计算机系统组成

1、计算机系统的组成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，如图2.1所示。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础，如中央处理器（CPU)、存储器、输入设备、输出设备等。硬件系统又称为裸机，裸机只能识别由0和1组成的机器代码，没有软件系统的计算机几乎是没有用的。软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。实际上，用户面对的是经过若干层软件“包装”的计算机，计算机的功能不仅仅取决于硬件系统，在更大程度上它是由所安装的软件系统所决定的。

图1 计算机系统组成

当然，在计算机系统中，软件和硬件的功能并没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件实现，称为硬化或固化，如微刑计管和的ROM芯比中就是固化了系统的引导程序：同样，硬件实现的功能也可以用软件实现，称为硬件软化，如在多媒体计算机中，视频卡用于对视频信息的处理(包括获取、编码、压缩、存储、解压缩和回放等)，现在的计算机一般通过软件（如播放软件）来实现。

对于一些具体功能，到底是由硬件来实现还是由软件来实现并无严格规定，完全由设计人员依据经济性、可行性、合理性来决定。一般来说，同一功能用硬件来实现，速度快，可减少所需存储容量，但灵活性和话应性美日成术较意，田轻件来实现，可提高灵活性和适应性，但通常是以降低速度来换取的。

2.计算机系统的层次结构

如上所述，计算机系统由硬件和软件组成，硬件和软件又分很多种类，那么综合起来，一个计算机系统实际上又是按层次结构组织起来的，这种层次结构如下图所示。

最内层是硬件，与硬件直接接触的是操作系统，操作系统属于系统软件，它直接控制和管理硬件。操作系统外层为各种语言处理程序等软件，各种语言处理程序的外层为各种应用程序、软件包，最外层才是用户程序。

在这种层次关系中，各层之间的关系是这样的：内层是外层的支撑环境，外层可以不必了解内层的细节，只需根据约定规则来使用即可。

在这个层次关系中，操作系统起到“承内启外”至关重要的作用，它直接向内控制硬件，向外支持其他软件，它将用户与机器硬件隔离开来，凡是对硬件的一切操作均转化为对操作系统的调用，而最终由操作系统控制硬件来完成，所以操作系统是用户和硬件的接口，它方便了用户，并能最大限度地开发、利用和发挥硬件的潜能。

3.计算机系统的硬件组成

半个多世纪以来，虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机相比有很大差别，但基本结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机，其体系结构都是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成的。

（1）运算器

运算器，又称为算术逻辑运算单元(arithmetic logic unit，ALU)，它的主要功能是对二进制代码进行算术运算和逻辑运算。计算机中最主要的工作是运算，大量的数据运算任务是在运算器中进行的。

在计算机中，算术运算是指加、减、乘、除等基本运算：逻辑运算是指逻辑判断、关系比较及其他基本逻辑运算，如与、或、非等。但不管是算术运算还是逻辑运算，都只是基本运算。也就是说，运算器只能做这些最简单的运算，复杂的运算都要通过基本运算一步步实现。然而，运算器的选算速度却快得惊人，因而计算机才有高速的信息处理功能。

运算器中的数握取内左，运首的结果又送回内存。运算器对内存的读/写操作是在控制器的控制之下进行的。

（2）控制器

控制器(control unit，CU）是整个硬件系统的控制中心，只有在它的控制之下整个计算机才能有条不紊地工作，自动执行程序。控制器的功能是依次从存储器取出指令、翻译指令、分析指令，再向其他部件发出控制信号，指挥计算机各部件协同工作。

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序控制电路和微操作控制电路等组成。其中：

1)程序计数器（program counter，PC)。它用来对程序中的指令进行计数，使控制器能够依次读取指令。

2)指令寄存器（instruction register，IR)。它用来在指令执行期间暂时保存正在执行的指令。

3)指令译码器（instruction decoder，ID)。它用来识别指令的功能，分析指令的操作要求。

4）时序控制电路。它用来生成时序信号，以协调在指令执行周期各部件的工作。

5）微操作控制电路。它用来产生各种控制操作命令。

(3)存储器

计算机的重要特点之一就是具有存储能力，这是它能自动连续执行程序、进行庞大的信息处理的重要基础。存储器的基本功能是按指定位置(地址）写入或取出信息。

存储器通常分为内存储器和外存储器。

1)内存储器。内存储器简称内存(又称为主存)，是计算机中信息交流的中心。用户通过输入设备输入的程序和数据最初送入内存，控制器执行的指令和运算器处理的数据取自内存，运算的中间结果和最终结果保存在内存中，输出设备输出的信息来自内存，内存中的信息如要长期保存，应送到外存储器中。总之，内存要与计算机的各个部件打交道，进行数据交换。因此，内存的存取速度直接影响计算机的运算速度。

内存通常以半导体芯片作为存储介质，由于价格和技术方面的原因，内存的存储容量受到限制，而且大部分内存是不能长期保存信息的随机存储器，所以还需要能长时间保存大量信息的外存储器。

