單元2 計算機硬件基礎(chǔ)

1單元

2計算機硬件基礎(chǔ)

計算機硬件系統(tǒng)指構(gòu)成計算機系統(tǒng)的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。硬件是構(gòu)成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計算機系統(tǒng)的核心。計算機硬件是我們看得見、摸得著的實際物理設(shè)備，它包括計算機的主機和外部設(shè)備，主要由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大功能部件組成，這五大部件相互配合，協(xié)同工作。1．認識與區(qū)分各式各樣的計算機2．認識計算機硬件系統(tǒng)的外觀組成22計算機的體系結(jié)構(gòu)2.1微型計算機主機的基本組成2.22.3目錄計算機輸入/輸出設(shè)備微型計算機硬件接口與端口微型計算機的主要性能指標2.42.5臺式計算機筆記本計算機臺式計算機分為主機和外部設(shè)備兩大部分，外部設(shè)備主要包括顯示器、鍵盤、鼠標、音箱、攝像頭、光驅(qū)，還包括U盤、打印機、掃描儀等。臺式計算機的主要優(yōu)點是用途廣、價格低、耐用、升級性能好。筆記本計算機（LaptopComputer）又稱手提計算機或膝上型計算機，是一種小型、可攜帶的個人計算機。筆記本計算機把主機和外部設(shè)備集成在一起，其主要優(yōu)點有體積小、重量輕、攜帶方便。1．認識與區(qū)分各式各樣的計算機根據(jù)用途和性能的不同，計算機可以分為臺式計算機、筆記本計算機、平板計算機、一體計算機等多種類型。34平板計算機一體計算機平板計算機（TabletPersonalComputer，TabletPC）是一種小型、攜帶方便的個人計算機。平板計算機以觸摸屏作為基本的輸入設(shè)備，允許用戶通過觸控而不是使用傳統(tǒng)的鍵盤或鼠標來進行作業(yè)。平板計算機是一款無須翻蓋、沒有鍵盤、小到足以放在手掌中，且功能完整的個人計算機。一體計算機（All-In-One，AIO）把主機集成到顯示器中，與臺式計算機相比有著連線少、體積小、集成度更高的優(yōu)勢，價格并無明顯變化，可塑性則更強，廠商可以設(shè)計出極具個性的產(chǎn)品。一體計算機可以說是與筆記本計算機和臺式計算機融合的一種新型計算機，可以用來看電視、上網(wǎng)、辦公。計算機硬件系統(tǒng)的外觀組成主機：計算機的主體與“總管”。顯示器：輸出設(shè)備。鍵盤：輸入設(shè)備。鼠標：輸入設(shè)備。音箱：播放聲音的設(shè)備。2．認識計算機硬件系統(tǒng)的外觀組成根據(jù)用途和性能的不同，計算機可以分為臺式計算機、筆記本計算機、平板計算機、一體計算機等多種類型。52.

1計算機的體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)是指根據(jù)屬性和功能不同而劃分的計算機理論組成部分以及計算機基本工作原理、理論的總稱。其中計算機理論組成部分并不只與某一個實際硬件掛鉤，例如，存儲部分就包括寄存器、內(nèi)存、硬盤等。計算機體系結(jié)構(gòu)也是程序員所看到的計算機的屬性，即計算機的邏輯結(jié)構(gòu)和功能特征，包括其各個硬件和軟件之間的相互關(guān)系。2.1.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1.馮·諾依曼結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機基本結(jié)構(gòu)形式為馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。數(shù)學家馮·諾依曼提出了計算機制造的基本原則，并提出了計算機由5個部分組成的思想。基本原則:二進制數(shù)表示、采用程序存儲思想、采用順序執(zhí)行組成部分:運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備結(jié)構(gòu)特點：程序存儲、共享數(shù)據(jù)、順序執(zhí)行CPU從存儲器取出指令和數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算6

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086CPU可以處理16位寬的程序指令和數(shù)據(jù)。根據(jù)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)組成的計算機必須具有如下功能：把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計算機中具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運算結(jié)果的能力能夠完成各種算術(shù)運算、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理任務(wù)能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制計算機的各部件協(xié)調(diào)操作能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶782.哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。工作流程：CPU先于程序指令存儲器讀取指令內(nèi)容，解碼得數(shù)據(jù)地址，再從數(shù)據(jù)存儲器讀取數(shù)據(jù)以進行后續(xù)操作。數(shù)據(jù)寬度特性：指令與數(shù)據(jù)存儲分離，二者可具不同數(shù)據(jù)寬度，如PIC16芯片程序指令14位寬，數(shù)據(jù)8位寬。執(zhí)行效率優(yōu)勢：因指令和數(shù)據(jù)分開組織存儲，執(zhí)行時可提前讀取下一條指令，微處理器執(zhí)行效率較高。應(yīng)用實例：眾多CPU和微控制器采用，如PIC系列、MC68系列、Z8系列、AVR系列、ARM9-ARM11、英特爾51單片機等。93．兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別（1）存儲器結(jié)構(gòu)不同馮·諾依曼結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，每個存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存。（2）總線不同馮·諾依曼結(jié)構(gòu)沒有總線，CPU與存儲器直接關(guān)聯(lián)。哈佛結(jié)構(gòu)使用獨立的兩條總線，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑。（3）執(zhí)行效率不同馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的程序指令和數(shù)據(jù)指令執(zhí)行時不可以預先讀取下一條指令，需要依次讀取，執(zhí)行效率較低。哈佛結(jié)構(gòu)的程序指令和數(shù)據(jù)指令執(zhí)行時可以預先讀取下一條指令，具有較高的執(zhí)行效率。2.1.2計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的局限性存儲器依賴：指令和數(shù)據(jù)存于同一存儲器，依賴存儲器件，器件發(fā)展受阻則系統(tǒng)發(fā)展受限。執(zhí)行串行：指令按順序存放，執(zhí)行是串行的，拖慢系統(tǒng)工作速度。語義間隔：存儲器線性編址，與高級語言按名調(diào)用變量存在語義間隔，消除間隔是難題。應(yīng)用局限：為算術(shù)和邏輯運算而生，非數(shù)值處理領(lǐng)域發(fā)展慢，需架構(gòu)突破。錯誤處理不足：控制驅(qū)動方式下，指令或數(shù)據(jù)有誤時，計算機不會主動完善程序。2．現(xiàn)代計算機對馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的改進多處理部件：將單處理部件串行執(zhí)行改為多處理部件，流水處理，靠時間重疊提效率。并行算法結(jié)構(gòu)：用多處理器構(gòu)成系統(tǒng)，形成多指令流、多數(shù)據(jù)流的并行算法結(jié)構(gòu)。改變驅(qū)動方式：設(shè)計數(shù)據(jù)流驅(qū)動的數(shù)據(jù)流計算機（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機），數(shù)據(jù)備好相關(guān)指

