2.2 计算机硬件系统

 

2.2  计算机硬件系统

计算机硬件系统是整个计算机系统的物质基础，是由各种电子的、机械的、光电的元器件组成的部件和设备，基本功能是按照程序的要求实现各种数据的输入、处理、输出等操作。随着科学技术的飞速发展，组成计算机硬件系统的各种设备也不断进行着更新换代。

2.2.1  计算机硬件的基本组成

1．硬件系统的组成

虽然计算机的制造技术已经发生了很大的变化，性能指标、运行速度、工作方式和应用领域也有了较大的发展，但在硬件结构的基本组成方面，还是沿用了冯·诺依曼原理的传统框架。硬件系统由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。硬件系统的基本组成如图2-3所示。

图2-3  硬件系统的基本组成

（1）运算器。

运算器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算，它的主要组成部分称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。在计算机系统中运算器进行诸如加、减、乘、除、判断、比较、与、或、非等基本运算，而复杂的运算都要通过若干基本运算一步一步实现。

（2）控制器。

控制器是计算机的指挥中心，只有在控制器的控制下整个计算机才能有条不紊地工作。控制器的功能是依次从存储器的程序中取出指令、翻译并分析指令、将指令转化为各种控制信号，从而控制各个部件协同工作。

（3）存储器。

存储器分为主存储器（又称内存）和辅助存储器（又称外存）两部分。内存是计算机中信息交流的中心，输入设备输入的程序和数据最初保存在内存，控制器执行的指令取自内存，运算器处理的数据来自内存，数据处理中间结果和最终结果也保存在内存，输出设备输出的信息也来自于内存。这种体系结构被称为“以存储器为中心”。计算机内存都采用半导体存储器，属于“易失性”的，即断电后其中的信息会消失，但工作速度快。内存中的信息若要长期保存，应送到外存储器中。常见的外存是磁盘、磁带和光盘，由于采用磁或者光的方式记录信息，所以外存属于“非易失性”的，即断电后其中的信息不会消失。

（4）输入设备。

输入设备的作用是用来接收用户所输入的程序以及原始数据，将它们转换为二进制形式，然后存放到存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪、摄录设备等。

（5）输出设备。

输出设备是用来将计算机中的文档和处理结果转换为人们能够识别的形式并进行输出的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响等。

2．总线

计算机系统是由许多担负各种功能的部件所组成的，而将这些部件连接起来、在它们之间传输数据的传输线路称为总线（Bus）。总线是各个部件共享的传输介质，它由许多传输线和相关的控制电路组成，也是计算机系统中的一个比较复杂的部件。当多个部件连接到总线时，只允许一个部件向总线发送数据，若干（通常是一个）部件从总线接收数据。总线中传递的是二进制信号，一条传输线可以传输一位二进制信号，若干条传输线可以同时传输若干位二进制信号。

按照总线中传输的信息的不同，系统总线分为地址总线、数据总线、控制总线三类。系统总线的逻辑结构如图2-4所示。

图2-4  计算机的系统总线

（1）地址总线 （Address Bus，AB）。

地址总线用来指明存储器的存储单元或输入/输出接口的位置。地址信号总是单向的，即只能从中央处理器向存储器或输入/输出接口传输。当中央处理器需要输入数据时，它在地址总线上给出数据的源地址，相应的存储单元或输入接口就将数据放到数据总线，供中央处理器读取；当中央处理器需要输出数据时，它将数据放到数据总线，在地址总线上给出数据的目的地址，相应的存储单元或输出接口就接收这个数据。地址总线的位数与中央处理器能够直接访问的存储单元的个数有关，如16位地址总线可以直接访问2¹⁶个存储单元。

（2）数据总线 （Data Bus，DB）。

数据总线用来在各个部件之间传输数据信息。数据总线是双向的，即可从中央处理器传向存储器或输入/输出接口，又可以从输入/输出接口传向中央处理器。数据总线的位数（又称为数据总线宽度）决定了能够同时传输的数据的二进制位数，通常与计算机的字长相同。

（3）控制总线 （Control Bus，CB）。

控制总线用来传输各种控制信号。在控制总线中，部分传输线是从中央处理器传向存储器或输入/输出接口，另一部分传输线是从存储器或输入/输出接口传向中央处理器。由于地址总线和数据总线是由各个设备共享的，这些设备对于总线的正确使用需要由控制总线的控制来完成。

2.2.2  中央处理器

1．中央处理器的作用和组成

中央处理器（Central Processing Unit，CPU），是计算机系统的核心部件。CPU的主要任务是执行指令，它按照指令的要求完成对数据的运算和处理。CPU的结构如图2-5所示，它主要由寄存器组、运算器和控制器三部分组成。

图2-5  CPU的基本组成

为了提高CPU的处理速度，增强CPU的处理能力，CPU实际的结构要复杂得多。各种不同类型、不同档次、不同用途的CPU的内部结构具有较大的差别，但其最基本的逻辑结构却是相同的。这里只是从CPU的基本逻辑功能入手做一些介绍。