2）外存储器。外存储器设置在主机外部，简称外存(又称为辅存），主要用来长期存放暂时不用的程序和数据。通常外存不与计算机的其他部件直接交换数据，写内存交换数据，而且不是按单个数据进行存取，而是成批地进行数据交换。

外存与内存有许多不同之处：①外存不用担心停电，如磁盘上的信息可以保存几年，甚至几十年，只读型光盘（CD-ROM)可以永久保存；外存的容量不像内存那样受多种限制，可以大得多，如当今硬盘的容量有500GB、1TB、2TB等：③外存速度慢，内存速度快。

由于外存安装在主机外部，也可以归属外部设备。

存储器的有关术语简述如下。

1)位（bit)。在数字电路和计算机技术中采用二进制，代码只有0和1，其中无论是0还是1，在CPU中都是一位，音译为“比特”。

2）字节(byte）。8个二进制位为1字节，音译为“拜特”。这里便于衡量存储器的大小，统一以字节为单位，简记为B，1B=8bit。存储容量一般用千字节(KB)、兆字节（MB)、吉字节（GB）、太字节（TB）表示，它们之间的换算关系为

1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

3)字长（length word）。字长是CPU在单位时间内(同一时间）能一次处理的二进制数的位数。有8位、16位、32位和64位等，也就是通常所说的8位机、16位机、32位机和64位机等。显然，字长越长，计算机一次处理的数据位数越多，运算精度越高，处理速度越快，但价格也高。通常，字长是8的整数倍。

4)地址(address)。在微型计算机中，整个内存被分成一个个字节，每个字节都由一个唯一的地址来标识，如同旅馆中每个房间必须有唯一的房间号，才能找到该房间内的人一样。CPU能够访问内存的最大寻址范围与CPU的地址线的根数有关。例如，若CPU的地址总线有32根，则寻址范围为0～232-1。

位、字节和字长之间的关系如图2.3所示。

（4）输入设备

输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转换为计算机可以识别的形式（二进制代码）存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。

（5)输出设备

输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转换为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。

4.计算机的基本工作原理

(1）计算机的指令系统

指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。一条指令通常由操作码和操作数两部分组成。

 1）操作码。操作码用来指明该指令要完成的操作的类型或性质。例如，取数、做加法或输出数据等。操作码的位数决定了一个机器操作指令的条数。当使用定长操作码格式时，若操作码位数为n，则指令条数可有2”条。

2)操作数。操作数用来指明操作对象的内容或所在的单元地址。操作数在大多数情况下是地址码，地址码可以石~3个从地址码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的存放地址，也可以是操作结果的存放地址。

一台计算机中所有指令的集合称为该计算机的指令系统。计算机的指令系统决定了计算机硬件的主要性能和基本功能。指令系统以微指令的形式固化在计算机的CPU中，不同的CPU的指令系统也不尽相同。指令系统不但能在硬件上实现，而且它又是软件的基础，所以说指令系统实际上是计算机软、硬件的界面。

不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同，但无论哪种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令。

1)数据传送类指令。该类指令将数据在内存与CPU之间进行传送。例如，存储器传送指令、内部传达指令、输入/输出传送指令、堆栈指令等。

2)数据处理指令。该类指令对数据进行算术运算、逻辑运算、移位和比较。例如，算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比较指令等。

3）程序控制指令。该类指令控制程序中指令的执行顺序。例如，无条件转移指令、条件转移指令、转子程序指令、中断指令、暂停指令、空操作指令等。

4）状态管理指令。该类指令包括允许中断指令、屏蔽中断指令等。

(2)指令的执行过程

指令序列在执行前被装进内存中，程序计数器(PC)自动指向指令序列的起始地址。当第一条指令被取走后，PC自动加1(除特殊情况外），用来指向下一条将婴执行的指令地址，以便能够顺序取出下一条指令。取出的指令被加载到指令寄存器中，指令中某些二进制位用来标识控制器要采取的动作，由指令译码器识别和区分不同的指令类型及各种获取操作数的方法。

因此，指令的执行过程可以概括为“取指令一分析指令一执行指令”，然后再取下一条指令，如此周而复始，直到遇到停机指令或外来事件的中断干预为止，如图2.4所示。

计算机的整个工作过程可以归纳为输入、处理、输出和存储4个步骤。用户程序和数

（3）计算机的工作原理

据由输入设备输入到内存中保存，数据由程序交给运算器进行运算处理，所产生的结果或中间结果也存放在存储器中，最终结果由输出设备交给用户。这4个步骤是一个循环过程，但并不一定按照这个顺序操作，而是在指令的指挥下，控制器根据需要决定采取哪一个步骤，整个工作流程都在控制器的控制、协调下有条不紊地转依堵而安伏

计算机的工作过程跟人脑的工作过程非常类似，这也是人们通常将计算机称为“电脑”的原因。下面看一个示例，看看人脑是如何进行计算的。假设要做一道计算题“8+6+2”，

首先，用笔将这道题记录在纸上，经过脑神经元的思考，结合数学知识，先算出6+2=3这一中间结果，然后算出8+3=11这一最终结果，并记录在纸上。将计算题记录在纸上相当于是计算机的存储过程。大脑记住了这道题就相当于计算机的输入过程，根据数学知识进行解题的先后顺序就相当于计算机的程序在控制整个过程，是计算机的处理过程。最后，将结果记录到纸上即相当于计算机输出结果到纸上或显示器上的过程处