令可并行執(zhí)行。跳出電子范疇：以光子、生物分子、量子等其他物質(zhì)作信息載體和執(zhí)行部件。103.現(xiàn)代計算機體系架構(gòu)的改變現(xiàn)代計算機體系架構(gòu)有很大變化，是算法優(yōu)化的基礎(chǔ)與動力，主要體現(xiàn)在多核帶來的線程級并行（TLP）、單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）指令帶來的數(shù)據(jù)級并行（DLP）以及存儲結(jié)構(gòu)這3方面。(1)線程級并行（TLP）：利用現(xiàn)代處理器多核特性，實現(xiàn)多條程序流并行執(zhí)行，涵蓋多線程操作系統(tǒng)模型、并行模式及編程技術(shù)。僅并行模式和算法相關(guān)，是將任務(wù)劃分成可并行執(zhí)行的子任務(wù)，數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域可天然按數(shù)據(jù)劃分后整合結(jié)果。(2)數(shù)據(jù)級并行（DLP）：與線程級并行按數(shù)據(jù)劃分任務(wù)不同，現(xiàn)代處理器有單指令多數(shù)據(jù)指令，單指令可同時處理多條數(shù)據(jù)。例如SSE提供128位寬寄存器，能用一條SIMD指令同時比較4個32位單精度浮點數(shù)，像雙調(diào)排序算法可借SIMD并行處理能力提升性能。今后CPU的SIMD指令寬度會進一步增加，GPU以支持更高密度數(shù)據(jù)處理聞名，設(shè)計SIMD敏感算法至關(guān)重要。11(3)存儲結(jié)構(gòu)：依據(jù)現(xiàn)代計算機體系架構(gòu)特點設(shè)計存儲器敏感算法來提升執(zhí)行性能很關(guān)鍵。高端計算機上內(nèi)存不再是大問題，512GB以上內(nèi)存常見，使內(nèi)存數(shù)據(jù)庫成為可能，消除磁盤I/O開銷。瓶頸問題：內(nèi)存速率跟不上處理器速率，多核架構(gòu)下為保證內(nèi)存共享不出錯，硬件用存儲仲裁器串行電路，降低內(nèi)存吞吐率。解決部件：處理器引入轉(zhuǎn)譯后備緩沖（TLB）和高速緩存（Cache）來應(yīng)對此問題。122.