2．寄存器组

寄存器组由十几个或几十个寄存器组成。寄存器的存取速度很快，用来暂时存储参加运算的数据和运算的中间结果或最后结果。在进行运算操作时，需要处理的数据总是先从内存中传送到寄存器，运算的结果如果需要保存，也从寄存器送往内存。在寄存器组中，还有一部分寄存器专门用来保存访问存储器的地址数据。在CPU内部设立寄存器组来保存操作中经常使用的数据，使得CPU访问内存的次数得以减少，加快了运行速度，大大提高了计算机的执行效率。

3．运算器

运算器用来对数据进行各种运算，这些运算包括加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算以及判断和比较等操作。运算都是由称为算术逻辑部件（ALU）的电子电路完成的。通常，参加运算的数据都来自寄存器，运算的结果也送往寄存器保存。为了加快运算速度和提高运行效率，运算器中一般配置有多个算术逻辑部件，以便同时进行多个运算处理。

4．控制器

控制器是整个CPU的控制中心，也是整个计算机的指挥中心。控制器包括指令寄存器、指令计数器、指令译码器等部件。指令计数器是一个具有自动加1功能的寄存器，其中保存了CPU将要执行的指令的地址，CPU按照该地址从内存中取出指令保存在指令寄存器中，再由指令译码器对该指令进行译码，将指令的要求转换为控制信号，从而控制CPU的各种操作。

2.2.3  存储系统

1．存储系统的层次结构

在计算机系统中所有的程序、数据和文档都是存储在存储器中的。存储器通常分为内存和外存两大类。内存的速度较快，容量相对较小，成本也较高，它与CPU直接连接，用来存储当前正在运行的程序和数据。外存的速度相对较慢，但容量大，成本也较低，它与CPU不直接相连，用来保存计算机中几乎所有的各种信息，在需要的时候，相关的程序和数据必须读入内存后才能被使用。

为了使计算机系统的性能达到最优化，并提高整个存储系统的性能价格比，计算机的各类存储器通常组成层次结构，以使它们能够取长补短、相互协调。计算机存储系统的层次结构如表2-1所示。

表2-1  计算机存储系统的层次结构

寄存器组以半导体集成的方式组合在CPU的内部，与CPU的各个部件直接连接，与CPU各部件的工作速度相同，但容量很小，只能保存马上要用到的数据。由于主存储器的速度要比CPU的速度小一个数量级，CPU每次使用数据都直接到主存中读取，大大延缓了工作速度，所以引入了缓冲存储器Cache，Cache以接近于CPU的速度工作。当CPU需要读取数据时，它会将该数据与其附近的数据（其中很可能包含了下次要用到的数据）一起读入Cache，以后CPU需要数据时，会先到Cache中寻找，这样可以大大减少CPU读取数据的等待时间。在大型计算机系统中，常常将那些偶尔需要使用的海量数据（如数字图书馆、大型资料库等）保存在后援存储器中。后援存储器通常由磁带库和光盘塔组成，它们的容量非常大，单位存储容量的成本却很小，但工作速度较慢。

2．只读存储器ROM

计算机系统的内存通常由半导体集成电路芯片组成。半导体存储器的工作速度快，但成本相对较高。按照其工作原理，分为只读存储器和读写存储器两大类。

只读存储器（Read Only Memory，ROM），其特点是只能读不能写、断电信息不消失，是能够永久性（或半永久性）地保存存储信息的存储器，属于非易失性存储器件，通常用来存储那些经常使用的固定不变的程序和数据。在计算机内存中，ROM容量只占内存总容量的很少一部分。

按照工作原理，常见的ROM有以下几个类别：

·    掩膜ROM（Mask ROM），存储器中存储的信息是在生产过程中制作进去的，以后无法进行修改。

·    可编程ROM（PROM），生产出来的存储器是空的，可以使用专门设备将信息存入其中（编程），但此后便不能被修改。

·    可擦除可编程ROM（EPROM），生产出来的存储器也是空的，可以使用专门设备将信息存入其中（编程），在需要的时候可以用紫外线照射的方法擦除其中的信息。

·    电可擦除可编程ROM（EEPROM），是目前使用最广泛的一类ROM。它在正常工作的低电压状态下，对存储的信息只能读不能写；在较高的脉冲电压作用下，可对存储在其中的信息进行改变或擦除。

·    闪存ROM（Flash ROM），其工作原理与EEPROM类似，但体积更小、速度更快。Flash ROM除了在计算机中作为内存使用外，还广泛使用在数码设备的存储卡中。

3．读写存储器RAM

读写存储器也称为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），它的特点是既能读也能写、断电后信息会消失，属于易失性存储器件，用来存储那些可以发生改变的程序和数据。在计算机的内存中，RAM的容量占据了绝大部分。

目前的RAM大都采用金属氧化物半导体（MOS）集成电路，按照工作原理不同，分为静态和动态两大类。

静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM），它使用由MOS晶体管组成的触发器保存信息，集成度较低、成本较高，但工作速度很快，不需要刷新。SRAM通常很少作为主存的RAM使用，而是作为存储系统中的Cache使用。

