第2章微型計算機硬件基礎知識

微型計算機系統的層次關系

微型計算機硬件系統

第2章微型計算機硬件基礎知識

微型計算機的選購與組裝

本章基本要求基本知識點：

（1）了解微型計算機系統的層次關系；（2）掌握微型計算機硬件系統；（3）了解微型計算機的選購與組裝。重點與難點：（1）掌握數制及其轉換。（2）信息在計算機中的表示方法微型計算機系統的三個層次微處理器微型計算機微型計算機系統

2.1微型計算機的層次關系

微型計算機系統軟件系統I/O設備I/O設備

微型計算機ROMRAMI/O接口I/O接口系統總線

微處理器ALU內部總線寄存器組控制邏輯2.1微型計算機的層次關系2.2微型計算機硬件系統硬件系統微處理器(CPU)內存儲器總線輸入/輸出接口外存儲器(硬盤、光盤、U盤等)輸入設備(鍵盤、鼠標、掃描儀、數碼相機等輸出設備(顯示器、打印機、繪圖儀等)其他(網卡、聲卡、調制解調器、視頻卡等)主機外部設備計算機外觀結構

主機箱內部結構主機前面板和主機箱后部

綠色的接耳機，粉紅的接話筒

紫鼠綠鍵

白色DVI是數字信號輸出24針腳，藍色VGA是模擬信號輸出15針腳2.2.2微處理器微處理器也叫中央處理單元(CPU)，主要由運算器和控制器組成，是任何微型計算機系統中必備的核心部件。

Intel4004微處理器芯片微處理器主要性能指標

字長：字長越長，CPU可同時處理的數據二進制位數就越多，運算能力就越強，計算精度就越高。外頻：CPU的外部時鐘頻率稱為外頻。它直接影響CPU與內存之間的數據交換速度。外頻是CPU的基準頻率，決定著整塊主板的運行速度。。主頻：CPU能夠適應的時鐘頻率。主頻越高，CPU的運算速度也就越快。CPU的主頻以MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）為單位?，F在常用的CPU主頻有1.5GHz、2.0GHz、2.4GHz等。CPU的主頻＝外頻×倍頻系數。微處理器主要性能指標

倍頻系數：指CPU主頻與外頻之間的相對比例關系。在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。緩存：緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統內存和硬盤。。多核心處理器：所謂多核心處理器就是在一塊CPU基板上集成了多個處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。微處理器主要性能指標

生產工藝：CPU內部有數量極多的晶體管，它是通過光刻工藝進行加工的?，F在的光刻精度一般用納米（nm）表示,數據越小，表示精度越高，生產工藝越先進，這樣生產出的CPU工作主頻可以達到很高。超線程技術（Hyper-Threading，簡稱HT）：該技術利用特殊的硬件指令，把兩個邏輯內核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高CPU的運行效率。CPU接口類型CPU需要通過某個接口與主板連接才能進行工作。CPU接口類型不同，在插孔數、體積、形狀都有變化，所以不能互相接插。目前CPU都采用針腳式接口與主板相連，而不同接口的CPU在針腳數上各不相同。CPU接口類型的命名，習慣用針腳數來表示，比如目前Pentium4系列處理器所采用的Socket478接口，其針CPU腳數就為478針。CPU市場主要由Intel公司和AMD公司所壟斷。兩家公司推出了適應不同要求的產品。2.2.3存儲器1.存儲系統的層次結構