2微型計算機主機的基本組成微型計算機的硬件系統(tǒng)是指計算機系統(tǒng)中看得見、摸得著的物理裝置，即機械器件、電子線路等設(shè)備。主機是計算機硬件系統(tǒng)的主體部分，在機箱中有主板、CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、電源、散熱器、光驅(qū)等硬件設(shè)備，通過機箱將各個設(shè)備封裝起來，同時對主機內(nèi)部的重要設(shè)備起到保護作用。1．主機在計算機硬件系統(tǒng)中，習慣上把內(nèi)存與CPU合稱為主機。主機是整個計算機的中心，從外觀上看是一個整體，打開機箱后，其內(nèi)部主要由多個獨立配件構(gòu)成，基本的配件包括CPU、主板、內(nèi)存、硬盤、電源、散熱器、電源線、數(shù)據(jù)線等設(shè)備，其中主板是主機內(nèi)各硬件設(shè)備連接的平臺，計算機的各個設(shè)備都與主板直接或間接相連。1314主機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU硬盤CPU散熱器電源內(nèi)存15主板2．CPUCPU被制作在一塊集成電路芯片上，也稱為微處理器。CPU作為計算機系統(tǒng)的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元。（1）CPU的基本組成計算機利用CPU處理數(shù)據(jù)，利用存儲器來存儲數(shù)據(jù)。CPU是微型計算機的核心，主要包括運算器和控制器兩大部分，控制著整個計算機系統(tǒng)的工作。計算機的性能主要取決于CPU的性能。運算器又稱為算術(shù)邏輯部件，是微型計算機的運算部件。操作時，控制器從存儲器取出數(shù)據(jù)，運算器進行算術(shù)運算或邏輯運算，并把處理后的結(jié)果送回存儲器?？刂破魇俏⑿陀嬎銠C的指揮控制中心。執(zhí)行程序時，控制器從內(nèi)存中取出相應(yīng)的指令數(shù)據(jù)，然后向其他功能部件發(fā)出指令所需的控制信號，完成相應(yīng)的操作，再從內(nèi)存中取出下一條指令執(zhí)行，如此循環(huán)，直到程序完成。評價微型計算機運算速度的指標是CPU的主頻，主頻是CPU的時鐘頻率，主頻的單位是GHz。主頻越高，微型計算機的運算速度越快。16（2）CPU的相關(guān)品牌目前，CPU的相關(guān)品牌主要有“龍芯”、英特爾、AMD，如圖2-1所示。17圖2-1CPU的品牌①“龍芯”?！褒埿尽毕盗行酒怯芍袊茖W院計算技術(shù)研究所設(shè)計研制的，采用MIPS體系結(jié)構(gòu)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品包括龍芯1號、龍芯2號和龍芯3號3個系列，此外還包括龍芯7A1000橋片等。②英特爾。英特爾是美國一家以研制CPU為主的公司，是全球知名的個人計算機配件和CPU制造商。英特爾13代酷睿處理器的產(chǎn)品有i9、i7、i5、i3等。③AMD。美國超威半導體公司是一家專門為計算機、通信和消費電子行業(yè)設(shè)計和制造各種創(chuàng)新的微處理器（CPU、GPU、主板芯片組、電視卡芯片等），以及提供閃存和低功率處理器解決方案的公司。AMD致力為用戶（從企業(yè)、政府機構(gòu)到個人消費者）提供基于標準的、以客戶為中心的解決方案。（3）CPU主要技術(shù)指標①核心數(shù)：在一個CPU芯片內(nèi)封裝的物理內(nèi)核的數(shù)量，核心數(shù)越高，CPU能夠同時并行處理的任務(wù)越多，速度越快。②超線程技術(shù)：利用特殊的硬件指令，把CPU內(nèi)的一個物理內(nèi)核模擬成兩個邏輯芯片來提升處理器執(zhí)行資源的利用率。使用這項技術(shù)，處理器的資源利用率理論上平均可以提升40%。其在英特爾的CPU中已經(jīng)廣泛使用。18③主頻：CPU的時鐘頻率，是CPU內(nèi)核電路的實際工作頻率，反映CPU的運算速率，單位是GHz。④外頻：是系統(tǒng)總線的工作頻率（系統(tǒng)時鐘頻率），反映CPU與周邊設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的頻率，單位是MHz。⑤倍頻：CPU主頻與外頻的倍數(shù)，即主頻=外頻×倍頻。⑥內(nèi)部Cache：為了減少CPU等待內(nèi)存或者低速設(shè)備的數(shù)據(jù)與指令所導致的時延，提高系統(tǒng)的性能，在CPU芯片內(nèi)部都集成了一定容量的Cache，用于暫時存儲CPU運算時需要的部分指令和數(shù)據(jù)。（4）CPU插座CPU插座用來安裝CPU的接口，使CPU得以正常工作。CPU插座主要分為套接字（Socket）、插槽（Slot）兩類。（5）接口方式

