一个完整的现代计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分，硬件包括了计算机的基本部件和各种具有实体的计算机相关设备；软件则包括了用各种计算机语言编写的计算机程序、数据、应用说明文档等。如果把计算机比喻为人，那么硬件就是计算机的“躯干”，软件就是计算机的“灵魂”。

知识点一　冯·诺依曼原理

1944年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了计算机基本结构和工作方式的设想，为计算机的诞生和发展提供了理论基础。时至今日，尽管计算机软硬件技术飞速发展，但计算机本身的体系结构并没有明显的突破，仍属于冯·诺依曼架构。由于对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“计算机之父”。计算机的基本结构如图5-2-1所示。

冯·诺依曼原理的理论要点如下。

（1）计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5部分组成。

（2）所有程序和数据在计算机中都用二进制表示。

（3）存储程序思想——把计算过程描述为由许多命令按一定顺序组成的程序，然后把程序和数据一起输入计算机，计算机对已存入的程序和数据处理后，输出结果。

冯·诺依曼最先提出程序存储的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。冯·诺依曼计算机的大体工作过程是：用户首先通过输入设备将程序和数据送入存储器中。启动运行后，计算机从存储器顺序取出指令，送往控制器进行分析并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号，最终的运算结果送到输出设备输出。

知识点二　中央处理器（CPU）

1.　CPU的组成及功能

通常将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

CPU是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心，它的功能主要是解释计算机指令及处理计算机软件中的数据。

CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。

运算器是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要由算术逻辑部件（Arithmetic and Logic Unit，ALU）、寄存器组和状态寄存器组成。ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作；通用寄存器组用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果；状态寄存器在不同的机器中有不同的规定，程序中，状态位通常作为转移指令的判断条件。

控制器是计算机的控制中心，它决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑等几个部分。

计算机对信息的处理是通过程序的执行而实现的。程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行，它应具有下列功能。

（1）取指令：根据程序入口地址，从存储器中取出一条指令，并指出下条指令的地址。取出的指令送到指令寄存器，以便分析运行该指令。

（2）分析指令：分析指令又称为解释指令或指令译码，是对当前取得的指令进行分析，指出它要完成什么操作，并产生相应的操作控制命令。如果参与操作的数据在存储器中，还要形成操作数地址。

（3）执行指令：根据分析指令产生的控制命令和操作数地址，形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器、输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能。

计算机不断重复上述三种操作：取指、分析、执行，再取指、再分析、再执行……如此循环，直到遇到停机指令或外来干预为止。

（4）控制程序和数据的输入与结果的输出：根据程序的安排并通过人的干预，在适当的时候向输入/输出设备发出一些相应的命令来完成输入/输出功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。

（5）对异常情况和某些请求的处理：当机器出现某些异常情况时（如溢出、校验错）或某些外来请求（如中断、DMA等）时，要进行相应的处理。

2.　CPU的性能指标

CPU是整个计算机系统的核心，CPU的性能基本上可以反映出系统的性能。CPU的主要性能可以由主频、外频、数据总线宽度、地址总线宽度、内存总线频率、工作电压、Cache（缓存）、扩展指令集、生产工艺技术等参数来描述，下面简要介绍CPU常用的性能指标。

（1）主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。

（2）外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。通俗地说，在台式机中，所说的“超频”，都是超CPU的外频（当然一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的）。

（3）前端总线（FSB）频率（即总线频率）直接影响着CPU与内存的数据交换速度。有一条公式可以计算，即

数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比如说，支持64位的至强（Nocona）CPU，前端总线是800MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4Gbit/s。

外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。

（4）字长是指CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理，32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。

（5）倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高倍频而得到高主频的CPU就会出现明显的“瓶颈”效应——CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。

（6）工作电压指的是CPU正常工作所需的电压。早期CPU（386、486）由于工艺落后，它们的工作电压一般为5V，发展到奔腾586时，已经是3.5V/3.3V/2.8V了。随着CPU的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有逐步下降的趋势，Intel最新出品的Coppermine已经采用1.6V的工作电压了。采用低电压的好处是，首先，低电压能让可移动便携式笔记本电脑，平板电脑的电池续航时间提升；其次，低电压能使CPU工作时的温度降低，温度低才能让CPU工作在一个非常稳定的状态；最后，低电压能使CPU在超频技术方面得到更大的发展。

（7）缓存。

L1 Cache（一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32kB～256kB。

L2 Cache（二级缓存）是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，以前家庭用CPU二级缓存容量最大的是512kB，现在即使笔记本电脑的二级缓存也可以达到2MB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存容量更大，可以达到8MB以上。

L3 Cache（三级缓存）分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏的流畅运行很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存会在性能方面有显著的提升，比如具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求，具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。

知识点三　存储器的分类及特征

计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中，它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。

