1.2.1 计算机的硬件

在计算机中，将连接各部件的信息通道称为系统总线（Bus，简称总线），并把通过总线连接各部件的形式称为计算机系统的总线结构。总线结构分为单总线结构和多总线结构两大类。为使成本低廉，设备扩充方便，微机系统基本上都采用了单总线结构。根据所传送信号的性质，总线由地址总线（Address Bus，AB）、数据总线（Data Bus， DB）和控制总线（Control Bus，CB）3个部分组成。根据部件的作用，总线一般由总线控制器、总线信号发送/接收器和导线等构成。

在微机系统中，主板由微处理器、存储器、输入输出（Input/Output，I/O）接口、总线电路和基板组成，主板上安装了基本的硬件系统,形成了主机部分。其中的微处理器是采用超大规模集成电路工艺将运算器和控制器制作于同一芯片之中的中央处理器（Central Processing Unit，CPU），其他的外围设备均通过相应的接口电路与主机总线相连，即不同的设备只要配接合适的接口电路（一般称为适配卡或接口卡）就能以相同的方式挂接到总线上。微机的主板上设有数个标准的插槽，将一块接口板插入任一插槽里，再用信号线将其和外围设备连接起来就完成了一台设备的硬件扩充。

把主机和接口电路装配在一块电路板上，就构成单板计算机（Single-Board Computer），简称单板机；把主机和接口电路制造在一个芯片上，就构成单片计算机（Single-Chip Computer），简称单片机。单板机和单片机在工农业生产、汽车、通信、家用电器等领域都得到了广泛的应用。

1．CPU

当前可选的CPU种类较多，国外主要有英特尔公司的Pentium系列、DEC公司的Alpha系列、IBM和苹果公司的PowerPC系列等。英特尔公司的x86产品占有较大的优势，主要的产品已经从80486、Pentium、Pentium Pro、Pentium 4、Pentium D（即Pentium系列）、Core 2 Duo，发展到了Core i7等。国产CPU芯片如飞腾、龙芯、鲲鹏等也实现了群体性突破，为多元化的计算提供了新的选择。CPU也从单核、双核，发展到了4核、8核、16核、32核、64核。

CPU中除了包括运算器和控制器外，还集成有寄存器组和高速缓冲存储器，其基本结构简介如下。

● 一个CPU可有几个乃至几十个内部寄存器，包括用来暂存操作数或运算结果以提高运算速度的数据寄存器，以及支持控制器工作的地址寄存器、状态标志寄存器等。

● 执行算术逻辑运算的运算器。它以加法器为核心，能按照二进制法则进行补码的加法运算，还可进行数据的直接传送、移位和比较操作。

● 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器和定时控制逻辑电路等组成，用于分析和执行指令、统一指挥计算机各部件按时序协调工作。

● 在新型的计算机中普遍集成了高速缓冲存储器，其工作速度和运算器的工作速度一致，是提高CPU处理能力的重要技术措施之一，其容量为8MB以上。

2．存储器

（1）存储器的组织结构。

存储器是存放程序和数据的装置。存储器的容量越大越好，工作速度越快越好，但二者和价格是互相矛盾的。为了缓解这种矛盾，目前的微机系统均采用了分层次的存储器结构。一般可将存储器分为3层：主存储器（Main Memory）、辅助存储器（Auxiliary Memory）和高速缓冲存储器（Cache）。现在，一些微机系统又将高速缓冲存储器设计为CPU芯片内部的和CPU芯片外部的两级，以满足速度和容量的需要。

（2）主存储器。

主存储器又称内存，CPU可以直接访问它。其容量一般为4GB～8GB，存取速度可达6ns（1ns=10-9s），主要存放将要运行的程序和数据。

微机的内存采用半导体存储器，其体积小、功耗低、工作可靠、扩充灵活。半导体存储器按功能可分为随机存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read-Only Memory，ROM）。RAM是一种既能读出也能写入的存储器，适合存放经常变化的用户程序和数据。RAM只能在电源电压正常时工作，一旦电源断电，里面的信息将会全部丢失。ROM是只能读出而不能写入的存储器，适合存放固定不变的程序和常数，如监控程序、操作系统中的基本输入输出系统(Basic Input/Output System，BIOS）等。ROM必须在电源电压正常时才能工作，但断电后其中的信息不会丟失。