接口方式有引腳式、卡式、觸點式、針腳式等，CPU接口方式不同，插孔數(shù)、體積、形狀都有變化，所以不能互相接插。193．主板主板是計算機穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，承載起計算機中的各種部件并使它們得以進行數(shù)據(jù)交換。CPU、內(nèi)存、顯卡以及電源等都必須連接到主板上使用。主板又叫主機板（Mainboard）、系統(tǒng)板（Systemboard）或母板（Motherboard），它安裝在機箱內(nèi)，是計算機最基本的也是最重要的部件之一。主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計算機的主要電路系統(tǒng)，一般有基本輸入/輸出系統(tǒng)（BasicInput/OutputSystem，BIOS）芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關(guān)接口、指示燈插接件、擴充槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。4．存儲器存儲器是計算機中的記憶存儲部件。存儲器既能夠接收和保存數(shù)據(jù)，又能夠向其他部件提供數(shù)據(jù)。存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩大類。（1）內(nèi)部存儲器（主存儲器）微型計算機的內(nèi)部存儲器簡稱為內(nèi)存，也稱主存，是計算機的重要部件之一。它是外部存儲器與CPU進行溝通的橋梁，計算機中所有程序都在內(nèi)存中運行。內(nèi)存性能的強弱影響計算機整體發(fā)揮的水平。20①內(nèi)存的分類。廣義上半導體存儲器按工作原理分類，可分為只讀存儲器（Read-OnlyMemory，ROM）、隨機存取存儲器（RandomAccessMemory，RAM），通常所說的內(nèi)存一般是指RAM。ROM的特點：存儲的信息只能讀出（取出），不能改寫（存入），斷電后信息不會丟失。一般用來存放專用的或固定的程序和數(shù)據(jù)。RAM的特點：可以讀出，也可以改寫，又稱讀寫存儲器。讀取時不損壞原有存儲的內(nèi)容，只有寫入時才修改原來所存儲的內(nèi)容；斷電后，存儲的內(nèi)容立即消失。內(nèi)存通常是按字節(jié)為單位編址的，1個字節(jié)由8個二進制位組成。②內(nèi)存的結(jié)構(gòu)。內(nèi)存主要由半導體元件構(gòu)成，將多個半導體元件封裝在一起構(gòu)成一個內(nèi)存芯片，在實際使用中，一個內(nèi)存芯片在容量上無法滿足計算機系統(tǒng)的需求，由若干個芯片組成的模塊做成的電路插件板，稱為內(nèi)存條。目前廣泛使用的內(nèi)存是雙倍數(shù)據(jù)速率同步動態(tài)隨機存儲器，簡稱為DDR，DDR有多種規(guī)格。不同規(guī)格的內(nèi)存的缺口的位置不一樣，不同規(guī)格的內(nèi)存的核心電壓不一樣，原則上不能混合使用，使用的內(nèi)存的規(guī)格一般由CPU和主板的類型來決定。21③內(nèi)存主要性能指標。a．存儲容量：內(nèi)存條所能存放的數(shù)據(jù)總量。b．數(shù)據(jù)傳輸頻率：表示內(nèi)存穩(wěn)定運行的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，例如，DDR57200，表示對應(yīng)的內(nèi)存能以7200MHz的頻率穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳輸頻率越大，內(nèi)存的數(shù)據(jù)吞吐量越大，單位時間能夠傳送的信息量越大。c．CAS時延（CASLatency，CL）：表示內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的時延，反映內(nèi)存接到CPU指令后的反應(yīng)速度。（2）外部存儲器（輔助存儲器）外部存儲器簡稱外存，又稱輔助存儲器。外存可分為硬盤存儲器、移動硬盤、U盤和光盤等多種類型。①硬盤存儲器。硬盤存儲器習慣上被稱為硬盤。硬盤是計算機主要的存儲介質(zhì)之一。目前傳統(tǒng)的機械硬盤主要是采用溫切斯特（Winchester）技術(shù)，即盤片與磁頭密封在盤殼內(nèi)，鍍磁盤片固定在軸上，并高速旋轉(zhuǎn)，磁頭沿盤片徑向移動且懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片接觸，故又稱為溫切斯特式硬盤。22

硬盤通常內(nèi)置于機箱內(nèi)，也可以為其加裝硬盤盒作為移動硬盤使用，移動硬盤攜帶方便，通常使用通用串行總線（UniversalSerialBus，USB）接口和計算機相連。由于硬盤是內(nèi)置在硬盤驅(qū)動器里的，所以一般就把硬盤和硬盤驅(qū)動器混為一談了。平常所說的C盤、D盤，與真正的硬盤不完全是一回事。硬盤的術(shù)語稱為“物理硬盤”，可以將一個物理硬盤分區(qū)，分為C盤、D盤、E盤等若干個“邏輯硬盤”。一個硬盤一般由多個盤片組成，盤片的每一面都有一個讀寫磁頭。硬盤在使用時，要將盤片格式化成若干個磁道，每個磁道再被劃分為若干個扇區(qū)。硬盤的存儲容量計算：存儲容量＝磁頭數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)（512B）。硬盤的一個重要的性能指標是存取速度。影響存取速度的因素有：主軸的旋轉(zhuǎn)速度（簡稱為轉(zhuǎn)速）、平均訪問時間、傳輸速率和緩存等。a．轉(zhuǎn)速：硬盤內(nèi)電機主軸的旋轉(zhuǎn)速度，一般轉(zhuǎn)速越快，尋找文件的速度越快，相對的硬盤的傳輸速率也越高。b．平均訪問時間：指磁頭從起始位置到達目標磁道位置，并從目標磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時間，體現(xiàn)了硬盤的讀寫速度。平均訪問時間=平均尋道時間+平均等待時間。c．傳輸速率：硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度。d．緩存：硬盤內(nèi)部存儲和外界接口之間的緩沖存儲器。23②移動硬盤。指采用USB或IEEE1394接口，可以隨時插入或拔出，小巧而便攜的硬盤存儲器，以較高的速度與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。③U盤。U盤具有存儲容量大、攜帶方便、存儲速度快、不需要驅(qū)動器等特點，能通過USB接口和計算機相連，即插即用、支持熱插拔。④光盤。光盤（OpticalDisc）是一種利用激光技術(shù)將信息寫入和讀出的高密度存儲媒介，能在光盤上進行信息讀出或?qū)懭氲脑O(shè)備稱為光盤驅(qū)動器。5．擴充槽擴充槽（ExpansionSlot）是主板上用于固定擴展卡并將其連接到系統(tǒng)總線上的插槽，也叫擴展插槽、擴充插槽。擴充槽是一種添加或增強計算機特性及功能的方法。例如，不滿意主板整合顯卡的性能，可以添加獨立顯卡以增強顯示性能；不滿意板載聲卡的音質(zhì)，可以添加獨立聲卡以增強音效；不支持USB4.0或IEEE1394的主板，可以通過添加相應(yīng)的USB4.0擴展卡或IEEE1394擴展卡以獲得該功能；等等。24擴充槽的種類主要有內(nèi)存插槽、PCI插槽、SATA、前置控制面板接口、電源接口等。歷史上出現(xiàn)過，但早已經(jīng)被淘汰掉的有MCA插槽、EISA插槽以及VESA插槽等。未來的主流擴充槽是PCI-E插槽。在選購主板產(chǎn)品時，擴充槽的種類和數(shù)量是重要指標。有多種類型和足夠數(shù)量的擴充槽就意味著今后有足夠的可升級性和設(shè)備擴展性，反之則會在今后的升級和設(shè)備擴展方面碰到巨大的障礙。（1）內(nèi)存插槽內(nèi)存插槽是主板上用來插內(nèi)存條的插槽，主板所支持的內(nèi)存種類和容量都由其來決定。內(nèi)存插槽的主要類型如下。①單列直插式內(nèi)存組件（SingleIn-LineMemoryModule，SIMM）插槽：內(nèi)存條正反兩面的“金手指”提供相同的信號，如圖2-2所示。②雙列直插式內(nèi)存組件（DualIn-LineMemoryModule，DIMM）插槽：“金手指”兩端不互通，各自獨立傳輸信號，滿足更多數(shù)字信號的傳送需求，如圖2-3所示。③Rambus直插式內(nèi)存組件（RambusIn-LineMemoryModule，RIMM）插槽：Rambus動態(tài)隨機存儲器（RambusDynamicRandomAccessMemory，RDRAM）采用的接口類型，此內(nèi)存已退出市場。2526