1.　按存储介质分类

（1）半导体存储器

以二极管、晶体管或MOS管等半导体器件作为存储元件的存储器，如计算机的内存。

（2）磁存储器

采用磁性材料作为存储介质。常用的磁存储器是磁带、磁盘等磁表面存储器。

（3）光存储器

用激光技术在记录介质上进行读/写的存储器，如只读光盘（CD-ROM）。

2.　按存取方式分类

（1）随机存储器（RAM）

计算机工作时任何一个存储单元的内容都可以随机存取，存取时间与存储单元的物理位置无关。按电路形式可分为双极型和MOS型。

（1）双极型存储器：存取速度快，但是功耗大，集成度小，一般作为容量较小的高速缓冲存储器。

（2）MOS型存储器：按工艺制成，可分为静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）。动态存储器的存储内容需定时刷新。

（2）只读存储器（ROM）

只读存储器按其制作工艺和使用特性可分为固定只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电擦除可编程只读存储器（EEPROM）。

（1）ROM：内容一般是在生产时事先写入的，计算机工作时只能读出，而不能随机写入。

（2）PROM：内容是在使用时由用户写入的，一旦写入不能更改。

（3）EPROM和EEPROM：可进行多次写入操作。

（3）串行访问存储器（SAM）

进行读写操作时，需按物理位置的先后顺序寻找地址，如磁带。

3.　按在计算机中的作用分类

（1）主存储器

简称主存、内存，通过内存总线与CPU连接，用来存放正在执行的程序和处理的数据。内存可以和CPU直接交换信息，关闭电源或断电，内存中的数据会丢失。

（2）辅助存储器

简称辅存、外存，需通过专门的接口电路与主机连接，不能和CPU直接交换信息，用来存放暂不执行或还没被处理的程序或数据，能长期保存信息。

（3）缓冲存储器

缓冲存储器简称缓存（Cache），用在两个速度不同的部件之间，如CPU与主存之间。

（4）闪速存储器（Flash Memory）

快擦写存储器。特点是既可在不加电的情况下长期保存信息，具有非易失性，又能在线进行快速擦除与重写，兼具有EEPROM和SRAM的优点。

存储器的分类如图5-2-2所示。

4.　内存的性能指标

内存对计算机的性能有较大的影响，可以用存储速度、存储容量、CL、SPD芯片、奇偶效验、内存带宽等指标来描述其性能，用户更为关心的是其存储容量和访问速度。下面简要介绍内存常用的性能指标。

（1）存储速度

内存的存储速度用存取一次数据的时间来表示，单位为纳秒，记为ns，1秒=10亿纳秒，即1纳秒=10-9秒。值越小，表明存取时间越短，速度就越快。目前，DDR内存的存取时间一般为6ns，而更快的存储器多用在显卡的显存上，存储速度为5ns、4ns、3.6ns、3.3ns、2.8ns等。

（2）存储容量

常见的单条内存存储容量为128MB、256MB、512MB，1GB、2GB。就目前的行情来看，配机时尽量使用单条1GB以上的内存。

【提示】内存存储容量的换算公式为：1GB=1024MB=1024×1024kB。

（3）CL

是CAS Latency的缩写，即CAS延迟时间，是指内存纵向地址脉冲的反应时间，是在一定频率下衡量不同规范内存的重要标志之一。

（4）SPD芯片

这是一个8针256字节的EERROM（可电擦写可编程只读存储器） 芯片，位置一般处在内存条正面的右侧，里面记录了诸如内存的速度、容量、电压与行、列地址、带宽等参数信息。当开机时，计算机的BIOS将自动读取SPD中记录的信息。

（5）奇偶校验

奇偶校验就是内存每一个字节外又额外增加了一位作为错误检测之用。当CPU返回读取储存的数据时，它会再次相加前8位中存储的数据，判断计算结果是否与校验相一致。当CPU发现二者不同时就会自动处理。

（6）内存带宽

从内存的功能上来看，我们可以将内存看作是内存控制器（一般位于“北桥芯片”中）与CPU之间的桥梁或仓库。显然，内存的存储容量决定“仓库”的大小，而内存带宽决定“桥梁”的宽窄，两者缺一不可。

知识点四　输入/输出设备

输入/输出（I/O）设备又称外部设备或外围设备，简称外设。输入设备用来将数据、程序、控制命令等转换成二进制信息，存入计算机内存；输出设备将经计算机处理后的结果显示或打印输出。输入/输出设备（I/O）具有将人和计算机、设备和计算机、计算机和计算机相互联系的作用。

1.　输入设备

输入设备（Input Device）向计算机输入数据和信息，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备。

现在的计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。计算机的输入设备按功能可分为下列几类。

字符输入设备：键盘。

光学阅读设备：光学标记阅读机，光学字符阅读机。

图形输入设备：鼠标器、操纵杆、光笔。

图像输入设备：摄像机、扫描仪、传真机。

模拟输入设备：语言模数转换识别系统。

2.　输出设备

输出设备（Output Device）用于数据或信息的输出。它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。