（3）辅助存储器。

辅助存储器属于外围设备，也称为外存，常用的有磁盘、光盘、磁带等。磁盘分为软磁盘和硬磁盘两种（简称软盘和硬盘）。软盘容量较小，一般为1.2MB～1.44MB，目前已被淘汰。常见的硬盘主要分为机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD，硬盘驱动器，一般指代机械硬盘）和固态硬盘（Solid State Disk， SSD，又称固态盘）。常用机械硬盘的容量为500GB～4TB甚至更大。为了在磁盘上快速地存取信息，在使用磁盘前要先进行初级格式化操作（目前基本由生产厂家完成），即在磁盘上用磁信号划分出若干有编号的磁道和扇区，以便计算机通过磁道号和扇区号直接寻找到要写数据的位置或要读取的数据，以此提高磁盘存取操作的效率。机械硬盘只有磁盘片是无法进行读写操作的，还需要将其放入硬盘驱动器中。硬盘驱动器由驱动电动机、可移动寻道的读写磁头部件、壳体和读写信息处理电路等构成。在进行磁盘读写操作时，磁头通过移动寻找磁道。在磁头移动到指定磁道位置后，就等待指定的扇区转动到磁头之下（通过读取扇区标识信息判别），这称为寻区，然后读写一个扇区的内容。

固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的高性能信息存储设备，由控制单元和固态存储单元（动态RAM芯片或闪存芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通机械硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通机械硬盘一致（新兴的U.2、M.2 等形式的固态硬盘尺寸和外形与机械硬盘不同)。由于固态硬盘采用固态存储单元作为存储介质，不用磁头，寻道时间几乎为0，读写速度非常快。同时，它还具有防震、低功耗、无噪声、工作温度范围大和轻便等优点。其缺点是容量受限（目前消费级最大容量为8TB）、有寿命限制（有擦写次数限制）和价格高等。

光盘的读写过程和磁盘的读写过程相似，不同之处在于它是利用激光束在盘面上烧出斑点进行数据的写入，通过辨识反射激光束的角度来读取数据。光盘和光盘驱动器都有只读和可读写之分。

3．常用输入输出设备

输入输出设备种类繁多，常用的有键盘、显示器、打印机、鼠标、绘图机、扫描仪、光学字符识别装置、传真机、智能书写终端设备等。其中，键盘、显示器、鼠标、打印机是目前用得较多的常规输入输出设备。

（1）键盘。

依据键盘的结构形式，键盘分为有触点键盘和无触点键盘两类。有触点键盘采用机械触点按键，价廉但易损坏。无触点键盘采用霍尔磁敏电子开关或电容感应开关，操作无噪声、手感好、寿命长，但价格较贵。

（2）显示器。

显示器由监视器（Monitor）和装在主机内的显示控制适配器（Adapter）两部分组成。监视器所能显示的光点的最小直径（也称为点距）决定了它的物理显示分辨率，常见的有0.33mm、0.28mm和0.20mm等。显示控制适配器是监视器和主机的接口电路，也称显卡。监视器在显卡和显卡驱动软件的支持下可实现多种显示模式，如分辨率为1024×768px、1280×720px、1600×900px等，乘积越大分辨率越高，但不会超过监视器的最高物理分辨率。

液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）以前只在笔记本计算机中使用，目前已全面替代了阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）显示器。

（3）鼠标。

鼠标通过串行接口或通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口和计算机相连。其上有2个或3个按键，这样的鼠标分别称为两键鼠标或三键鼠标。鼠标上的按键分别称为左键、右键和中键。鼠标的基本操作包括移动、单击、双击和拖曳等。

（4）打印机。

打印机经历了数次更新，虽然目前已进入了激光打印机（Laser Printer）的时代，但点阵打印机（Dot Matrix Printer）的应用仍然很广泛。点阵打印机工作噪声较大，速度较慢；激光打印机工作噪声小，普及型的输出速度为6页/min，分辨率高达600dpi。此外还有一种常见的打印机是喷墨打印机，它的各项指标处于前两种打印机之间。

（5）标准并行和串行接口。

为了方便外接设备，微机系统提供了用于连接打印机的8位并行接口和标准的RS-232串行接口。并行接口可用来直接连接外置硬盘、软件加密狗和数据采集A/D转换器（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）等并行设备。串行接口可用来连接鼠标、绘图仪、调制解调器（Modem）等低速（小于 115kbit/s）串行设备。

（6）USB接口。

目前微机系统还有USB接口，通过它可连接多达256个外围设备，传输速率可达2Gbit/s。USB接口自推出以来，已成功替代串行接口和并行接口，成为计算机和智能设备的标准扩展接口及必备接口之一。目前，带USB接口的设备有扫描仪、键盘、鼠标、声卡、调制解调器、摄像头及各种智能手机、平板计算机等。