA的主要不同就在于它的传输方式，它只有两对数据线，采用点对点传输，以比并行ATA更高的速度将数据分组传输。SATA具有传输速率高、数据可靠、连线简单等特点。现在硬盘大部分是SATA标准；而光驱、刻录机等设备，并行ATA的传输速率可以满足其需要，故个别还在使用行ATA。

7.移动存储器

移动存储器是指可以随身携带的存储器。目前，常用的移动存储器有移动硬盘、闪存盘、光盘等。

移动硬盘主要指采用计算机外设标准接口的硬盘，作为一种便携式的大容量存储系统，它具有容量大、单位存储成本低、速度快、兼容性好等特点。移动硬盘还具有极高的安全性，一般采用玻璃盘片和巨阻磁头，并且在盘体上精密设计了专有的防震、防静电保护膜，提高了抗震能力、防尘能力和传输速度。

闪存盘已经成为移动存储器的主流产品，如图1-12所示。它是一种新型半导体存储器，其主要特点是在不加电的情况下可以长期保持存储的信息，闪存盘容量大、体积小、重量轻且不易损坏，容量一般在1～128GB之间。随着闪存盘技术的日渐成熟，带有各种附加属性的闪存盘不断推出，如无驱型（无须用户安装驱动程序）、加密型（对其中的数据进行加密处理）和启动型（可以引导系统）等。

8.显卡

显卡全称显示接口卡，又称显示适配器，如图1-13所示。显卡作为计算机主机中的一个重要组成部分，是计算机进行数模信号转换的设备，承担输出显示图形的任务，它将计算机的数字信号转换成模拟信号通过显示器显示出来。

显卡的质量参数包括显示芯片、显示内存等。选购显卡的标准取决于消费者的使用要求，普通用户使用一般的显卡就可以；对于一些图形图像设计者，显卡在真彩色渲染、显存频率上要有出色的性能。目前，有些主板或CPU中集成了显卡，也可不单独购买。

9.声卡

声卡（见图1-14）是多媒体技术中基本的组成部分，负责实现声波/数字信号相互转换。声卡的基本功能是把来自传声器（俗称话筒）、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备。

一般的用户对声卡的要求都不高，大部分主板集成了声卡的功能，可不单独购买。对于一些音乐制作人士或者音乐发烧友，可配置较好的声卡。选购声卡的标准包括采样率、失真度、信噪比等。

10.电源

计算机电源（见图1-15）是把220V交流电，转换成直流电，并专门为计算机配件如主板、驱动器、显卡等供电的设备，是计算机各部件供电的枢纽，是计算机的重要组成部分。电源有两种：一种是早期的AT结构，电源的启动是机械式的；另一种是现在通用的ATX结构，电源的启动是电容脉冲式。

11.机箱

机箱（见图1-16）作为计算机配件中的一部分，它起的主要作用是放置和固定各计算机配件，起到承托和保护作用。此外，计算机机箱具有屏蔽电磁辐射的重要作用。机箱虽然在组装计算机中不是很重要的配置，但是使用质量不良的机箱容易让主板和电源短路，使计算机系统变得很不稳定。选购机箱时，主要看它的稳定性、可扩展性、散热性，其次才是外观。

大部分的外围设备，如显示器、打印机、鼠标、键盘、扫描仪等需要连接在机箱后面的接口，如图1-17所示，下面介绍一些常见的接口。

（1）PS2鼠键通用接口：连接鼠标或键盘，目前逐步被淘汰。

（2）USB接口：连接鼠标键盘、移动存储设备、打印机等，传输速度快，即插即用。

（3）RJ-45网络接口：用于以太网连接。

（4）VGA接口：连接显示器。

（5）串行接口：采用9针的连接方式直接集成在主板上，连接游戏手柄、手写板等。

（6）并行接口：采用25针的双排插口，除普遍应用于连接打印机外，还可用于连接扫描仪、ZIP驱动器甚至外置网卡、磁带机以及某些扩展硬盘等设备。

12.鼠标、键盘

输入/输出（I/O）设备是计算机系统与外界进行信息交流的工具。输入设备将信息用各种方法传入计算机，并将原始信息转化为计算机能接收的二进制数，以使计算机能够处理。

鼠标、键盘是最主要的输入设备，如图1-18、图1-19所示。随着Windows操作系统的流行和普及，鼠标已成为计算机必备的标准输入装置。在图形界面的环境下，鼠标可以取代键盘进行光标定位或完成某些特定的操作功能。鼠标的最大优点是可以更快、更准确地移动光标，只需用两个按键便可灵活地使用整个系统。常见的鼠标可分为机械式和光电式两种，两者仅在控制原理上有所不同，在使用方法上基本一样，但在移动精度方面，光电式鼠标优于机械式鼠标。近年来又出现了无线鼠标和3D鼠标。

用户的各种数据、命令和程序通常都是通过键盘输入计算机。在键盘内部有专门的控制电路，当用户按下键盘上的任意一个键时，键盘内部的控制电路会产生一个相应的二进制代码，然后把这个代码传入计算机。

以下介绍一些常用键的使用方法：

（1）【Enter】键：即常说的回车键，按下此键表示开始执行命令或结束一个输入行并跳到下一行开头。

（2）空格键，它是在键盘中下方的长条键，每按一次键即在当前输入位置空出一个字符。

（3）【Shift】键：即常说的上挡键。在打字区中一左一右共分布两个（方便左右手协作输入）。在键盘上有一部分按键上有两个符号，凡是要输入上部的符号时，需同时按该符号键和【Shift】键（通常是先按【Shift】键，再按符号键）；此键与字母键结合，可进行大小写字母的输入。

（4）【Delete】键：即删除键，删除当前光标位置右边的字符。

（5）【Backspace】键：即退格键，删除当前光标位置左边的字符。

（6）【Ctrl】键：即控制键，通常与其他键组合成为快捷键。

（7）【Alt】键：即交替换挡键，通常配合其他键组合使用，多用于选择软件上的菜单，例如打开Word软件，按【Alt+F】组合键，等于打开“文件”菜单。

（8）【Tab】键：即制表定位键，一般情况下按此键可使光标移动8个字符的位置或移动到下一个定点。

（9）【Caps Lock】键：即英文大/小写锁定键，当锁定大写字母时，按字母键会输入大写字母，结合【Shift】键才能输入小写字母。

（10）双态键：包括前面所说的【Insert】键和3个锁定键：【Insert】键实现插入/改写的状态转换，【Caps Lock】键实现英文字母大/小写的状态转换，【Num Lock】键实现小键盘的数字/编辑的状态转换，【Scroll Lock】键实现滚屏/锁定的状态转换。

13.显示器

输出设备是将信息从计算机中送出来，同时把计算机内部的数据转换成便于人们利用的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和扬声器等。

显示器也称为监视器，包括两种：一种是阴极摄像管显示器（CRT）；另一种是液晶显示器（LCD）。目前常用的显示器是液晶显示器，它具有工作电压低、能耗低、辐射低、质量轻、超薄等优点。