圖2-2SIMM插槽

圖2-3DIMM插槽（2）PCI-E插槽PCI-E全稱是PCIExpress，是新一代的總線接口，用于連接顯卡，如圖2-4所示。PCI-E插槽根據(jù)傳輸速率分為×1、×2、×4、×8和×16。PCI-E×1能夠提供250MB/s的傳輸速率，PCI-E×16的傳輸速率達到了4GB/s。（3）PCI插槽PCI插槽用來安裝使用PCI接口的聲卡、網(wǎng)卡等設(shè)備，是目前微型計算機中應(yīng)用非常廣泛的一種插槽，不同生產(chǎn)廠商、不同型號的主板上的PCI插槽的數(shù)量也不相同，如圖2-5所示。一般主板提供了2～3個PCI插槽，PCI插槽一般為白色或乳白色，也有的PCI插槽的顏色是藍色。27

圖2-4PCI-E插槽

圖2-5PCI插槽（4）SATA插槽串行先進技術(shù)總線附屬接口（SerialAdvancedTechnologyAttachmentInterface，SATA）插槽主要用于通過排線連接硬盤、光驅(qū)等存儲設(shè)備，如圖2-6所示。SATA插槽是一個7針的插槽，一般位于主板的左下角、南橋芯片附近，一般的主板上會有4～6個SATA插槽。（5）前置控制面板接口前置控制面板接口用來連接機箱面板上的電源指示燈、硬盤工作指示燈、電源開關(guān)、復位開關(guān)和機箱喇叭等，為它們提供電源，如圖2-7所示。該接口插針比較多，不同生產(chǎn)廠商、不同型號的主板對插針連接的定義一般都不同，需要查閱對應(yīng)的主板說明書，連接時需要注意插針的位置以及插針的正負極。28圖2-6SATA插槽圖2-7前置控制面板接口（6）電源接口①主板電源接口。一個24引腳的接口，用于連接電源排線，為計算機各個部件提供所需要的電壓，如圖2-8所示。②CPU電源接口。為了CPU能夠穩(wěn)定運行，在主板上專門有一個4針接口用來連接電源，為CPU進行單獨供電，通常位于CPU附近，如圖2-9所示。③CPU風扇電源接口。主要為CPU散熱系統(tǒng)的風扇提供電源，為4針接口，如圖2-10所示。29圖2-8主板電源接口圖2-9CPU電源接口圖2-10CPU風扇電源接口6．適配卡適配卡（AdapterCard）是一種擴充卡，可以插入主機板上的擴充卡連接器。通過在擴充總線與外部設(shè)備之間提供接口，適配卡可以為系統(tǒng)添加某些特定功能。計算機當中有許許多多的適配卡，例如，顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、Modem卡、電視卡、小型計算機系統(tǒng)接口（SmallComputerSystemInterface，SCSI）卡、集成開發(fā)環(huán)境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE）接口卡，它們通過主板上的AGP、PCI或ISA總線插槽與主板相連接。顯卡需要與主板進行數(shù)據(jù)交換才能正常工作，所以必須有與之對應(yīng)的總線接口。顯卡從最早的使用ISA接口的顯卡，發(fā)展到使用PCI接口的顯卡，再到如今的使用AGP接口的顯卡。302.

