《计算机组装和维护教程》第一章：计算机硬件基础知识共39页

计算机组装和维护教程第1章计算机硬件基础知识学习目的与要求：本章主要介绍了计算机的基本硬件知识，自从人类具备认识世界的能力以来，计算就已经存在。在人类发展的漫长过程中，人类对计算的追求从来就没有停止过。从最原始的扳手指计算到借助算盘计算，从机械计算机到电子计算机等。第1章计算机硬件基础知识1.1个人计算机简介1.2计算机的组成与基本结构1.3本章实训1.4本章习题1.1个人计算机简介1.1.1计算机发展概况计算机于1946年问世，它一诞生，就立即成了先进生产力的代表，掀开自工业革命后的又一场新的科学技术革命。要追溯计算机的发明，可以由中国古时开始说起，古时人类发明算盘去处理一些数据，利用拨弄算珠的方法，人们无需进行心算,通过固定的口诀就可以将答案计算出来。这种被称为“计算与逻辑运算”的运作概念传入西方后，被美国人加以发扬光大。直到十六世纪,发明了一部可协助处理乘数等较为复杂数学算式的机械，被称为“棋盘计算器”，但这时期只属于纯计算的阶段,要到十九世纪才有急速的发展。近１０年来，计算机的应用日益深入到社会的各个领域，如管理、办公自动化等。由于计算机的日益向智能化发展，人们干脆把微型计算机称之为“电脑”1.1.1计算机发展概况1．早期的计算工具（1）东方的创造：算筹、算盘最早的人造计算工具是算筹，“筹”是一种竹制、木制或骨制的小棍，它们可以按照一定的规则灵活地布于盘中或地面，一边计算一边不断地重新布棍。如图1.1所示。算盘是从算筹发展来的，它的产生时间大概在元代。如图1.2所示。图1.1算筹图1.2算盘1.1.1计算机发展概况（2）西方的灵感：机械计算机、机电计算机1642年，法国数学家、物理学家帕斯卡（BlaisePascal）制造出第一台机械加法器Pascaline。如图1.3所示。1822年，英国数学家巴贝奇（CharlesBabbage）设计了一台差分机，如图1.4所示1938年，德国工程师朱斯（KonradZuse）成功制造了第一台二进制计算机Z-1，此后他继续研制了Z系列计算机，其中Z-3型计算机是世界上第一台通用程序控制的机电计算机，如图1.5、1.6所示图1.3帕斯卡加法器图1.4差分器图1.5Z-3型计算机图1.6Z-3型计算机1.1.1计算机发展概况2．电子计算机的诞生1946年2月，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院物理学家莫奇利（JohnW.Mauchly）和工程师埃克特（J.PresperEckert）领导的科研小组共同开发了世界上第一台数字电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数值积分计算机)。1944年8月至1945年6月是计算机科学技术快速发展时期。冯·诺依曼JohnvonNeuman）博士与莫尔学院科研小组合作，提出了一个全新的存储程序通用数字电子计算机方案EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，离散变量自动电子计算机），这就是人们通常所说的冯·诺依曼型计算机。1.1.1计算机发展概况3．计算机的发展阶段第一代电子管计算机(1945-1956)第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据，如图1.11所示。图1.11电子管第二代晶体管计算机(1956-1963)1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小，如图1.12所示。1956年，晶体管在计算机中广泛使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。图1.12晶体管第三代集成电路计算机(1964-1971)虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分。1958年发明了集成电路(IC)，如图1.13所示，将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统，如图1.14所示。随后，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。图1.13集成电路图1.14IBM360系统第四代大规模集成电路计算机(1971-现在)出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路(LSI)可以在一个芯片上容纳几百个元件，如图1.15所示。到了80年代，超大规模集成电路(VLSI)在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。图1.15大规模集成电路1.1.1计算机发展概况4．计算机的发展趋势目前计算机技术的发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化这4个方向发展。巨型化是指具有运算速度高、存储容量大、功能更完善的计算机系统，其运算速度一般在百亿次每秒、存储容量超过百万兆字节。微型化得益于大规模和超大规模集成电路的飞速发展，微处理器自1971年问世以来，发展非常迅速，几乎每隔两三年就会更新换代一次，这也使以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升。网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享数据和软硬件资源的目的，现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到广泛的应用。智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也是第五代计算机要实现的目标。展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。从目前的发展趋势来看，未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和生物技术相互结合的产物。1.1.2计算机的分类通常人们又按照计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多方面的综合性能指标，将计算机分为微型机、工作站、小型机、大型机和巨型机等几类。1．