计算机工作原理示意图，如图2.5所示。图中 ”空心箭头代表数据和指令，在计算机内由二进制数表示；“-”单箭头代表控制信号，在计算机内表现为高低电平形式，起控制作用。控制器控制输入设备预先把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据输送到计算机内存中。每一条指令明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指今的要求，从在佬器中取出数据讲行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依次进行下去，直至遇到停止指令。



微型计算机的硬件系统

1. 系统主板

          系统主板是微型计算机中最大的一块集成电路板，是微视频2-2微型计算机的硬件系统型计算机中各种部件的连接载体。它是一种融高科技、高工艺为一体的集成产品。PC99技术规格规范了主板设计要求，提出主板各接口必须采用有色识别标识，以方便识别。图2.6所示为一个较典型的系统主板。

系统主板上的主要部件说明如下。

（1）芯片组

芯片组是系统主板的灵魂，它决定了主板的结构及CPU的使用。主板芯片组负责中央处理器与外部设备的信息交换，是在中央处理器与外部设备之间架起的一道桥梁。芯片组由北桥（north bridge)芯片和南桥(south bridge)芯片组成，主要连接ISA(industry standard architecture，工业标准体系结构）设备和l/O设备。北桥芯片是CPU与外部设备之间的联系纽带，负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，AGP、DRAM、PCI插槽和南桥芯片等设备通过不同的总线与它相连；南桥芯片负责管理中断及DMA通道，其作用是让所有的信息都能有效传递。如果把CPU比喻成微型计算机系统的心脏，那么主板上的芯片组就相当于系统的躯干。

(2）CPU插槽

CPU插槽用于固定连接CPU芯片，主板上的CPU插槽类型非常多，从封装形式来看主要分为两大类：一类是插卡式的Slot类型：另一类是传统针脚式的Socket 类型。

（3）内存插槽

随着内存扩展板的标准化，主板给内存预留专用插槽，以便用户扩充内存时能够即插即用。内存插槽根据所接的内存条类型不同，有不同的引脚数量、额定电压和性能。

(4）输入/输出培口及北插槽

不同的设备，特别是以微型计算机为核心的电子设备，都有自己独特的系统结构、控制软件、总线、控制信号等。为使不同设备能连接在一起协调工作，必须对设备的连接有一定的约束或规定，这种约束称为接口协议。实现接口协议的硬件设备叫作接口电路，简称接口。微型计算机接口的作用是使其主机系统能与外部设备、网络及其他用户系统进行有效连接，以便进行数据和信息交换。

输入/输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，简称I/O接口。I/O接口通过总线与CPU相连，并分为总线接口和通信接口。

1）总线接口插槽。总线接口插槽是指把微型计算机总线通过电路插座提供给用户的一种总线插座，供插入各种功能卡用。主板上常见的总线接口插槽类型有以下几种。

①ISA总线扩展槽。一般情况下，声卡、解压卡、网卡、SCXI(small computer system interface，小型计算机系统接口）卡、内置调制解调器等都插在1SA恩线扩展槽中。不过，现在有的新主板中已经没有这一种插槽类型了。

②PCI总线扩展槽。PCI(peripheral component interconnect， 外部设备互联标准)是一个先进的高性能局部总线插槽，其上可插的PCI卡有显卡、声卡、PCI接口的SCSI卡和网卡等。

③AGP总线扩展槽。AGP(accelerated graphics port，图形加速端口）总线用于在主存与显卡的显示内存之间建立一条新的数据传输通道，不需要经过PCI总线就可以让影像和图形数据直接传送到显卡。AGP总线是一种专用的显示点线，目前来说，一块主板只有一个AGP插槽

2）通信接口及其插槽。通信接口是指微型计算机系统与其他系统直接进行数字通信的接口电路，通常分为串行通信接口和并行通信接口，即串口和并口。串口用于把调制解调器等低速外设与微型计算机连接，传送信息的方式是一位一位地依次传送，串口的标准是电子工业协会(Electronic Industry Association，EIA)RS-232标准。并行接口多用于连接打印机等高速外设，其传送信息的方式是按字节进行，即8个二进制位同时进行。

相应地，通信接口插槽包括串口插槽和并口插槽两类。

I/O接口一般做成电路插卡的形式，通常称为适配卡，如硬盘驱动器适配卡(IDE接口）、并行打印机适配卡（并口)、串行通信适配卡(串口）等。在微型计算机系统中通常将这些适配卡做在一块电路上，称为复合适配卡或多功能适配卡，简称多功能卡。