3計算機輸入/輸出設(shè)備輸入/輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)中通過接口與主機連接的外部設(shè)備的總稱。若按信息流向的不同進行分類，大多數(shù)計算機使用者接觸較多的設(shè)備中，鍵盤、鼠標、話筒、攝像頭、掃描儀都是典型的輸入設(shè)備，顯示器、打印機、耳機則是輸出設(shè)備，而可讀寫的光驅(qū)、移動存儲設(shè)備、磁帶錄音（錄像）機和用于虛擬場景的頭盔等設(shè)備，它們既能作為輸入設(shè)備又能作為輸出設(shè)備，就算作I/O設(shè)備了。1．輸入/輸出設(shè)備的分類依據(jù)信息流向的不同，輸入/輸出設(shè)備可以分成輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和I/O設(shè)備等三大類。按與計算機交換信息的對象不同，輸入/輸出設(shè)備可以分為以下3類。①人機交互設(shè)備。②數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。③計算機與計算機交互設(shè)備。按數(shù)據(jù)處理的功能進行分類。除了輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，還有外存設(shè)備、多媒體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和外圍處理機設(shè)備等多種類型。312.3.1輸入/輸出設(shè)備2．工作特點輸入/輸出設(shè)備按不同的應(yīng)用可以有很多不同的分類方法。但是，它們一般均有以下工作特點。（1）異步性外部設(shè)備與主機的CPU之間沒有統(tǒng)一的時鐘頻率控制，有些外部設(shè)備的工作速度很慢，它們的操作過程既要在某一時刻受CPU的控制，又要獨立運行，必然會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒叫院洼斎搿⑤敵鲈跁r間上的任意性。（2）實時性一個計算機系統(tǒng)可能會同時連接多個外部設(shè)備，若某個數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)處理速度很高，要求CPU及時地從該設(shè)備獲取數(shù)據(jù)或向該設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就會出現(xiàn)丟失信息的危險。（3）多樣性不同類型的設(shè)備差異很大，信息類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多種多樣，這就造成了主機與外部設(shè)備之間的連接的復雜性。（4）統(tǒng)一性計算機和外部設(shè)備之間采用了一些標準化的接口，各類外部設(shè)備用自己的設(shè)備控制器和標準接口與主機連接，使主機無須了解外部設(shè)備的具體要求，通過統(tǒng)一的控制程序就能實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。322.3.2計算機的輸入設(shè)備輸入設(shè)備是在用戶和計算機系統(tǒng)之間交換信息的主要設(shè)備之一。計算機可以接收各種數(shù)據(jù)，既有數(shù)字數(shù)據(jù)，也有非數(shù)字數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過不同類型的輸入設(shè)備輸入計算機中，進行存儲、處理。輸入設(shè)備向計算機中輸入命令和數(shù)據(jù)，使用戶與計算機進行交互。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機的輸入方式由原來的紙帶輸入到鍵盤輸入、鼠標輸入，再到觸摸輸入，共經(jīng)歷了4個階段?，F(xiàn)在人們正致力于使計算機具有“聽覺”和“視覺”，使計算機理解人說的話和人寫的話，并模擬人們接收信息的方式接收信息。因此，人們開辟了新的研究方向，包括模式識別、人工智能、信號與圖像處理等。在這些研究方向的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了語言識別、文本識別、自然語言求解和機器視覺等研究方向。計算機輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆、手寫繪圖輸入設(shè)備、攝像頭、傳真機、語音輸入設(shè)備、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、觸摸屏等。332.3.3計算機的輸出設(shè)備輸出設(shè)備（OutputDevice）是計算機硬件系統(tǒng)的終端，用于把計算機處理的數(shù)據(jù)顯示為用戶可以辨別的各類形式，比如圖像、數(shù)字和符號等。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、音箱、繪圖儀等。2.4微型計算機的各種硬件接口與端口342.4.1微型計算機的硬件接口一般情況下，微型計算機的外部接口用于連接鍵盤、鼠標、音頻、麥克風、顯示器、電源線、打印機和其他設(shè)備等。微型計算機的常用接口如圖2-11所示。圖2-11微型計算機的常用接口351．視頻相關(guān)接口（1）VGA接口視頻圖形陣列（VideoGraphicArray，VGA）接口可以說是之前使用非常廣泛的視頻接口，它共有15針，分成3排，每排5個孔，如圖2-12所示。但是，隨著高清影像傳輸?shù)男枨笤龃?，很多高端顯卡和顯示器上都慢慢地取消了VGA接口，但通過轉(zhuǎn)接頭也可以繼續(xù)使用VGA接口。（2）DVI接口數(shù)字視頻交互（DigitalVideoInteractive，DVI）接口包括DVI-A、DVI-D和DVI-I這3種接口，DVI相較于VGA接口有很多優(yōu)勢，如可以顯示更高清晰度的畫面，更適合動態(tài)圖像處理，傳輸更穩(wěn)定，如圖2-13所示。