动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM），它使用MOS晶体管的结电容来保存信息，集成度高、成本低，但工作速度相对较慢，并且需要刷新。计算机主存中的RAM绝大多数都使用DRAM。目前在DRAM上发展出一些新技术和新结构，以克服其速度限制，并改善其工作性能。

4．辅助存储器

辅助存储器也称为外部存储器。与内存相比，具有容量大、速度慢、成本低、可以脱机保存信息的特点。目前常用的辅助存储器有软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器等。

（1）软盘存储器。

软盘存储器由软盘驱动器和软盘组成，采用电磁转换的方式记录和读取二进制信息。软盘是一个两面涂有磁粉的圆形聚酯薄膜塑料盘片（所以称为软盘），封装在方形塑料护套中，构成软盘的整体。当软盘放入驱动器中后，由驱动器的电机带动盘片旋转，然后驱动器的磁头沿半径方向移动，以记录或读取信息。软磁盘是以“面”、“磁道”、“扇区”的方式进行工作的。常用的3.5英寸软磁盘有两个面，每个面有80个磁道，每个磁道有18个扇区，如图2-6所示。

图2-6  磁盘上的磁道和扇区

软盘由于容量小、速度慢、可靠性不高，目前处于逐渐被淘汰的境地。

（2）硬盘存储器。

硬盘存储器的盘片和驱动器是一体化的，工作原理与软盘存储器基本相同。硬盘的盘片由铝合金或玻璃制成，一般由1至5个盘片组成，盘片安装在同一个主轴上，基本结构如图2-7所示。

图2-7  硬盘存储器的基本结构

硬盘的各个面上同一位置的相应磁道组成“柱面”，柱面上是各个磁道，而磁道又由若干个扇区组成。硬盘工作时，电机带动盘片旋转，磁头组在音圈电机的驱动下沿半径方向定位于某个柱面，再由电路切换某个磁头寻找指定磁道，然后对特定的扇区进行读或写的操作。

硬盘的存储容量大、速度快、单位存储容量的成本低、工作可靠，是辅助存储系统的主力。

（3）光盘存储器。

光盘存储器由光盘和光盘驱动器组成，由于其存储容量大、可靠性高、信息可长期保存（只要存储介质不发生问题，几乎可永久保存），目前已经成为计算机的重要存储设备之一。

光盘按照其存取方式分为只读型和可记录型，按照记录信息的编码方法可分为CD型和DVD型。所以常见的光盘有CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RW等多种。对应的光盘驱动器也有这些分类，如CD-ROM、DVD-ROM、CD-RW（CD刻录机）、DVD-ROM（DVD刻录机）。CD刻录机可读取所有CD盘片，并刻录CD-R和CD-RW盘片；DVD刻录机可读取所有盘片，刻录CD-R、CD-RW和DVD-RW盘片。

光盘存储器是按照光电原理来记录和读取信息的。在物理结构上，光盘由5层组成，由上到下依次为：印刷层、保护层、反射层、记录层、基片印刷层用来印刷图案文字内容；保护层防止污染和划伤以避免信息读取错误，用来保护下面的反射层和记录层；反射层由镀银或镀铝形成，用来反射激光束，以读取所存储的信息；记录层是保存信息的位置，不同原理的光盘所使用的记录层介质是不同的，如光刻胶或化学染料等；基片由耐热较强的塑料组成透光，直径为120毫米，有较好的光学性能和机械强度。光盘的横断面如图2-8所示。

光盘也是以二进制方式记录信息的，与之对应的是在光盘盘面上螺旋形光轨上的一系列凹坑和平面。在读操作时，激光束照射在凹坑和平面时的反射是不同的，通过光电二极管检测反射激光，就可转换为不同的“0”和“1”信息。在对可记录型光盘进行写操作（刻盘）时，用较高强度的激光聚焦后照射记录层上的光刻胶或化学染料，使其发生变化，以达到凹坑和平面的光学效果。而只读型光盘记录层中的信息则是由合金母版在基片上压制形成的。光盘上的螺旋形光轨如图2-9所示，光盘驱动器中的激光头在伺服机构的作用下从内向外沿光轨进行操作。

            

图2-8  光盘的横断面结构示意图              图2-9  光盘上的螺旋形光轨示意图

2.2.4  输入/输出设备

1．输入/输出设备概述

输入/输出设备（又称为I/O设备或外设）是计算机系统的重要组成部分，它包括输入设备、输出设备、设备控制器以及其他相关硬件。输入操作的任务是将输入设备输入的信息传送到内存的指定区域，输出操作的任务是将内存中的指定信息通过输出设备进行输出。除了进行有关信息的输入/输出操作外，输入/输出设备还要完成一些管理和控制任务。所以输入/输出设备是计算机系统中的一个重要组成部分。

与计算机系统的其他操作性比较，输入/输出设备的操作有许多不同的特点。

·    输入/输出设备的种类繁多、性能各异，各类设备都具有不同的工作原理和结构组成，操作控制的方法差异很大，与计算机系统的连接方式也千差万别。

·    各个输入/输出设备除了必须能够完成各自所要求的操作任务外，计算机系统往往还要求若干个输入/输出设备能够同时进行工作，例如在键盘输入的同时进行显示操作。

·    多数输入/输出设备在操作过程中包含机械过程，使得工作速度远远低于主机的工作速度。为了提高系统的工作效率，通常要求输入/输出操作能够与主机的计算处理并行进行。