(5)BIOS和CMOS

BIOS(basic input/output system，基本输入/输出系统）在计算机中起最基础而又最重要的作用。BIOS程序通常存放在一块不需要电源的内存芯片中。CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）具有低功耗特性。计算机的BIOS就是存储在由CMOS所制成的ROM或EEPROM(electrically erasable programmable read only memory，带电可擦可编程只读存储器）中（常被混称为CMOS)，所以CMOS是纯粹的硬件。为了简便，人们习惯上把写入了BIOS程序的CMOS存储器统称为BIOS。

BIOS为计算机提供最低级的、最直接的硬件控制，计算机的原始操作都是依照固化在CMOS中的BIOS程序来完成的。准确地说，BIOS是硬件与软件之间的“转换器”，或者说是接口(其实它本身只是一个程序），负责解决硬件的即时需求，并按硬件的操作要求具体执行软件。计算机用户在使用计算机的过程中，都会自觉或不自觉地接触到BIOS。

如今的主板BIOS几乎都采用了Flash ROM设计。Flash ROM是一种可以快速读/写的EEPROM，通过软件完成对BIOS的改写。在打开系统电源或重新启动系统后，当屏幕中间出现“Press<Del>to enter setup”提示时，按【Delete】键，就可进入BIOS设定程序。

存盘退出后，就完成了改写BIOS工作。

2.中央处理器(CPU）

CPU是计算机的核心，其重要性就像大脑对于人一样，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据。CPU的种类决定了操作系统和相应的软件。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成，是计算机的核心。

在近几十年中，CPU的技术水平飞速提高，在速度、功耗、体积和性价比方面平均每18个月就有一个数量级的提高。其功能越来越强，工作速度越来越快，功耗越来越低，结构越来越复杂，从每秒完成几十万次基本运算发展到上亿次，每个微处理器包含的半导体电路元器件也从2000多个发展到数千万甚至上亿个。下图所示的酷容i7微处理器已集成了7.31亿个晶体管。

衡量CPU性能的主要技术指标主要有以下几个。

1)CPU字长。CPU字长是CPU各寄存器之间一次能够传递的数据位，即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。CPU内部有一系列用于暂时存放数据或指令的存储单元，称为寄存器。各个寄存器之间通过内部数据总线来传递数据，每条内部数据总线只能传递1位数据位。该指标反映出CPU内部运算处理的速度和效率。不同的计算机，其字长是不同的，例如有8位、16位、32位和64位等，也就是通常所说的8位机、16位机、32位机和64位机等。显然，字长越长，一次处理的数据位数越多，处理的速度也就越快。

2)CPU主频。CPU主频又称为时钟频率，是CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率，所以又称为CPU内频。例如，Pentium II350的CPU主频为350MHz，Intel酷睿i7的CPU主频为3.2GHz。主频是CPU型号上的标称值。CPU的主频不代表CPU的运算速度。因为CPU的运算速度还要看CPU流水线各方面的性能指标(缓存、指令集、CPU的位数等）。但是，提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的，并且只有在提高主频的同时，各分系统的运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，计算机整体的运行速度才能真正得到提高。

3)CPU的生产工艺技术。通常用单位微米(um）来描述，精度越高表示生产工艺越先进，所加工出的连接线也越细，则可以在同样体积的半导体硅片上集成更多的元器件，CPU的工作主频可以做得很高。因此，提高CPU的工作主频主要受到生产工艺技术的限制。

3.存储器

(1)内存储器

内存储器简称内存，它是存放程序与数据的装置，在计算机内部直接与CPU交换信息。在计算机中，内存按其功能特征可分为以下3类。

1)随机存取存储器(random access memory，RAM)。通常所说的计算机内存容量均指RAM的容量，即计算机的主存。CPU对RAM既可以读出数据又可以写入数据。读出时并不破坏存储单元中的内容，是一种复制，写入时才以新的内容代替旧的内容。一旦关机断电，RAM中的信息将全部消失。

微型计算机上使用的RAM被制作成内存条的形式，如下图所示。

用户可根据自己的需要随时增加内存条来扩展容量，使用时只要将内存条插到主板的内存插槽上即可。常见的内存条大小有512MB、1GB、2GB、4GB、8GB等不同的规格。

2)只读存储器（read only memory，ROM)。CPU对ROM只取不存，ROM中存放的信息一般由计算机制造厂写入并经固化处理，用户是无法修改的。即使断电，ROM中的信息也不会丢失。因此，ROM中一般存放计算机系统管理程序，如微型计算机一通电执行的就是BIOS程序

ROM又可分为PROM(programmable read-only-memory,可编程只读存储器）和EPROM(erasable programmable read-only-memory，擦写可编程只读存储器）两类。其中，PROM中数据一般只能一次性写入，不可能再擦除。EPROM中写入的数据由紫外线照射一定时间后可以消失(擦除）再写入数据时由专用编程器来实现。