圖2-12VGA接口圖2-13DVI接口36（3）HDMI高清晰度多媒體接口（HighDefinitionMultimediaInterface，HDMI）是可以同時傳輸視頻及音頻的全數(shù)字化接口，是一種高清晰度接口，如圖2-14所示。目前，大部分計算機都使用這個接口。HDMI的版本有1.0～1.2a版、1.3～1.3a版、1.4～1.4b版、2.0～2.0b版、2.1版等，而不同版本是可以相互兼容的，主要區(qū)別是傳輸帶寬的高低。圖2-14HDMI37（4）DP接口DP接口類似于HDMI，也是一種高清晰度的數(shù)字顯示接口，可以同時傳輸視頻和音頻，它和VGA接口、DVI接口兼容，如圖2-15所示。（5）雷電接口雷電接口最初和MiniDP接口在外形上一模一樣，現(xiàn)如今的接口形狀改為了USBType-C的形狀，如圖2-16所示。它可以用于視頻傳輸以及其他數(shù)據(jù)傳輸，例如，雷電接口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)口。圖2-15DP接口圖2-16雷電接口382．音頻相關(guān)接口主板上的聲卡通常有6種不同顏色的音頻接口，不同顏色的音頻接口有不同的功能，如圖2-17所示。①粉色接口：MICin，麥克風輸入。②藍色接口：Linein，線路輸入。③綠色接口：Front，前端揚聲器（左右）。④橙色接口：C/LEF，中置/低頻加強聲道。⑤黑色接口：Rear，后端揚聲器（左右）。⑥灰色接口：Side，側(cè)環(huán)繞揚聲器（左右）。通常2.1聲道音頻輸出只連接綠色的音頻接口，5.1聲道連接綠色、橙色、黑色這3個音頻接口，7.1聲道則連接綠色、橙色、黑色、灰色這4個音頻接口。麥克風統(tǒng)一連接粉色音頻接口。圖2-17音頻接口393．數(shù)據(jù)相關(guān)接口USB接口可以說是大眾最熟悉的接口之一，多用于連接鼠標、鍵盤、移動硬盤、打印機等帶有USB接口的設(shè)備。USB經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，其傳輸速率已經(jīng)從最初USB1.0的1.5Mbit/s提升到今天USB4.0的40Gbit/s。USB接口版本主要有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1，以及USB4.0，而USB的不同版本是可以相互兼容的。不同的USB版本，一般可以通過顏色進行區(qū)分，一般情況下，USB2.0接口是黑色的，USB3.0接口是藍色的，如圖2-18所示。圖2-18USB接口40（1）USB1.0USB1.0的傳輸速率只有1.5Mbit/s，USB1.0在1998年升級版本為USB1.1，最高傳輸速率也提升到12Mbit/s，即1.5MB/s。（2）USB2.0USB2.0的傳輸速率達到了480Mbit/s，即60MB/s，USB2.0的驅(qū)動程序可以驅(qū)動USB1.1，并且能夠和USB1.1兼容。（3）USB3.0USB3.0在完美條件下的極限傳輸速率為5Gbit/s，但在生活中只能達到極限狀態(tài)值的80%，相當于USB2.0的極限傳輸速率的10倍，傳輸速率顯著提升。USB3.0在物理層采用8b/10b的編碼方式，這樣算下來的極限傳輸速率就是4Gbit/s，但現(xiàn)實環(huán)境中的傳輸速率還會再少一些。（4）USB3.1USB3.1Gen2是目前最新的USB技術(shù)，該技術(shù)由英特爾等公司提出，數(shù)據(jù)傳輸速率可提升至10Gbit/s。與USB3.0（即USB3.1Gen1）技術(shù)相比，新USB技術(shù)使用更高效的數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)，并提供更高的有效數(shù)據(jù)吞吐率。它完全向下兼容現(xiàn)有的USB連接器與線纜。USB3.1Gen2兼容現(xiàn)有的USB3.0軟件堆棧和設(shè)備協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸速率為5Gbit/s的集線器與設(shè)備、USB2.0產(chǎn)品等。41USB標準化組織（USBImplementersForum，USB-IF）統(tǒng)一USB的命名規(guī)范，原來的USB3.0和USB3.1將不再被命名，所有的USB標準被叫作USB3.2，考慮到兼容性，USB3.0至USB3.2分別被叫作USB3.2Gen1、USB3.2Gen2、USB3.2Gen2×2。（5）USB4.0USB4.0協(xié)議是在2019年發(fā)布的，在硬件接口上，新一代的USB4.0采用了Type-C的硬件接口，它本質(zhì)上基于英特爾公司的雷電3（Thunderbolt3）協(xié)議，支持40Gbit/s的數(shù)據(jù)吞吐率，也支持USB標準，能夠兼容雷電3、USB3.2、USB3.1及USB2.0等協(xié)議。隨著各種移動端設(shè)備向輕薄化、便攜化方向發(fā)展，加上USB4.0也使用了Type-C接口，以后的設(shè)備接口選型方向，將會統(tǒng)一采用USB4.0協(xié)議的Type-C接口。（6）USB-B（Type-B）USB-B接口一般用來連接打印設(shè)備、顯示器、硬盤等。（7）USB-C（Type-C）USB-C接口無正反面區(qū)分，盲插會更方便，有很多手機也采用這種接口。424．PS/2接口PS/2接口主要用于連接鍵盤和鼠標，常見于臺式計算機。PS/2接口通常有顏色標記，紫色的是鍵盤接口，綠色的是鼠標接口，如圖2-19所示。但是，現(xiàn)在很多計算機習慣使用USB接口來連接鍵盤和鼠標。圖2-19PS/2接口2.4.2