·    除了键盘和显示器等基本的常规输入/输出设备外，根据计算机系统的运行要求不同，所需要的输入/输出设备也有很大差异。同一个计算机系统在不同情况下，所连接的输入/输出设备也会发生变化。所以计算机系统的主机是相对固定的，而输入/输出设备则是动态变化的。

在计算机系统中，每个输入/输出设备都有专门的设备控制器。设备控制器的任务是接受主机的输入输出指令，独立完成相应的输入/输出任务，在任务完成后再通知主机任务已经完成（或任务出错）。计算机输入/输出系统的基本逻辑结构如图2-10所示。

图2-10  计算机输入/输出系统的基本逻辑结构

2．输入/输出接口

在计算机系统中，主机要想与I/O设备互相交换信息，就必须在两者之间建立一个桥梁和纽带，由该桥梁和纽带来解决输入输出中的选择、传输、控制等诸多问题。这个桥梁和纽带就是输入输出接口（也叫I/O接口）。I/O接口是位于主机和外设之间协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，I/O控制器是其重要的组成部分。一般情况下，I/O接口要正常发挥作用，还需要相应的软件支持。

I/O接口的数据传输和控制作用主要包括以下几点：

·    对输入/输出的各种数据进行缓冲和锁存。一般情况下，I/O设备的速度比较缓慢，而主机的速度快且繁忙。所以在I/O接口中必须设置起缓冲和锁存作用的数据寄存器，以便将主机传送过来的数据保存下来，使速度较慢的I/O设备有足够的时间进行处理。

·    对信号的形式和数据的格式进行转换。计算机主机里处理的是二进制数据和脉冲信号，它们都在一定的电压范围内，所能提供的电流也很小，与I/O设备所需要的形式会有所不同。所以在进行输入/输出时，需要I/O接口将它们进行适当的转换。如：将信号进行放大和整形、对信号进行数字/模拟转换（或相反）、进行串行数据和并行数据格式的相互转换等。

·    对设备进行选择和寻址。在计算机系统中，通常连接有多个I/O接口，某些I/O接口也可以连接若干个I/O设备，而主机同一时间只能对一个设备进行操作，这就需要借助I/O接口的选择和寻址功能。所谓寻址，是指I/O接口以及其内部起缓冲和锁存作用的数据寄存器能够被主机选中。I/O接口能够对主机的地址信号进行辨别和解释，判断当前接口是否被选中，选中的是哪个寄存器。

·    与主机及I/O设备进行联络。I/O接口处于主机及I/O设备之间，既要与主机联络，又要与I/O设备联络。I/O接口应能接受并解释主机的命令，并根据命令产生相应的控制信号传送给外设，还要能够接受外设传递过来的状态信息，并将其传递给主机。为了使接口具有较强的通用性和灵活性，许多I/O接口可以有多种工作方式，并且可以通过软件编程的方法来设置工作状态，以适应各种不同的工作情况。

3．主机与I/O设备之间的数据传输

主机与I/O设备之间的数据输出传递实际上分为两个阶段，即先由主机通过系统总线将数据传递到I/O接口，然后再由I/O接口将数据传送到I/O设备。如果是数据输入传递，则过程与上面正好相反。不同的I/O设备对数据传输的要求是不同的，这就需要采用不同的传送方式。传输方式决定了主机对I/O设备的控制方式，控制方式不同导致I/O接口的电路结构和逻辑功能的不同。

主机与I/O设备之间的数据传输方式一般有四种：无条件传送方式、程序查询传送方式、中断传送方式、直接存储器存取（DMA）传送方式。无条件传送方式要求条件严格，应用范围较窄。程序查询传送方式的执行效率较低，实际情况中使用也不多。而中断传送方式和直接存储器存取传送方式在计算机系统中被大量使用。

2.2.5  PC机的典型硬件设备

20世纪70年代计算机发展史上的一个重大事件是出现了个人计算机（PC）。个人计算机有时也被称为微型计算机（有时简称微机）。PC机的硬件结构与冯·诺依曼结构没有本质差别，不过其中央处理器已经被集成到一个集成电路芯片中，称为微处理器（Micro Processor，MP）。目前的微处理器大都采用超大规模集成制造技术将运算器、控制器、寄存器组以及缓冲存储器Cache等逻辑电路集成在单一芯片中，以提高计算机系统的性能、缩小计算机系统的体积。另外还有一种将中央处理器、存储器、输入/输出接口等电路都集成在单一芯片中的集成电路，称为微控制器（Micro Controller），也叫单片机，常用于智能仪器、智能设备、通信设备、数字家电。

PC机价格便宜、使用方便、配套软件丰富，既能单机使用又能联网运行，是计算机家族中数量最大的一个类别。随着技术的不断进步，PC机的性能也不断提高，价格不断下降，应用日益广泛。