3）高速缓冲存储器（cache)）。在计算机系统中，CPU执行指令的速度大大高于内存的读/写速度。由于CPU每执行一次指令，至少要访问内存一次，以读取数据或写入运算结果，所以CPU和内存的速度不匹配就成为一个矛盾。高速缓冲存储器就是为解决这个矛盾而产生的。高速缓冲存储器是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，是CPU和RAM之间的桥梁，用于存放程序中当前最活跃的程序和数据。当CPU读写内存时，先访问高速缓冲存储器，若高速缓冲存储器中没有CPU需要的数据时再访问内存，这一过程表面看起来像是浪费了时间，实际上CPU所需数据往往在高速缓冲存储器中的概率比不在高速缓冲存储器中的概率大得多。所以，从整体上看，高速级冲存储器的设立大大提高了数据的吞吐效率。

高速缓冲存储器和内存之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的，程序员感觉不到高速缓冲存储器的存在，因而它对程序员是透明的。高速缓冲存储器一般由SRAM（static random access memory，静态随机存取存储器）构成，SRAM读过程中没有刷新过程，所以存取速度快。

(2)外存储器

外存储器简称外存，外存设备是内存的后援设备。它与内存相比，具有容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等特点，属“非易失性”存储器。外存一般不直接与CPU打交道，外存中的数据应先调入内存，再由CPU进行处理。为了增加内存容量，方便读写操作，有时将硬盘的一部分当作内存使用，这就是虚拟内存。目前，最常用的外存有硬盘、光盘、闪存盘、可移动式硬盘、固态硬盘等。

1）硬盘。硬盘是由盘片组、主轴驱动机构、磁头、磁头驱动定位机构、读写电路、接口及控制电路等组成，一般置于主机箱内。硬盘是涂有磁性材料的磁盘组件，用于存储数据。磁盘片被固定在电机的转轴上，由电机带动它们一起转动，每个磁盘片的上下两面各有一个磁头，它们与磁盘片不接触。如果磁头碰到了高速旋转的盘片，则会破坏表面的涂层和存储在盘片上的数据，磁头也会损坏。硬盘是一个非常精密的设备，所要求的密封性能很高。任何微粒都会导致硬盘读/写的失败，所以盘片被密封在一个容器之中。

硬盘存储信息的格式是按柱面号、磁头号和扇区号来存放的，如下图所示。柱面是由一组盘片上的同一个磁道纵向形成的同心圆柱构成，柱面编号从0开始从外向内进行，柱面上的磁道是由外向内的一个个同心圆，每个磁道又等分为若干扇区。硬盘信息的读写是由柱面号、磁头号(用来确定柱面上的磁道）和扇区号来确定读写的具体位置。磁头从0开始编号，扇区从1开始编号。

硬盘的存储容量取决于硬盘的柱面数、磁头数及每个磁道的扇区数。若一个扇区的容量为512B，那么硬盘存储容量为512B×柱面数×磁头数×扇区数。

新磁盘在使用前必须进行格式化，然后才能被系统识别和使用，格式化的目的是对磁盘进行磁道和扇区的划分，同时还将磁盘分成4个区域：引导扇区、文件分配表、文件目录表和数据区。其中，引导扇区用于存储系统的自引导程序，主要为启动系统和存储磁盘参数而设置的；文件分配表用于描述文件在磁盘上的存储位置及整个扇区的使用情况；文件目录表即根目录区，用于存储根目录下所有文件名和子目录名、文件属性、文件在磁盘上的起始位置、文件的长度及文件建立和修改日期与时间等；数据区即用户区，用于存储程序或数据，也就是文件。

2)光盘。光盘存储器是利用光学原理进行信息读写的存储器。光盘存储器主要由光盘、光盘驱动器、光盘控制器组成。在光盘技术中，使用激光光束来改变塑料或金属盘的表面来标识数据。光盘表面的平坦和凹陷区域分别表示0和1，光盘用在该区域投射的微小激光束来读取数据。光盘的主要特点是：存储容量大、可靠性高，只要存储介质不发生问题，光盘上的数据就可以长期保存。光盘存储器是大容量的数据存储设备，又是高品质的音源设备和最基本的多媒体设备。

按光盘的读/写性能，可分为只读型和可读写型。只读光盘(compact disk ROM，CD-ROM）上的数据采用压模方法压制而成，用户只能读出数据，而不能写入或修改光盘上的数据。可读写型光盘中的可录式光盘（CD-recordable，CD-R）的特点是只能写一次，写完后的CD-R无法被改写，此后只能任意多次读取数据。而CD-Rw(CDrewritable)是可重复读/写的光盘，读/写次数可任意。

读取光盘数据需用光盘驱动器，通常称为光驱，光驱的核心部分由激光头、光反射透镜、电机系统和处理信号的集成电路组成。影响光驱性能的关键部位就是激光头。刻录机是刻录光盘的设备。在刻录CD-R盘片时，通过大功率激光照射CD-R盘片的染料层，在染料层上形成一个个平面（land）和凹坑（pit)），光驱在读取这些平面和凹坑的时候就能够将其转换成0和1。由于这种变化是一次性的，不能恢复到原来的状态，所以CD-R盘片只能写入一次，不能重复写入。CD-RW的刻录原理与CD-R大致相同，只不过盘片上镀的是一层200~500A（1A=250px）厚的薄膜，这种薄膜的材质多为银、铟、硒或碲的结品层。该结品层能够呈现出结晶和非结晶两种状态，等同于CD.R的平面和凹坑。通过激光束的照射，可以在两种状态之间相互转换，所以CD-RW盘片可以重复写入。