巨型机巨型机是计算机型谱中档次最高的机型，它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂，它的研制水平、生产能力及其应用程度已成为衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志。我国研制成功的“银河巨型计算机”采用了目前国际最新的可扩展多处理机并行体系结构。它的整体性能优越、系统软件高效、网络计算环境强大、可靠性设计独特以及工程设计优良，其系统综合技术达到当前国际先进水平。1.1.2计算机的分类2．大型通用机大型通用机的特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力以及性能覆盖面广等，主要应用在公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂等，通常人们称大型机为“企业级”计算机。大型机研制周期长，设计技术与制造技术非常复杂，耗资巨大，需要相当数量的设计师协同工作。大型机在体系结构、软件和外设等方面又有极强的继承性。因此，国外只有少数公司能够从事大型机的研制、生产和销售工作。1.1.2计算机的分类3．小型机小型机可以为多个用户执行任务，通常是一个多用户系统。小型机结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺。这类机器由于可靠性高，价格便宜，对运行环境要求低，易于操作且便于维护，因此对广大用户具有吸引力，特别是在一些中小企业很有市场。小型机的出现加速了计算机的推广普及。小型机应用范围广泛，它可作为集中式的部门级管理计算机，在大型应用中作为前端处理机，在客户-服务器结构中作为服务器（如文件服务器、服务器及应用服务器等）。小型机还广泛用于企业管理以及大学和研究所的科学计算等。1.1.2计算机的分类4．工作站工作站是一种高档微机系统。它具有较高的运算速度，既具有大、中、小型机的多任务、多用户能力，而兼具微型机的操作便利和良好的人机界面。工作站可连接多种输入、输出设备，而其最突出的特点是图形功能强，具有很强的图形交互与处理能力，因此在工程领域，特别是在计算机辅助设计（CAD）领域得到迅速应用。1.1.2计算机的分类5．微型计算机以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机（PC）简称微型机或微机。1971年，美国Intel公司成功地在一块芯片上实现了中央处理器的功能，制成了世界上第1片4位微处理器MPU，也称Intel4004，并由它组装成第1台微型计算机MCS-4，由此揭开了微型计算机大普及的序幕。当前，个人计算机已渗透到各行各业和千家万户。它既可以用于日常信息处理，又可用于科学研究。PC机的出现使得计算机真正面向全人类，真正成为大众化的信息处理工具。1.1.2计算机的分类6．服务器当计算机最初用于信息管理时，信息的存储和管理是分散的，这种方式的弱点是数据的共享程度低，数据的一致性难以保证。于是以数据库为标志的新一代信息管理技术发展起来，而以大容量磁盘为手段、以集中处理为特征的信息系统也发展起来。20世纪80年代PC机的兴起冲击了这种集中处理的模式，而计算机网络的普及更加剧了这一变化。数据库技术也相应延伸到了分布式数据库，客户机/服务器的应用模式出现了。近年来，随着因特网的普及，各种档次的计算机在网络中发挥着各自不同的作用，而服务器在网络中扮演着最主要的角色。服务器可以是大型机、小型机、工作站或高档微机。服务器可以提供信息浏览、电子邮件、文件传送、数据库、打印以及多种应用服务。1.2计算机的组成与基本结构1.2.1计算机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大部分组成的，如图1.20所示。等等各种信息管理系统软件计算机辅助类软件字处理软件应用软件数据库管理系统等等各种计算机语言操作系统系统软件软件、光盘等）输出设备（软盘、硬盘等）输入设备（鼠标、键盘外部设备只读存储器随机存储器内存储器运算器控制器中央处理器主机硬件计算机系统图1.20计算机系统组成1.2.2计算机的硬件结构1．计算机硬件系统无论是巨型机、大型机、小型机，还是微型机，尽管它们在规模和性能方面存在着极大的差别，但其硬件系统都是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成。（1）运算器：是计算机中进行算术运算和逻辑运算的单元，通常由算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、加法器及通用寄存器组成。（2）控制器：负责从存储器中逐条取出指令、分析指令，并按指令要求发出相应的控制信号指挥各执行部件工作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。（3）存储器：是用来存放各类程序和数据信息。可分为内存储器（简称内存或主存储器）和外存储器（简称外存或辅助存储器）。一般我们说到的存储器，指的是计算机的内存。内存储器主要采用半导体集成电路制成，可分为随机存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）和只读存储器（ReadonlyMemory，简称ROM）。内存容量较小，但存取速度快。常与中央处理器一起组成计算机的主机。外存一般采用磁性介质或光学材料制成，容量大，但存取速度较慢，如磁盘、磁带和光盘等。外存作为计算机的外部设备来使用。（4）输入设备输入设备用于从计算机外部将数据、命令输入到计算机的内部，供计算机处理。常用的输入设备有键盘、鼠标、磁盘驱动器、磁带机、光笔、CD-ROM驱动器、扫描仪、数字化仪和摄像机等。（5）输出设备输出设备将计算机处理后的结果信息，转换成人们能够识别和使用的数字、文字、图形、声音等形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响。1.2.2计算机的硬件结构2.微型机硬件系统微型计算机从最早的IBMPC发展到今天的PentiumIV。其各项性能指标得到大大提高。它们都是由显示器、键盘和主机构成,如图1.21所示。主机箱有卧式和立式机箱两种。在主机箱内有主板、硬盘驱动器、CDROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器（显示卡）等。图1.21微型机系统2.微型机硬件系统主板主板也叫系统板或母板，包括微处理器模块（CPU）、内存模块（随机存储器RAM、只读