通常将PC机分成便携式和台式两大类型，如图2-11所示。前者体积较小，便于携带，但价格较高；后者体积大，移动性差，但价格较低。无论是便携机还是台式机，其硬件结构基本都是相同的，主要由主机板、CPU、存储器、硬盘、光驱、机箱、键盘和显示器等组成。下面以台式机为例，对PC机的硬件作一些简单介绍。

图2-11  台式机与便携机

1．主板

系统主板又叫主板（Mainboard）、系统板（Systemboard）和母板（Motherboard），它安装在机箱内，是PC机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。主板的另一特点，是采用了开放式结构。主板上大都有6～8个扩展插槽，供PC机外围设备的控制卡（适配器）插接。通过更换这些插卡，可以对PC机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。总之，主板在整个PC机系统中扮演着非常重要的角色。可以说，主板的类型和档次决定着整个PC机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个PC机系统的性能。系统主板如图2-12所示。

图2-12  系统主板（左）和芯片组（右）

芯片组（Chipset）是主板的核心组成部分（如上图右侧所示），对于主板而言，芯片组几乎决定了这块主板的功能，进而影响到整个计算机系统性能的发挥。芯片组通常由两块芯片组成，其中CPU的类型、主板的系统总线频率，内存类型、容量和性能，显卡插槽规格是由芯片组中的北桥（North Bridge）芯片决定的；而扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量（如USB2.0/1.1、IEEE1394、串口、并口、笔记本的VGA输出接口）等，是由芯片组的南桥（South Bridge）决定的。北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也大，所以现在的北桥芯片都覆盖着散热片用来加强北桥芯片的散热，有些主板的北桥芯片还会配合风扇进行散热。还有些芯片组由于纳入了3D加速显示（集成显示芯片）、AC’97声音解码等功能，还决定着计算机系统的显示性能和音频播放性能等。

主板的大小和安装尺寸也是按照规范化设计的，目前常用的有ATX和Micro-ATX两种。

2．CPU

图2-13  Intel公司的Pentium 4 CPU （正面和反面）

在PC机中，中央处理器被集成在一个芯片中，称为微处理器，但平常还是将其称为CPU。在PC机中常用的CPU如图2-13所示。

由于集成电路制造技术的飞速发展，CPU在性能、速度、功耗和体积方面有了非常大的改善，平均每18个月就会有一个数量级的提高。表2-2是Intel公司所生产的CPU。

表2-2  Intel的历代CPU的基本情况

衡量CPU性能的主要技术指标如下：

（1）字长。

字长表示CPU一次处理信息的二进制位数，它表示了CPU的计算精度和处理信息的能力。目前多为32或64位。

（2）外频。

外频是主板提供给CPU的电路工作频率，通常与内存的工作频率相同。外频越高，表示CPU与系统交换信息的能力越强。

（3）主频。

主频是CPU内部电路的工作频率。CPU主频是由外频乘以倍频系数而得到的，所以CPU的主频往往是外频的几十倍。

（4）指令系统。

CPU所采用的指令系统决定了计算机系统能够使用的软件。目前在PC机中所使用的CPU的指令系统基本都与IBM-PC系列保持兼容，以支持软件的通用性。

（5）生产工艺技术。

生产工艺技术指CPU集成电路的制造技术，它与CPU的功耗、发热、可靠性、性能都有关系。通常用集成电路元器件的线宽来衡量。

以Intel公司近期生产的Pentium D 805双核处理器为例，它的性能为：主频为2.66GHz；外频为133MHz，倍频为20倍；二级缓存为每核1MB（共2MB），533MHz前端总线，支持MMX、SSE、SSE2、SSE3多媒体指令集和EM64T 64位运算指令集。使用90nm制程，LGA775接口，核心代号为SmithField，处理器核心晶体管数量为2亿3千万，处理核心面积为206mm²。

3．内存条

PC机主存储器的RAM是由内存条组成的。内存条是一个长条形印刷电路板，上面焊接有许多超大规模的存储电路芯片（称为内存颗粒），如图2-14所示。

图2-14  两种不同的内存条

内存条上含有大量的存储单元，每个存储单元可以存储1个字节（Byte）的二进制信息。存储器的容量就是指它所包含的存储单元的总数，以兆字节（MB）为单位。每个存储单元都编有号码，称为地址，CPU就是按照地址对存储单元进行访问的。存储器的存取时间（Access time）是指存储器存储或读取数据所需要的时间，目前通常为10ns左右。

由于CPU的运行速度很高，并且越来越快，相对工作速度较慢的内存就必须提高速度。目前除了改进芯片电路和制造工艺外，还普遍采用了改进内存控制技术的方法。当前比较流行的是DDR2技术和双通道技术。

DDR2（Double Data Rate 2）SDRAM是一种新的同步动态RAM内存技术标准，它不仅采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，而且拥有两倍的内存预读取能力。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。目前常用的DDR2内存条的技术参数如表2-3所示。