知识点五　计算机的主要性能指标

计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。可以从以下几个指标来评价计算机的性能。

1.　运算速度

运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度）是指每秒所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”（Million Instruction Per Second，MI/S）来描述。同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同的方法。常用的有CPU时钟频率（主频）、每秒平均执行指令数等。微型计算机一般采用主频来描述运算速度，一般情况下主频越高，运算速度就越快。

2.　字　长

计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大，计算机处理数据的速度就越快。

3.　内存储器的容量

内存储器是CPU可以直接访问的存储器，存放着要执行与处理的程序和数据。内存容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力。随着操作系统的升级、应用软件的不断丰富及其功能的不断扩展，人们对计算机内存容量的需求也不断提高。内存容量越大，系统功能就越强大，能处理的数据量就越庞大。

4.　外存储器的容量

外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。

除了上述这些主要性能指标外，微型计算机还有其他一些指标，例如，所配置外围设备的性能指标以及所配置系统软件的情况等。另外，各项指标之间也不是彼此孤立的，在实际应用时，应该把它们综合起来考虑，而且还要遵循“性能价格比”的原则。

知识点六　微型计算机的硬件组成

微型计算机是人们工作和生活中最常用的计算机，从微机的选购和维修角度来说，用户要掌握组成微机的各个部件。只要了解了微机是由哪些部件组成的，各部件的功能是什么，就可以对板卡、配件进行维护和升级。典型的微机系统由主机、键盘、显示器和鼠标等部分组成。

1.　主　机

主机包括主板、CPU、内存、电源、硬盘驱动器（硬盘）、光盘驱动器和插在总线扩展槽上的各种系统功能扩展卡，它们都安装在主机箱里。

（1）主　板

主板也称为主机板，有时称为系统板（System Board）或母板。它是一块多层印制电路板，按其大小分为标准板、Micro板和ITX板等几种。主板上装有CPU、CPU插座、ROM、RAM和RAM插座、一些专用辅助电路芯片、输入/输出扩展槽、键盘接口以及一些外围接口和控制开关等。通常，把不插CPU、内存条、控制卡的主板称为裸板。主板是微机系统中最重要的部件之一。

（2）硬盘驱动器

硬盘驱动器是微机系统中最主要的外存设备，是系统装置中重要的组成部分，它通过主板的硬盘适配器与主板连接。

（3）光盘驱动器

光盘驱动器也是微机系统中重要的外存设备。光盘的存储容量很大，目前计算机上配备的光驱有些是只读的，即只能从光盘上读取信息而不能把信息写到光盘上；有些是可读可写的，即不仅能读取光盘上的信息，还能将信息写到光盘上。

（4）系统功能扩展卡

系统功能扩展卡也称适配器、功能卡，计算机的功能卡一般有显示卡、声卡、网卡等。显示卡是负责向显示器输出显示信号的，显示卡的性能决定了显示器所能显示的颜色数和图像的清晰度。声卡是负责处理和输出声音信号的，有了声卡，计算机才能发出声音。网卡主要用来连接局域网使得计算机能够使用网络。

显卡

声卡

网卡

（5）电　源

电源是安装在一个金属壳体内的独立部件，它的作用是为系统装置的各种部件提供工作所需的电源，目前台式机的标准电源为ATX电源。

（6）内　存

内存是计算机的主存储器，但它只有临时存储数据的功能。在计算机工作时，内存中存放着计算机运行所需要的数据；关机后，内存中的数据将全部消失。而硬盘和光盘则是永久性的存储设备，关机后，它们保存的数据仍然存在。

（7）CPU

CPU是中央处理器的简称，负责整个计算机的运算和控制，是计算机的大脑，决定着计算机的主要性能和运行速度。

（8）主机箱

主机箱由金属体和塑料面板组成，分卧式和立式两种，上述所有系统装置的部件均安装在主机箱内部。主机箱面板上一般配有各种工作状态指示灯和控制开关。光盘驱动器总是安装在机箱前面以便插入和取出光盘。机箱后面有电源插口、显示器接口、键盘插口、鼠标插口和USB接口等。

2.　外　设

（1）显示器

是微机不可缺少的输出设备。显示器可显示程序的运行结果，显示输入的程序或数据等。显示器主要有以阴极射线管为核心的CRT显示器和液晶（LCD）显示器。CRT显示器现在已被淘汰，目前市场的主流产品为LCD显示器。

（2）键　盘

是计算机最重要的输入设备。用户的各种命令、程序和数据都可以通过键盘输入计算机。键盘的标准接口为USB接口和PS/2接口。

（3）鼠　标

是用户在窗口界面操作时必不可少的输入设备。它是一种屏幕标定装置，不能直接输入字符和数字。在图形处理软件的支持下，在屏幕上使用鼠标处理图形要比键盘方便得多。目前市场上的鼠标主要有：机械式鼠标、光电式鼠标、无线鼠标等几种。

除此之外，计算机的外部设备还有很多，如摄像头、手写板、打印机、扫描仪、数码相机、麦克风、移动硬盘、绘图仪等。