外存：硬盤等主存RAM高速緩存CPU慢快存取速度高低價格小大存儲容量2.內存儲器內存儲器按其工作方式的不同，可以分為隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)。ROM是只能讀出信息而不能由用戶寫入信息的存儲器，斷電后，其中的信息也不會丟失。RAM是指在CPU運行期間既可讀出信息也可寫入信息的存儲器，但斷電后，寫入的信息會丟失。根據制造原理不同，RAM可分為靜態(tài)隨機存儲器（StaticRAM）和動態(tài)隨機存儲器（DynamicRAM）。SRAM存取速度快、使用簡單、不需刷新、靜態(tài)功耗極低，但元件數多、集成度低、運行功耗大，主要用于高速緩沖存儲器。DRAM較SRAM電路簡單，集成度高，功耗低，價格便宜，但速度較慢，微機的內存一般采用DRAM。2.內存儲器目前，微機中常用的內存以內存條的形式插于主板內存插槽上。評價內存條的性能指標主要有兩個：①存儲容量：市場上常見的DDR內存條的容量有1GB、2GB和4GB等。②存取速度（存儲周期）：即兩次獨立的存取操作之間所需的最短時間。數字越小，表明內存的存取速度越快。3.高速緩沖存儲器(Cache）為了解決主存RAM與CPU工作速度不匹配的問題，在CPU和主存之間設置了一級高速度、小容量的存儲器，稱之為高速緩沖存儲器。Cache用來存放當前內存中頻繁使用的程序塊和數據塊。當CPU訪問這些程序和數據時，首先從Cache中查找，如果所需程序和數據不在Cache中，則到主存中讀取數據，同時將數據回寫入Cache中。Cache由靜態(tài)存儲器（SRAM）構成。目前，微機中的Cache設置成二級或三級。一開始的高速小容量存儲器就被稱為一級緩存（L1Cache），每級緩存比前一級緩存速度慢且容量大。4.外存儲器外存儲器即外存，其主要作用是長期存放計算機工作所需要的系統文件、應用程序、用戶程序、文檔和數據等。外存中存儲的程序和數據必須先送入內存，才能被計算機執(zhí)行。主要外存儲設備，分為軟盤、硬盤、光盤等，它們既是輸入設備，也是輸出設備。硬盤根據所用材料分為固態(tài)硬盤（SSD）和機械硬盤（HDD）。（1）機械硬盤（HDD）固定式硬盤一般置于主機箱內。硬盤的容量取決于硬盤的磁頭數、柱面數及每個磁道扇區(qū)數。 硬盤的容量=柱面數×磁頭數×扇區(qū)數×512B。硬盤的格式化。使用新硬盤之前，必須對硬盤進行硬盤的低級格式化、硬盤分區(qū)和硬盤的高級格式化。磁頭驅動機構2面旋轉機構1面0面

存儲格式磁盤結構及磁道扇區(qū)劃分磁道扇區(qū)存儲信息是按磁道和扇區(qū)來存儲的。磁道是由外向內的一個個同心圓，每個磁道劃分為若干個弧段，便得到一個個扇區(qū)(Sector)，扇區(qū)是磁盤的基本存儲單位，每個扇區(qū)的存儲量為512字節(jié)。硬盤的結構柱面扇區(qū)磁道硬盤的基本參數單碟容量：硬盤是由多個存儲碟片組合而成的，而單碟容量就是一個存儲碟所能存儲的最大數據量。目前的硬盤容量一般在500GB～2TB范圍內。轉速：是硬盤內電機主軸的旋轉速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內所能完成的最大轉數。單位表示為rpm，是轉/每分鐘。RPM值越大，內部傳輸率就越快，訪問時間就越短，硬盤的整體性能也就越好。目前主流的3.5英寸硬盤的轉速有5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm，2.5英寸硬盤的轉速以10000rpm為主。硬盤的基本參數緩存容量：緩存是硬盤控制器上的一塊內存芯片，具有極快的存取速度，它是硬盤內部存儲和外界接口之間的緩沖器。主流的緩存容量一般在8M至64M之間。硬盤接口：不同的硬盤接口決定著硬盤與計算機之間的連接速度，在整個系統中，硬盤接口的優(yōu)劣直接影響著程序運行快慢和系統性能好壞。硬盤接口分為IDE、SATA、SCSI和光纖通道四種，目前的主流接口是SATA接口。