表2-3  DDR2内存的技术参数

双通道内存技术其实是一种内存控制和管理技术，它依赖于芯片组的内存控制器发生作用，在理论上能够使两条同等规格内存所提供的带宽增长一倍。双通道内存技术是解决CPU总线带宽与内存带宽矛盾的低价、高性能方案。它包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，理论上来说，两个内存控制器都能够在彼此间零延迟的情况下同时运作。两个内存控制器在功能上是完全一样的，并且两个控制器的时序参数都是可以单独编程设定的。这样的灵活性可以让用户使用两条不同构造、容量、速度的内存条，允许不同密度/等待时间特性的内存条可以可靠地共同运作，不过实际使用中还是建议尽量使用参数一致的两条内存条。内存双通道一般要求按主板上内存插槽的颜色成对使用，此外有些主板还要在BIOS中进行一下设置，一般主板说明书会有说明。

4．硬盘

硬盘是PC机的必备辅助存储设备，由于微电子、材料、机械领域新技术的不断应用，硬盘的容量和性能得到持续提高，价格也在不断下降。

硬盘主要包括：盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分。所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴就是盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可以沿着盘片的半径方向移动，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。由于硬盘是精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。在硬盘的正面都贴有硬盘的标签，标签上一般都标注有硬盘相关的信息，在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器以及数据线接口插座，而硬盘的背面则是控制电路板。硬盘的外形和内部结构如图2-15所示。

图2-15  硬盘的外形（左）和内部结构（右）

衡量硬盘的主要性能指标如下所示。

（1）单碟容量：单碟容量是硬盘相当重要的参数之一，它在一定程度上决定了硬盘的档次高低。硬盘是由多个碟片组合而成的，而单碟容量就是一个存储碟所能存储的最大数据量。现在的大容量硬盘都采用的是新型GMR巨阻型磁头，磁碟的记录密度大大提高，硬盘的单碟容量也相应提高了。目前主流硬盘的单碟容量大都在80GB～160GB。单碟容量的一个重要意义在于提升硬盘的数据传输速率，而且也有利于生产成本的控制。

（2）主轴转速：硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。从目前的情况来看，7200rpm（Revolutions Per Minute ，转/每分钟）的硬盘具有性价比高的优势。

（3）寻道时间（Seek Time）：该指标是指硬盘磁头移动到数据所在磁道所用的时间，单位为毫秒（ms）。平均寻道时间（Average Seek Time）则为磁头移动到正中间的磁道需要的时间。平均寻道时间越少性能则越高，现在一般选用平均寻道时间在10ms以下的硬盘。

（4）平均潜伏期（Average Latency）：这一指标是指当磁头移动到指定磁道后，要等多长时间指定的读/写扇区会移动到磁头下方（盘片是旋转的），盘片转得越快，潜伏期越短。平均潜伏期是指磁盘转动半圈所用的时间。显然，同一转速的硬盘的平均潜伏期是固定的。7200rpm时约为4.167ms，5400rpm时约为5.556ms。

（5）平均访问时间（Average Access Time）：又称平均存取时间，其含义是指从读/写指令发出到第一笔数据读/写时所用的平均时间，包括了平均寻道时间、平均潜伏期与相关的内务操作时间（如指令处理），又称平均寻址时间。如果一个5400rpm硬盘的平均寻道时间是9ms，那么理论上它的平均访问时间就是14.556ms。

（6）数据传输率（Data Transfer Rate，DTR）：单位为MB/s（兆字节每秒）或Mb/s（兆位每秒，又称Mbps）。DTR分为最大与持续两个指标，根据数据交接方式的不同又分外部与内部数据传输率。内部DTR是指磁头与缓冲区之间的数据传输率，外部DTR是指缓冲区与主机（即内存）之间的数据传输率。外部DTR上限取决于硬盘的接口，目前并行接口硬盘的外部DTR最高理论值可达100MB/s或133MB/s，而新近流行的串行接口（Serial Advanced Technology Attachment，SATA）硬盘的外部DTR最高理论值可达150MB/s、300MB/s或600MB/s。

（7）缓冲区容量（Buffer Size）：也称之为缓存（Cache）容量，单位为MB。在一些厂商资料中还被写作Cache Buffer。缓冲区的主要作用是平衡内部与外部的DTR，以减少主机的等待时间。目前硬盘的高速缓存一般为2MB～8MB，部分民用级硬盘也达到了16MB。购买时最好选用缓存为8MB以上的硬盘。

5．光盘驱动器

光盘存储器由于具有记录密度高、存储容量大、可靠性好、存储介质可以移动交换的特点，目前已成为PC机中程序、数据以及多媒体信息的主要载体。光盘驱动器也成为PC机中的标准配置。光盘驱动器和其内部的激光头读写机构如图2-16所示。

