第1章 计算机硬件基础知识(课件）-《计算机组装与维修》同步教学（人民邮电版）

第1章 计算机硬件基础知识 内容概要与学习要求： 本章通过对计算机发展和分类的学习，要求对计算机系统历史演进有较深入的了解，并且能够把握未来发展趋势；通过简要介绍计算机组成与基本结构，要求明确计算机的整体组成和软、硬件系统的划分，以便利于后面章节知识点的学习。 第1章 计算机硬件基础知识 1.1 个人计算机简介 1.2 计算机的分类 1.3 计算机的组成与基本结构 1.4 本 章 实 训 1.5 本 章 习 题 1.1 个人计算机简介 随着人类科技的发展，人们在生产劳动中创造并改进了多种计算工具。要追溯计算机的发明，可以由中国古时开始说起，古时人类发明算盘去处理一些数据，利用拨弄算珠的方法，人们无需进行心算,通过固定的口诀就可以将答案计算出来。这种被称为“计算与逻辑运算”的运作概念传入西方后，被美国人加以发扬光大。 近１０年来，计算机的应用日益深入到社会的各个领域，如管理、办公自动化等,日益向智能化发展。 1.1 个人计算机简介 1. 现代计算机的发展阶段 1944年8月至1945年6月是计算机科学技术快速发展时期。冯·诺依曼John von Neuman）博士与莫尔学院科研小组合作，提出了一个全新的存储程序通用数字电子计算机方案EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机），这就是人们通常所说的冯·诺依曼型计算机。 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院物理学家莫奇利（John W. Mauchly）和工程师埃克特（J. Presper Eckert）领导的科研小组共同开发了世界上第一台数字电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数值积分计算机)。 1.1 个人计算机简介 第一代电子管计算机(1945-1956) 第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据，如图所示。 电子管 第二代晶体管计算机(1956-1963) 1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小，如图所示。1956年，晶体管在计算机中广泛使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。 晶体管 第三代集成电路计算机(1964-1971) 虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分。1958年发明了集成电路(IC)，如图（左）所示，将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。 1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统，如图（右）所示。随后，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。 集成电路 IBM360系统 第四代大规模集成电路计算机(1971-现在) 出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路(LSI)可以在一个芯片上容纳几百个元件，如图所示。到了80年代，超大规模集成电路(VLSI)在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。 大规模集成电路 1.1 个人计算机简介 2．计算机的发展趋势 目前计算机技术的发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化这4个方向发展。 巨型化是指具有运算速度高、存储容量大、功能更完善的计算机系统，其运算速度一般在万亿次每秒，被誉为“现代科技的大脑”。 微型化得益于大规模和超大规模集成电路的飞速发展，微处理器自1971年问世以来，发展非常迅速，几乎每隔两三年就会更新换代一次，这也使以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升。 网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享数据和软硬件资源的目的，现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到广泛的应用。 智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也是第五代计算机要实现的目标。 展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。从目前的发展趋势来看，未来的计算机将是超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。 1. 2 计算机的分类 通常人们按照计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多方面的综合性能指标，将计算机分为微型机、工作站、小型机、大型机和巨型机等几类。 1．巨型机 巨型机是计算机型谱中档次最高的机型，它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂，它的研制水平、生产能力及其应用程度已成为衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志。 目前世界上运行速度最快的计算机是我国研制的神威·太湖之光，其运算速度为每秒9.3亿亿次的浮点运算速度，共有40960块处理器。 1.2 计算机的分类 2．大型通用机 大型通用机的特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力以及性能覆盖面广等，主要应用在公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂等，通常人们称大型机为“企业级”计算机。 大型机研制周期长，设计技术与制造技术非常复杂，耗资巨大，需要相当数量的设计师协同工作。大型机在体系结构、软件和外设等方面又有极强的继承性。因此，国外只有少数公司能够从事大型机的研制、生产和销售工作。 1.2 计算机的分类 3．小型机 小型机可以为多个用户执行任务，通常是一个多用户系统。小型机结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺。这类机器由于可靠性高，价格便宜，对运行环境要求低，易于操作且便于维护，因此对广大用户具有吸引力，特别是在一些中小企业很有市场，可作为集中式的部门级管理计算机，在大型应用中作为前端处理机，在客户-服务器结构中作为服务器(如文件服务器、WWW服务器及应用服务器等)。 1.2 计算机的分类 4．