不同型號的硬盤其容量、磁頭數、柱面數及每道扇區(qū)數均不同，主機必須知道這些參數才能正確控制硬盤的工作，因此安裝新硬盤后，需要對主機進行硬盤類型的設置。（2）固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤：簡單的說就是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的相同，在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。目前廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網絡監(jiān)控、網絡終端、電力、醫(yī)療、航空等、導航設備等領域。新一代的固態(tài)硬盤普遍采用SATA-2接口及SATA-3接口。固態(tài)硬盤按照存儲介質分為基于閃存(FLASH芯片)和基于DRAM兩種。（3）光盤存儲器計算機系統的光盤有三類：只讀光盤、一次寫入光盤和可擦寫光盤光盤存儲器是利用光學方式進行讀寫信息的存儲設備，主要由光盤、光盤驅動器(即CD-ROM驅動器)和光盤控制器組成。（3）光盤存儲器數據傳輸率是光驅的基本參數,指光驅在1秒內所能讀出的最大數據量。數據傳輸率為150KB/S，這種速率的光盤驅動器稱為1倍速驅動器，記為1X；CD-ROM驅動器的最大讀取數據傳輸率為52倍速。(4)常見的移動存儲設備--U盤U盤是一種新型的隨身型移動存儲設備，通過USB接口與計算機交換數據，支持即插即用，在WindowsMe/Windows2000操作系統下無須安裝任何驅動程序，使用非常方便。U盤采用半導體存儲器作為存儲介質，無機械讀寫部件，所以不僅數據保存能力非常強，而且抗電磁干擾、抗震能力也非常強。市場上U盤容量通常在1G-64GB之間。移動硬盤大多采用硅氧盤片。移動硬盤大多采用USB、IEEE1394接口，能以較高的速度與系統進行數據傳輸。目前,市場上主流移動硬盤的尺寸是2.5英寸和3.5英寸，硬盤容量高達2TB。(4)常見的移動存儲設備—移動硬盤存儲卡是用于手機、數碼相機、便攜式電腦、MP3和其他數碼產品上的獨立存儲介質，一般是卡片的形態(tài)，故統稱為存儲卡，包括CF卡、MMC卡、SD卡和SM卡。存儲卡具有體積小巧、攜帶方便、使用簡單的優(yōu)點。同時，由于大多數存儲卡都具有良好的兼容性，便于在不同的數碼產品之間交換數據。近年來，一些計算機就內置了讀卡器，以方便用戶傳輸數據到計算機中。(4)常見的移動存儲設備—存儲卡2.2.4總線總線(BUS)是連接微機中各個部件的一組物理信號線，用于各部件之間的信息傳輸。一次傳輸信息的位數稱為總線寬度。通常將CPU芯片內部的總線稱為內部總線，而連接系統各部件間的總線稱為外部總線，也稱為系統總線。按照總線上傳送信息類型的不同，可將總線分為數據總線、地址總線和控制總線。微型計算機的總線結構圖數據總線地址總線控制總線輸入接口微處理器CPU主存儲器RAMROM輸出接口輸出設備輸入設備數據總線(DB)：是CPU同各部件交換信息的通路。數據總線都是雙向的。地址總線(AB)：通常地址總線是單向的。地址總線的寬度與所尋址的范圍有關，即地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，一般來說，若地址總線為n根，則可尋址空間為2n字節(jié)比如8位微機的地址總線為16根，則其最大可尋址空間為216＝64KB控制總線(CB)：用控制總線來傳送控制信號總線常用的總線標準有：PCI總線AGP總線USB總線PCIExpress總線2.2.5主機板(MainBoard)主機板用于連接計算機的多個部件。主板結構就是根據主板上各元器件的布局排列方式，尺寸大小，形狀，所使用的電源規(guī)格等制定出的通用標準，所有主板廠商都必須遵循。目前，市場上常見的主板結構有ATX、MicroATX、BTX等。ATX主板MicroATX主板主機板的組成CPU插槽：用于固定連接CPU芯片。CPU與主板的接口形式根據CPU型號的不同分為Socket插槽、Slot插槽和LGA插槽三種，每種又有不同的型號。內存插槽：主板給內存預留了專用插槽，只要購買所需數量并與主板插槽匹配的內存條，就可以實現擴充內存和即插即用。對于支持雙通道DDR內存的主板，4條內存插槽用兩種顏色區(qū)分。要實現雙通道必須成對地配備內存，即只需要將兩條完全一樣的DDR內存條插入同一顏色的內存插槽中。