图2-16  光盘驱动器（左）和激光头读写机构（右）

光驱通常由以下几个部分组成：主体支架、光盘托架、激光头组件、电路控制板。其中，激光头组件的地位最为重要，可以说是光驱的“心脏”。光驱的工作时就是由这些基本组件协同完成的。激光头组件由主轴电机、伺服电机、激光头和机械运动部件等组成。而激光头则是由一组透镜和光电二极管组成。在激光头中，有一个设计非常巧妙的平面反射棱镜。当光驱在读光盘时，从光电二极管发出的电信号经过转换，变成激光束，再由平面棱镜反射到光盘上。由于光盘是以凹凸不平的小坑代表“0”和“1”来记录数据的，因此它们接受激光束时所反射的光也有强弱之分，这时反射回来的光再经过平面棱镜的折射，由光电二极管变成电信号，经过控制电路的电平转换，变成只含“0”、“1”信号的数字信号，计算机就能够读出光盘中的内容了。与硬盘的同心圆磁道方式不同的是，光盘是以连续的螺旋形轨道来存放数据的。其轨道的各个区域的尺寸和密度都是一样的，这样可以保证数据的存储空间分配更加合理。也正因为如此，使得激光头不能用与硬盘磁头一样的方式来寻道。为了保证激光头能够准确地寻道，就产生了“寻迹”技术，它使得激光头能够始终对准螺旋形轨道的轨迹。如果激光束与光盘轨迹正好重合，那么这时的偏差就是“0”。但是大多数情况下，都不可能达到这样理想的状态，寻迹时总会产生一些偏差，这时光驱就需要进行调整。如果寻迹范围不够大的话，那么数据盘就可能读不出，也就是我们通常所说的纠错性能不好。

目前在PC机上配备的光盘驱动器大都为DVD驱动器。DVD的英文全名是Digital Versatile Disk，即数字多用途光盘，它不仅可以用来存储数字影像资料，也可以存储计算机程序和数据。DVD驱动器使用红色激光进行工作，轨道间距更小、记录密度更大。从计算机存储器的角度来看，DVD驱动器分为DVD-ROM和DVD-RAM（DVD刻录机）两种，前者只能读取光盘上的信息，后者既能读取光盘上的信息也能向可记录光盘上存储信息。

DVD驱动器所使用的光盘有三类：DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM。DVD-ROM盘，其上信息不能被擦除或者修改，属于只读性光盘；DVD-R盘，盘上原来是空的，可使用刻录机向上记录信息，但记录后不能被修改；DVD-RAM盘，这种光盘利用染料受激光加热发生相变的原理工作，可以记录信息，记录的内容也可以被擦除。DVD光盘的直径通常为120mm，有单面、双面和单层、双层之分，光盘容量从4.7GB～17GB不等。目前已开发出使用蓝色激光的驱动器和光盘，其记录密度更高，容量更大。

6．键盘和鼠标

键盘（如图2-17所示）是PC机上最常用的标准输入设备，用来输入字母、数字、符号等字符信息。

键盘上的按键包括数字键、字母键、符号键、功能键和编辑控制键，各个按键按照ISO 2530和GB 2787标准规定分布在一定区域内。每个按键对应一个开关，所有按键组成一个开关矩阵，在键盘内部的单片机控制下，扫描用户的按键动作，将按键的信号转换为相应的代码传送到主机中。

鼠标（如图2-18所示）也是PC机上标准的输入设备，因其外形像老鼠，所以称之为Mouse。鼠标是一种指示设备，可以控制屏幕上的鼠标箭头定位在指定的位置处，再通过按键完成需要的操作。

目前在PC机上广泛采用光学鼠标（Optical Mouse），它采用光电二极管和微型镜头来感知鼠标的移动方向和距离。光学鼠标的速度快、准确性好、灵敏度高，分辨率可达到800dpi（点/英寸），几乎在任意平面上都能使用。鼠标与主机的连接通常采用PS/2接口，可以热插拔的USB接口和无线鼠标也已开始推广使用。

                 

图2-17  键盘                                     图2-18  鼠标

7．显示器

图2-19  液晶显示器

显示器是PC机上必不可少的输出设备，它用于显示图形或文字信息，没有显示器，用户无法了解计算机的工作状态和处理结果，也无法进行操作。PC机的显示系统由显示控制接口和显示器两部分组成。显示控制接口负责处理需要显示的各种信息，并对显示操作进行控制和协调，它由显示控制电路、图形处理器、显示存储器、接口电路等部分组成。显示控制接口大都采用独立插卡的形式，但也可以集成在主板的控制芯片中，目前多使用AGP总线。显示器的作用是将显示用的电信号转换为光信号，并显示出来。常用的有使用显像管的CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）显示器和使用液晶屏的LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示）显示器，如图2-19所示。LCD显示器由于体积小、功耗低、辐射小等优点而逐渐被广泛使用。

与CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，无须考虑刷新率，也可保持图像稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。由于完全没有辐射，所以即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。其体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的。LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD屏由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5mm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液晶都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个小的光开关。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

图2-20  AGP显示接口卡

AGP（Accelerate Graphical Port，加速图形接口）是一种显示卡专用的局部总线，如图2-20所示。严格地说，AGP不能称为总线，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，但在习惯上我们依然称其为AGP总线。AGP总线直接与主板上的北桥芯片相连，且通过该接口让显示芯片与系统主内存直接相连，避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈，增加了3D图形数据传输速率，同时在显示存储器不足的情况下还可以调用系统主内存。由于采用了数据读写的流水线操作减少了内存等待时间，所以它拥有很高的传输速率。AGP标准在使用32位总线时，有66MHz和133MHz两种工作频率，最高数据传输率为266Mbps和533Mbps，而PCI总线理论上的最大传输率仅为133Mbps。目前最高规格的AGP 8X模式下，数据传输速度达到了2.1Gbps。