衡量光盘驱动器传输数据速率的指标称为倍速，一速率为150KB/s。如果在一个40倍速光驱上读取数据，数据传输速率可达到40×150KB/s=6MB/s。

CD-ROM的后继产品是DVD-ROM。DVD采用波长更短的红色激光、更有效的调制方式和更强的纠错方法，具有更高的道密度，并支持双面双层结构，在与CD大小相同的盘片上，DVD可提供相当于普通CD片8～25倍的存储容量及9倍以上的读取速度。DVD-ROM一倍速率是1.3MB/s，它向下兼容，可读音频CD和CD-ROM。现在使用的DVD是多个厂商于1995年12月共同制定的统一格式，以MPEG-2为标准，每张DVD光盘存储容量可超过4.7GB。DVD盘数据的读取要通过DVD光盘驱动器进行。

新型的三合一驱动器集高速读/写的CD-ROM、DVD及CD-RW刻录三大功能为一体，被广泛地应用在微型计算机上。

3)闪存盘。闪存盘俗称U盘，如图2.11所示，作为新一代存储设备被广泛使用。闪存盘的存储介质是快闪存储器(flash memory)，快闪存储器和一些外围数字电路被焊接在电路板上，并封装在颜色比较亮丽的半透明硬质塑料外壳内。闪存盘可重复擦写的次数达100万次，并且防潮，耐高、低温(-40～+70℃）。某些闪存盘内部还设计了用来显示其工作状态的指示灯和提供了写保护。写保护由一个嵌入内部的拨动开关来实现，通过写保护控制对闪存盘的写操作，可减少由于误操作而造成的数据丢失的机会，也可以防止外来数据的读入，这在一定程度上可以减少病毒的入侵机会。

闪存盘之所以被广泛应用，是因为它具有许多优点：①不需要驱动器，方便文件共享与交流，还可节省开支：②不需要安装驱动程序：其接口是USB，无须外接电源，支持即插即用和热插拔；④存取速度快，读/写大文件比小文件要快，特别适用于传送大型文件；⑤体积非常小，质量轻，便于携带；⑥采用无机械装置、结构坚固，抗震性能好；⑦容量大。

4）可移动式硬盘。可移动式硬盘采用现有固定硬盘的最新技术，主要由驱动器和盘片两部分组成。其中，每一张盘片相当于一个硬盘，可以连续更换盘片，以达到无限存储的目的。其设计原理是，将固定硬盘的磁头在增加了防尘、抗震、更加精确稳定等技术后，集成在更为轻巧、便携且能够自由移动的驱动器中，并将固定硬盘的盘芯，通过精密技术加工后统一集成在盘片中。当把盘片放入驱动器时，就成为一个高可靠性的硬盘。可移动式硬盘可通过USB接口与主机相连，实现数据的传送。

5）固态硬盘(solid state disk)。固态硬盘也称为电子硬盘或者固态电子盘，是由控制单元和固态存储单元（DRAM或Flash芯片）组成的硬盘。固态硬盘的接口规范、定义、功能及使用方法都与普通硬盘相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。

由于固态硬盘内部不存在任何机械活动部件，因而启动快，读延迟极小，不会发生机械故障，也不怕碰y、冲击、振动，即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响正常使用。而且固态硬盘的工作温度范围很宽(-40～+85℃），目前广泛应用于军事、车载、视频监控、网络监控、电力、医疗、航空等领域。目前，由于成本较高，正在逐渐普及到DIY市场。

4.总线

在微型计算机中，总线（bus)是一个很重要的概念。总线是一组连接各个部件的公共通信线。在计算机硬件系统中，有联系的各个部件不是单独地在两两之间使用导线相连接，而是一律挂接在总线上，因此各部件之间的通信关系变成面向总线的单一关系，所以总线是各部件所共用的。采用总线结构使连线简化而可靠，而且系统很容易扩充部件。

根据总线内所传输信息的不同，可将总线分为地址总线(address bus，AB)、数据总线(data bus，DB）和控制总线(control bus，CB）。总线可以单向传送数据，也可以双向传送数据，还可在多个设备或部件之间选择两个数据进行传送。所以，线不仅仅是一束导线，还应包括总线控制和驱动电路。

（1）地址总线

地址总线用于传送存储单元或I/O接口的地址信息，其包含地址线的根数决定了微型计算机系统内存的最大容量，每根地址线对应CPU的一只地址引脚，不同CPU的地址线根数不同。例如，80386和80486CPU芯片有32根地址线，内存空间可达232-4GB。地址总线传送的地址信息是单向的，由CPU发出。

(2）数据总线

数据总线用于在CPU和内存、I/O接口电路之间传送数据。数据总线所含数据线的根数表示CPU可一次性接收或发出多少位二进制数，可处理多少位二进制数。例如，数据总线根数为32，表示该总线上可一次传送32位二进制数，CPU可以一次性做32位数的算术运算。数据总线上传送的信息是双向的，有时是由CPU发出的，有时关在CPU的。