微型計算機的端口“端口”是英文Port的意譯，可以認為是設(shè)備與外界通信交流的出口。端口可分為邏輯端口和物理端口，其中邏輯端口指計算機內(nèi)部或交換機路由器內(nèi)的端口，通常不可見，例如計算機中的80端口、21端口、23端口等。物理端口又稱為接口，是可見端口，例如，計算機背板的RJ45網(wǎng)口、SC端口等，交換機路由器集線器的RJ45端口等，電話使用的RJ11插口等都屬于物理端口的范疇。CPU通過接口寄存器或特定電路與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，這些寄存器或特定電路稱為端口。其中硬件領(lǐng)域的端口又稱接口，例如，并行端口、串行端口等。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，端口有好幾種意思。其中集線器、交換機、路由器的端口指的是連接其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口，如RJ45端口、Serial端口等。我們這里所指的端口不是指物理意義上的端口，而是特指傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）中的端口，是邏輯意義上的端口。軟件領(lǐng)域的端口一般指網(wǎng)絡(luò)中面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)的通信協(xié)議端口，是一種抽象的軟件結(jié)構(gòu)，包括一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和I/O緩沖區(qū)。431．端口分類邏輯意義上的端口有多種分類標準，下面介紹兩種常見的分類。（1）按端口號分布劃分①知名端口知名端口（Well-KnownPorts）即眾所周知的端口，端口號范圍是0～1023，這些端口一般固定分配給一些服務(wù)。例如，21端口分配給文件傳送協(xié)議（FileTransferProtocol，F(xiàn)TP）服務(wù)，25端口分配給簡單郵件傳送協(xié)議（SimpleMailTransferProtocol，SMTP）服務(wù)，80端口分配給超文本傳送協(xié)議（HypertextTransferProtocol，HTTP）服務(wù)，135端口分配給遠程過程調(diào)用（RemoteProcedureCall，RPC）服務(wù)，等等。MySQL默認使用3306端口，Redis默認使用6379端口，Tomcat默認使用8080端口，SSH默認使用22端口。我們在瀏覽器的地址欄里輸入網(wǎng)址時是不必指定端口號的，因為在默認情況下的Web服務(wù)的端口是“80”。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是可以使用其他端口的，如果不是默認的端口則應(yīng)該在地址欄上指定端口號，方法是在地址后面加上半角冒號“:”，再加上端口號，如使用“8080”作為Web服務(wù)的端口，則需要在地址欄里輸入“網(wǎng)址:8080”。但是有些系統(tǒng)協(xié)議使用固定的端口，它是不能被改變的，如139端口專門用于NetBIOS與TCP/IP之間的通信，不能手動改變。44②動態(tài)端口動態(tài)端口（DynamicPorts）的端口號范圍是1024～65535，這些端口一般不固定分配給某個服務(wù)，而是采用動態(tài)分配，也就是說許多服務(wù)都可以使用這些端口。只要運行的程序向系統(tǒng)提出訪問網(wǎng)絡(luò)的申請，那么系統(tǒng)就可以從這些端口中分配一個供該程序使用。如1024端口就會被分配給第一個向系統(tǒng)發(fā)出申請的程序。在關(guān)閉程序進程后，就會釋放所占用的端口。不過，動態(tài)端口也常常被病毒木馬程序所利用，如冰河默認連接端口是7626，WAY2.4默認連接的端口是8011，NetSpy3.0默認連接的端口是7306，YAI病毒默認連接的端口是1024等。③注冊端口注冊端口的端口號范圍是1024～49151，這些端口被分配給用戶進程或應(yīng)用程序。這些進程主要是用戶選擇安裝的一些應(yīng)用程序，而不是已經(jīng)分配好公認端口的常用程序。這些端口在沒有被服務(wù)器資源占用的時候，可以被用戶端動態(tài)選用為源端口。45（2）按協(xié)議類型劃分按協(xié)議類型劃分，可以分為TCP、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）、IP和互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議（InternetControlMessageProtocol，ICMP）等端口。下面主要介紹TCP和UDP端口。①TCP端口。TCP端口，即傳輸控制協(xié)議端口，需要在客戶端和服務(wù)器之間建立連接，這樣可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。常見的包括FTP服務(wù)的21端口、遠程上機（Telnet）服務(wù)的23端口、SMTP服務(wù)的25端口以及HTTP服務(wù)的80端口等。②UDP端口。UDP端口，即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議端口，無須在客戶端和服務(wù)器之間建立連接，安全性得不到保障。常見的有域名系統(tǒng)（DomainNameSystem，DNS）服務(wù)的53端口、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SimpleNetworkManagementProtocol，SNMP）服務(wù)的161端口、QQ使用的8000和4000端口等。由于TCP和UDP兩個協(xié)議是獨立的，因此各自的端口也相互獨立，如TCP有235端口，UDP也可以有235端口，兩者并不沖突。462．端口的作用一臺擁有IP地址的主機可以提供許多服務(wù)，如Web服務(wù)、FTP服務(wù)、SMTP服務(wù)等，這些服務(wù)完全可以通過1個IP地址來實現(xiàn)。那么，主機是怎么區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的呢？顯然不能只靠IP地址，因為IP地址與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是一對多的關(guān)系。實際上是通過IP地址和端口號來區(qū)分不同的服務(wù)的。需要注意的是，端口并不是一一對應(yīng)的。例如，用戶的計算機作為客戶端訪問一臺Web服務(wù)器時，Web服務(wù)器使用“80”端口與用戶的計算機通信，但用戶的計算機則可能使用“3457”這樣的端口。472.5微型計算機的主要性能指標48將計算機系統(tǒng)的主要性能指標與筆記本電腦裝配流水線的指標進行類比，便于理解主頻、字長和運算速度等計算機系統(tǒng)的性能指標。例如，明德公司的筆記本計算機生產(chǎn)企業(yè)有多條組裝筆記本計算機的生產(chǎn)線，如果生產(chǎn)線每天有效裝配時間為6h，生產(chǎn)線的節(jié)拍為平均每分鐘裝配1臺筆記本計算機（即生產(chǎn)線的生產(chǎn)周期為1min），那么一條生產(chǎn)線每天的裝配產(chǎn)品數(shù)量為360臺，如果有2條生產(chǎn)線同時開工，那么每天可以裝配筆記本計算機720臺。主要性能指標：1．主頻2．字長3．運算速度4．存儲容量操作訓練49【操作訓練2