8．打印机

打印机是PC机上比较常用的一种输出设备，它的作用是将文字、图形、数据和程序等信息打印到纸上。打印机的种类繁多，工作原理和性能也各有差异，目前使用比较广泛的有针式打印机（如图2-21所示）、喷墨打印机（如图2-22所示）和激光打印机（如图2-23所示）三种。

         

图2-21  针式打印机               图2-22  喷墨打印机              图2-23  激光打印机

针式打印机的打印工作主要是有打印头完成的，属于击打式打印设备。打印头驱动其中的钢针通过色带完成打印操作。所打印的字符或图形实际上是由钢针形成的色点所组成的点阵。针式打印机的打印成本低，可打印票据和存折等，但精度低、速度慢、噪声大，在金融、邮电、商业等领域有比较广泛的应用。针式打印机的打印精度一般只有180dpi。

喷墨打印机属于非击打式打印设备。它是通过将打印头中的墨水由压电技术或热气泡技术生成细小墨滴来实现打印的。喷墨打印机对打印头喷嘴的制造材料和制造工艺以及墨水的配方有很高的要求，所以综合打印成本相对较高。喷墨打印机的工作噪声小、打印精度高，常用在彩色图像输出领域，其打印精度可达720dpi。

图2-24  U盘

激光打印机的核心技术就是所谓的电子成像技术，这种技术融合了影像学与电子学的原理和技术以生成图像。当计算机向打印机发送数据时，打印机首先将接收到的数据暂存在缓存中，当接收到一段完整的数据后，再发送给打印机的处理器，处理器将这些数据组织成可以驱动打印引擎动作的信号组，对于激光打印机而言，这个信号组就是驱动激光头工作的一组脉冲信号。激光打印机的核心部件是一个可以感光的硒鼓。激光发射器所发射的激光照射在一个反射镜上，随着反射镜的转动，激光从硒鼓的一端到另一端依次扫描，硒鼓以1/300英寸或1/600英寸的步幅转动，扫描又在接下来的一行进行。硒鼓表面预先带有电荷，当有光线照射时，受到照射的部位会发生电阻的变化。计算机所发送来的数据信号控制着激光的发射，扫描在硒鼓表面的光线不断变化，有的地方受到照射，电阻变小，电荷消失，也有的地方没有光线射到，仍保留有电荷，最终，硒鼓表面就形成了由电荷组成的潜影。打印墨粉是一种带电荷的细微塑料颗粒，其电荷与硒鼓表面的电荷极性相反，当带有电荷的硒鼓表面经过涂墨辊时，有电荷的部位就吸附了墨粉颗粒，潜影就变成了真正的影像。硒鼓转动的同时，另一组传动系统将打印纸送进来，经过一组电极，打印纸带上了与硒鼓表面极性相同但强得多的电荷，随后纸张经过带有墨粉的硒鼓，硒鼓表面的墨粉被吸引到打印纸上，图像就在纸张表面形成了。此时，墨粉和打印纸仅仅是靠电荷的引力结合在一起，在打印纸被送出打印机之前，经过高温加热，塑料质的墨粉被熔化，在冷却过程中固着在纸张表面。激光打印机的打印噪声小、速度快，打印精度可达600dpi～800dpi。黑白激光打印机因其价格适中，被广泛应用在办公领域。彩色激光打印机由于价格日益下降，在专业用户中也逐步得到使用。

9．U盘和数码相机

U盘（如图2-24所示）采用Flash半导体存储器作为存储介质，由于利用USB作为连接接口，所以称为U盘，也称为“闪盘”或“优盘”。它的体积很小、重量很轻、便于移动携带、支持即插即用和带电插拔、使用方便可靠，是目前被广泛使用的移动存储设备。

数码相机（Digital Camera）是一种重要的图像输入设备，如图2-25所示。与传统相机比较，数码相机不需要胶片和暗房，它直接将图像以数字方式记录下来，并输入计算机进行处理或使用打印机进行打印。数码相机的镜头和快门等成像机构与传统相机基本相同，但是用电耦合器件CCD或金属氧化物半导体CMOS组成的成像芯片代替胶片，将图像转换为电信号，进行模拟数字转换后变成数字图像，再经过处理和压缩后存储到存储器中。数码相机的功能多样、使用方便、性能价格比日益提高，应用也越来越广泛。

  

图2-25  数码相机的外形和内部结构

10．端口

PC系统的各种输入/输出设备与主机之间都需要通过连接器实现连接，用来连接这些设备的插头/插座称为连接端口，如图2-26所示。通常输入/输出设备就是通过电缆与这些端口连接的。

  

图2-26  主板上的端口

各种输入/输出设备的类型不同，数据传输的方式也有串行和并行之分，数据传递的方向还有单向与双向之别，因此端口还必须具有相应的通信规则和电气特性。PC机上的端口都安装在主板上，还可以通过插卡来加以扩充。表2-4就是PC机上常见的一些端口及其主要连接设备。

表2-4  PC系统的常用端口