（3）控制总线

控制总线用于传送控制器的各种控制信号，控制总线分为两类：一类是CPU向内存或外设发出的控制信号：另一类是由外设、内春或1/0接口电路发回的信号（包括状态信号或应答信号）、它的条数由CPU的字长决定。

根据总线的位置与功能不同，可分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线一般是指CPU与其外围芯片之间的总线，用于芯片级的连接。系统总线用于微型计算机中各插件与系统主板之间的连接，是插件级的连接。外部总线是微型计算机硬件系统与外部其他设备之间的连接，是设备级的连接。对于用户而言，系统总线是最重要的，通常所说的总线就是指系统总线。例如，USB通用串行总线就是为了解决主机与外部设备的通用连接而设计的。它可将所有低速外部设备(如键盘、鼠标、扫描仪、数码照相机、调制解调器等）都连接在统一的USB接口上。此外，它还支持功能传递，就是说用户只需为多个USB标准设备准备一个USB接口，这些外部设备可以串接而通信，其功能不受影响。

微型计算机采用开放式体系结构，由多个模块构成一个系统。一个模块往往就是一块电路板。为了方便总线与电路板的连接，总线在主板上提供了多个扩展插槽与插座，任何插入扩展槽的电路板(如显卡、声卡）都可通过总线与CPU连接，这为用户自己组合可选设备提供了方便。微处理器、总线、存储器、接口电路和外部设备的逻辑关系如图所示。

5.输入设备

输入设备将数据、程序等转换成计算机能接收的二进制代码，并将它们送入内存。输入设备不能与CPU直接交换信息，必须通过“接口电路”与CPU进行信息交换。常用的输入设备是键盘和鼠标。

(1）键盘

键盘是微型计算机的重要输入设备，通过它可以输入程序、数据、操作命令，也可以对计算机进行控制。熟悉并掌握键盘操作技能是微型计算机用户最基本的技能。

键盘中配有一个微处理器，用来对键盘进行扫描、生成键盘扫描码和数据转换。微型计算机常用键盘有101键盘、104键盘和107键盘等。107键盘比104键盘多了睡眠、唤醒、开机等电源管理按键。

以常见的标准l07键盘为例，其布局如图2.14所示。整个键盘大致分为5个区：功能键区、王键盘区、小键盘区、编辑控制键区和状态指示灯区。按键的位置是依据字符的使用频率、双手手指的灵活程度与协调方便等诸多因素而排列的。键盘上各键符及其组合所产生的字符和功能在不同的操作系统和软件支持下有所不同。

目前，市面上常见的键微接口有两种：PS/2接口和USB接口。PS/2接口是鼠标和键盘的专用接口，是一种6针的圆形接口，如图2.15所示。这两个接口不能混插，鼠标通常占用浅绿色接口，键盘占用紫色接口，这是由于计算机内部对它们信号的定义不同。USB接口具有即插即用的优点，支持热插拔。因此，使用USB接口的键盘拔下、插上非常方便，不需重新启动计算机就可继续使用。而使用PS/2接口的键盘拔下再插上后，必须重新启动计算机，才能识别该硬件，否则不能使用。

键盘的外形分为标准键盘和人体工程学键盘。人体工程学键盘的设计思想是，在标准键盘上将指法规定的左手键区和右手键区这两大板块左右分开，并形成一定角度，使操作者不必有意识地夹紧双臂，而是保持一种比较自然的形态。这种设计思想的键盘被微软公司命名为自然键盘(natural keyboard)，它对于习惯盲打的用户可以有效地减少左右手键区的误击率，如字母“G”和“H”。有的人体工程学键盘还有意加大常用键（如空格键和【Enter】键）的面积，在键盘的下部增加护手托板，给悬空手腕以支撑点，以便减少由于手腕长期悬空导致的疲劳。以上这些都被视为人性化的设计思想。典型人体工程学键盘如图2.16所示。

（2)鼠标

鼠标是用于图形界面的操作系统和应用程序的快速输入设备，其主要功能是用于移动显示器上的光标，并通过菜单或按钮向主机发出各种操作命令，但不能输入字符和数字。它的基本工作原理是：当移动鼠标时，它把移动距离及方向的信息转换成脉冲信号送到计算机，计算机再把脉冲信号转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。

根据鼠标的工作原理，鼠标类型主要有3种：机械鼠标、轨迹球鼠标和光电鼠标。目前，市面上流行的是光电鼠标。在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面，然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。

目前，主流的鼠标是三键或者两键的。三键鼠标如图2.17所示，鼠标的中间有个滚轮，除了可以用于浏览页面时的翻页外，还可以单独定义按键的功能。其左键通常用作确定操作，右键用作特殊功能，如在任意对象上右击，会弹出当前对象的快捷菜单。常见的鼠标接口有串口、PS/2接口和USB接口这3种类型。