目前市場上的內存條采用了防呆式設計，一般不會插錯。主機板的組成總線擴展槽：主要用于擴展微型計算機的功能，也稱為I/O插槽。①AGP插槽：用于在主存與顯卡的顯示內存之間建立一條新的數據傳輸通道，不需要經過PCI總線就可以讓影像和圖形數據直接傳送到顯卡中。目前一塊主板只有一個AGP擴展槽，位于北橋芯片和PCI擴展槽之間。②PCI插槽：多為乳白色，可以插上視頻采集卡、聲卡、網卡等設備。③PCIExpress插槽：隨著3D性能要求的不斷提高，AGP已越來越不能滿足視頻處理帶寬的要求，未來的趨勢是PCIExpress插槽將完全取代AGP插槽和PCI插槽。主機板的組成BIOS芯片：BIOS即“基本輸入/輸出系統”（BasicInput/OutputSystem），是一塊方塊狀的存儲器，是主板上的核心，它保存著計算機系統中的基本輸入/輸出程序、系統信息設置、自檢程序和系統啟動自舉程序。BIOS負責從計算機開始加電到完成操作系統引導之前的各個部件和接口的檢測、運行管理?，F在主板的BIOS還具有電源管理、CPU參數調整、系統監(jiān)控、病毒防護等功能。目前，主板上的BIOS芯片采用閃存。由于閃存可以電擦除，因此可以更新BIOS的內容，升級十分方便，但也成為主板上唯一可以被病毒攻擊的芯片。BIOS中的程序一旦被破壞，主板將不能工作。主機板的組成芯片組(Chipset)是主板的核心組成部分，按照在主板上的排列位置的不同，通常分為北橋芯片和南橋芯片。北橋芯片通常在主板上靠近CPU插槽的位置，負責與CPU的聯系并控制內存，作用是在處理器與PCI總線、DRAM、AGP和L2高速緩存之間建立通信接口。因為北橋芯片的數據處理量非常大，所以此類芯片的發(fā)熱量一般較高，在此芯片上裝有散熱片。南橋芯片一般位于主板上離CPU插槽較遠的下方，PCI插槽的附近，南橋芯片負責I/O總線之間的通信，南橋芯片數據處理量并不算大，所以南橋芯片一般都不必采取主動散熱，有時甚至連散熱片都不需要。南橋芯片的發(fā)展方向主要是集成更多的功能，例如網卡、RAID、IEEE1394、甚至WI-FI無線網絡等等。主機板的組成--主板芯片組CMOS是主板上的一塊可讀/寫的ROM芯片，用來保存當前系統的硬件配置和一些用戶設定的參數。用戶可以利用CMOS對微機的系統參數進行設置。設置方法是，系統啟動時按設置鍵（通常是Del鍵）進入BIOS設置窗口，在窗口內進行CMOS的設置。CMOS開機時由系統電源供電，關機時靠主板上的電池供電。即使關機，信息也不會丟失，但應注意更換電池。主機板的組成--CMOS芯片接口電路是CPU與外部設備之間的連接緩沖。CPU與外部設備的工作方式、工作速度、信號類型都不相同，通過接口電路的變換作用，把二者匹配起來。微機的I/O接口有兩種：即串行接口和并行接口。外設微處理器i/o接口CPU與外設的連接示意圖主機板的組成--各種接口硬盤接口：目前市場的主板上，IDE接口大多縮減，甚至沒有，代之以SATA接口。并行接口、串行接口：PS/2接口：僅能用于連接鍵盤和鼠標。USB接口：是現在最為流行的接口。網卡接口：主板上的板載網絡接口幾乎都是RJ-45接口。光纖音頻接口、同軸音頻接口：IEEE1394接口：主要用于連接數字攝影機等。主機板的組成--各種接口2.2.6輸入和輸出設備常用的輸入設備是鍵盤和鼠標。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀、磁盤等。

左鍵右鍵滾輪顯示器顯示器根據顯像管的不同可分為三種類型：陰極射線管(CRT)、發(fā)光二極管(LED)和液晶(LCD)顯示器。衡量顯示器好壞的一個重要指標是分辨率。分辨率越高圖像就越清晰。顯示器與主機相連必須配置適當的顯示適配器（即顯示卡）。顯示卡插在主板的擴展槽上。打印機打印機也是計算機系統中常用的輸出設備。目前常用的打印機有點陣式