工作站 工作站是一种高档微机系统。它具有较高的运算速度，既具有大、中、小型机的多任务、多用户能力，而兼具微型机的操作便利和良好的人机界面。工作站可连接多种输入、输出设备，而其最突出的特点是图形功能强，具有很强的图形交互与处理能力，因此在工程领域，特别是在计算机辅助设计（CAD）领域得到迅速应用。 1.2 计算机的分类 5．微型计算机 以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机（PC）简称微型机或微机，笔记本电脑、平板电脑，以及种类众多的手持设备都属于微型计算机。 现在大多家用微型机都配置了双核和四核的处理器，在某些方面已可以和以往的大型机相媲美。 6．服务器 当计算机最初用于信息管理时，信息的存储和管理是分散的，这种方式的弱点是数据的共享程度低，数据的一致性难以保证。于是以数据库为标志的新一代信息管理技术发展起来，而以大容量磁盘为手段、以集中处理为特征的信息系统也发展起来。 近年来，随着因特网的普及，服务器在网络中扮演着最主要的角色。服务器可以是大型机、小型机、工作站或高档微机。服务器可以提供信息浏览、电子邮件、文件传送、数据库、打印以及多种应用服务。服务器作为网络的节点，承担了80%的数据和信息的存储、处理任务，被视为网络的灵魂。 1.3 计算机的组成与基本结构 1.3.1 计算机的组成 1.3.2 计算机的基本结构 1.3.1 计算机的组成 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，如图所示。 计算机系统组成 1.3.1 计算机的组成 硬件(Hardware)即硬设备，是指计算机的各种看得见、摸得着的实实在在的物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。 软件(Software)是在硬件系统上运行的各类程序、数据及有关文档的总称。 1.3.1 计算机的组成 硬件和软件的关系如下： 没有配备软件的计算机叫“裸机”，不能供用户直接使用。而没有硬件对软件的物质支持，软件的功能则无法发挥。只有硬件和软件相结合才能充分发挥计算机系统的功能。 1.3.2 计算机的基本结构 微型计算机从最早的IBM PC发展到今天的四核八核计算机。其各项性能指标都得到大大提高。它们都是由显示器、键盘鼠标和主机构成的。主机箱有卧式和立式机箱两种。在主机箱内有主板、硬盘驱动器、DVD光驱、电源、显示适配器(显卡)等。 微型机系统 1.3.2 计算机的硬件结构 1.计算机主板部件 主板也叫系统板或母板，包括微处理器模块（CPU）、内存模块（随机存储器RAM、只读存储器ROM）、基本I／O接口、中断控制器、DMA控制器及连接其他部件的总线，是微机内最大的一块集成电路板，也是最主要的部件。通常系统板上集成了SATA硬盘接口、并行接口、串行接口、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口、HDMI视频接口、PCIE总线等，如图所示。 主板 1.3.2 计算机的硬件结构 ①中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU） 中央处理器主要包括运算器和控制器两大部件。它是计算机的核心部件。CPU是一个体积不大而集成度非常高、功能强大的芯片，也称为微处理器（Micro Processor Unit，简称MPU），如图。 CPU 1.3.2 计算机的硬件结构 ②存储器 目前，微型机的内存储器由半导体器件构成。内存储器按其性能和特点可分为只读存储器ROM（Read Only Memory）和随机存储器RAM（Random Access Memory ）两大类。 只读存储器（ROM）：只能从ROM中读出数据，不能写入。存放在ROM中的信息，在没有电源的情况下，也能保持，如图（左）所示。 随机存储器RAM：数据、程序在使用时从外存读入内存RAM中，使用完毕后在关机前再存回外存中，如图（右）。 ROM RAM 1.3.2 计算机的硬件结构 ③总线 微机各功能部件相互传输数据时，需要有连接它们的通道，这些公共通道就称为总线（BUS）。—次传输信息的位数则称为总线宽度。通常把CPU芯片内部的总线称为内部总线，而连接系统各部件间的总线称为外部总线或称为系统总线。 ④扩展槽 主机与其他外围硬件是以扩充总线相连的，一般将扩充总线在主板上的接口称为扩展槽。扩展槽主要用于插接各种功能的板卡。 1.3.2 计算机的硬件结构 ⑤USB总线接口 USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是Intel公司提出的一种新型接口标准，支持即插即用功能。USB接口支持功能传递，用户只需要准备一个USB接口，就可以将外设相互连接成串。其次，USB接口本身提供电力来源，外设不须外接电源线。USB总线接口能以树状结构连接127个外部设备，如键盘、鼠标、显示器、CD- ROM、DVD、打印机、扫描仪、数码照相机、数字音响、Modem、游戏杆等。现在主流的USB3.0的传输速率理论上可以达到5Gbps (bps为每秒的位数，即：bits per second)。 1.3.2 计算机的硬件结构 2.外设部件 ①移动硬盘 移动硬盘是一种可携带的存储设备，大多使用了USB、IEEE1394，eSATA接口，常见尺寸有1.8寸、2.5寸和3.5寸三种，体积小重量轻，一般没有外置电源，使用起来非常方便。如图。 移动硬盘 1.3.2 计算机的硬件结构 2.外设部件 ②键盘 用来向微机输入命令、程序和数据。普遍使用的是通用扩展键盘。 ③鼠标 鼠标(Mouse)是一种“指点”设备(Pointing Device)，可以取代键盘上的光标移动键移动光标，定位光标于菜单处或按钮处，完成菜单系统特定的命令操作或按钮的功能操作。 硬盘 键盘和鼠标 1.3.2 计算机的硬件结构 2.外设部件 ④显示器 显示器又称监视器(Monitor)，是微机系统的标准输出设备，它能快速地将计算机输入的原始信息和运算结果直接转换成人能直接观察和阅读的光信号，输出信息可以是字符、汉字、图形或图像。 显示器 1.4 本章实训 1. 了解正确的开、关机方法。 2. 熟悉键盘上按键的分区、主要功能键的作用。 3. 观察计算机，指出计算机系统的组成部分。 4. 打开计算机，指出其安装的各种软件。 5. 区分常见的输入设备。 6. 区分常见的输出设备。 7. 对给出的硬盘能够指出其主要的参数。 1.5 本章习题 1. 简述计算机的发展阶段。 2. 简述计算机的发展趋势。 3. 简述计算机的分类。 4. 列出常见外设及其特点。 5. 简述常见的主机设备及其特点。 6. 简述计算机硬件系统的组成部分。 7. 简述现代计算机的工作原理。 8. 简述计算机系统的组成。 9. 计算机主要的性能指标有哪些？ 10. 列出常见的输入/输出设备。(每项至少5个) 本章小结 本章首先介绍了计算机的发展历史和几个重要阶段，重点指出每个发展阶段的典型特征和代表性产物。然后介绍计算机的分类方式，最后介绍计算机的基本组成结构。 $$