常见的输入设备还有轨迹球、扫描仪、光笔、触摸屏、数字化仪、游戏操作杆等。轨迹球与鼠标功能相仿。扫描仪是一种可将静态图像输入计算机的图像采集设备，对于桌面排版系统、印刷制版系统十分有用。如果配上文字识别软件，用扫描仪可以快捷方便地把各种文稿录入计算机内，可加速计算机文字录入过程。光笔是一种图像输入设备。触摸屏是指点式输入设备，触摸屏在计算机显示屏幕基础上附加坐标定位装置，通常有接触式和非接触式两种构成方法。

6.输出设备

输出设备将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字、字符、图像、动画、声音等形式显示、打印或播放出来。输出设备只有通过输出接口电路才能与CPU交换信息。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（1）显示器

显示器是计算机的重要输出设备。用户可以通过它了解自己输入的数据、运算产生的结果和跟踪监视程序运行的过程。现在广泛使用的是LCD液晶显示器。

液晶显示器是由显示单元矩阵组成的。每个显示单元含有液晶的特殊分子，它们沉积在两种材料之间。加电时，液晶分子变形，能够阻止某些光波通过，而允许另一些光波通过，从而在屏幕上形成图像。

显示器要与主机相连，就必须配置适当的显示适配器，即显卡，如图2.18所示。显卡不仅把显示器与主机连接起来，而且起到处理图形数据、加速图形显示等作用，因此又被称为图形加速卡。显卡拥有自己的图形函数加速器和显存，是专门用来执行图形加速任务的，因此可以大大减少CPU处理图形函数的时间。显卡插在微型计算机主板的扩展槽上，常用的接口类型有PCI接口、AGP接口、PCI Express接口。

显示器的主要技术指标包括以下几项。

1）分辨率。分辨率是指屏幕上可以容纳的像素的个数，它由水平行点数和垂直列点数组成。分辨率越高，屏幕上能显示的像素个数也就越多，图像也就越细腻。

2）点距。两个相邻像素之间的水平距离称为点距。点距越小，显示的图像就越清晰。为减少眼睛的疲劳程度，应采用点距小的显示器。

3）刷新频率。要在屏幕上看到一幅稳定的画面，必须按一定频率在屏幕上重复显示图像。显示器每秒重图的次数称为刷新频率，单位为赫兹（Hz）。通常，显示器的刷新频率至少要送到5H2，即每秒钟重复图像75次。

4）显存。计算机在显示一奶图像时首先要将其存入显卡上的显存(显示内存）。显存大小会限制对显示分辨率及颜色的设置等。

(2）打印机

打印机是计算机的基本输出设备之一，它可将信息输出到纸上。打印机有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机，通过并口与主机相连。将打印机和计算机相连后，必须安装打印机驱动程序才可以使田打印机。

1）针式打印机。其印刷机构由打印头和色带组成。打印头中藏有打印针。人们常说的24针打印机是指打印头中有24根针的打印机。这些钢针在电磁力的作用下隔着色带击打纸张，由击打产生的“针点”来形成所需的字符和图形。

2)喷墨打印机。其利用特殊技术的换能器将带电的墨水喷出，由偏转系统控制很细的喷嘴喷出微粒射线在纸上扫描，并绘出文字与图像。喷墨打印机体积小，质量轻，噪声小，打印精度较高，特别是其彩色印刷能力很强。但喷嘴容易堵塞，打印成本较高。

3)激光打印机。其利用激光扫描主机送来的信息，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，并转换成磁信号，使微粒炭粉吸附在纸上，经显影后输出。激光打印机打印速度高，印刷质量好，无噪声。

近年来，彩色喷墨打印机和彩色激光打印机已日趋成熟，成为主流打印机，其图像输出已达到照片级的质量水平。

7.其他外部设备

随着微型计算机系统功能的不断扩大，所连接的外部设备的数量及种类也越来越多，如声卡、视频卡、调制解调器、网卡、数码照相机等。

(1）声卡

声卡是多媒体计算机最基本的组成部分，是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件。声卡的基本功能是把来自传声器、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音器、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口使乐器发出美妙的声音。声卡主要分为板卡式、集成式和外置式3种类型，以适应不同用户的需求。其接口类型主要有ISA接口、PCI接口、USB接口汉了种。典型声

（2）视频卡

视频卡也是多媒体计算机的主要设备之一，其主要功能是将各种模拟信号数字化，并将这种信号压缩和解压缩后与VGA(video graphics array)信号叠加显示；也可以把电视、摄像机等外界的动态图像以数字形式捕获到计算机的存储设备上，对其进行编辑或与其他多媒体信号合成后，转换成模拟信号再播放出来。安装视频卡时只需将其插入计算机中的任何一个总线插槽，然后安装相应的视频卡驱动程序即可。

(3）调制解调器

调制解调器用于进行数字信号与模拟信号之间的转换。一台调制解调器能将计算机的数字信号转换成模拟信号，通过电话线传送到另一台调制解调器上，经过解调，再将模拟信号转换成数字信号送入计算机，实现两台计算机之间的数据通信。<

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