电脑的组成原理与基本结构

第1章电脑的组成原理与基本结构学习目标在组装电脑之前，应首先了解组装一台电脑至少需要哪些基本部件，以及各部件的大致功能等基本常识。本章将对电脑的基本组成和结构进行讲解，剖析电脑的基本结构，让读者对电脑有一个初步的认识，了解一些关于电脑的基础知识，迈出组装电脑的第一步。本章要点电脑的诞生电脑的发展电脑的软件系统电脑的硬件系统电脑的基本结构1.1电脑的发展史电脑是20世纪最伟大的发明之一，可以说电脑是当代社会、科学和经济发展的奠基石。电脑的发明带动了20世纪下半叶的信息技术革命，和以往的工业革命不同的是，电脑将人类从繁杂的脑力和体力劳动中解放了出来，这使得人类社会近50年来的发展速度比此前任何一个时期都快，生产总值比此前几千年来的总和还要多。电脑为什么会有如此神奇的力量呢？它究竟是什么样子呢？它又是如何被发明的？下面就来了解一下电脑的历史。1.1.1电脑的诞生电脑是人们对电子计算机的俗称，第一台电脑是1946年2月15日由美国宾夕法尼亚大学研制的，名为ENIAC。后来，由天才数学大师、美籍匈牙利数学家冯·诺依曼对其进行了改进，并命名为“冯·诺依曼”体系电脑，现在的电脑都是由“冯·诺依曼”体系电脑发展而来的，因此冯·诺依曼被西方科学家尊称为“电子计算机之父”。在电子计算机之前，还有具有历史意义的一台计算器，那就是由法国数学家帕斯卡于1642年发明的。在帕斯卡小时候，其父亲在税务局上班，为了减轻父亲计算税务的麻烦，他发明了一种可以计算的小机器。这个计算器是一个不大的黄铜盒子，盒子里面并排装着一些齿轮，这些齿轮上标有0～9共10个数字，每个齿轮代表一位数，当低位齿轮转动10圈时，高位齿轮转动1圈，这样就实现了自动进位，这和机械钟表极其相似。后来，德国数学家莱布尼兹在帕斯卡计算器的基础上，于1694年发明了世界上第一台2¤电脑组装与维护教程︻电脑基础·实例·上机系列教程︼能进行加减乘除法运算的机械计算机。莱布尼兹还有一项重大发明，那便是当今所有电脑使用的二进制。二进制只有0和1这两个数字，遇到比1大的数就进位，例如，1＋1＝10，11＋1＝100等。1.1.2电脑的发展自1946年第一台真正意义上的电脑被发明以来，电脑已经走过了近60个年头了。从最初采用电子管的庞大电脑到如今采用超大规模集成电路的微型电脑，电脑主要经历了4个阶段和3次重大的技术革新。1．电子管时代1946年研发的第一代ENIAC电脑使用了17468个真空电子管，耗电量达174kW，占地170m2，重达30t。由于那个时期的电脑以电子管作为基本电子元件，用磁鼓作为主存储器，因而称为“电子管时代”。那时的电脑和我们现在使用的电脑还差得很远，它采用的十进制的计数方式，由冯·诺依曼改进后，电脑才开始采用二进制的计数方式，并且在电脑内加入存储器，把程序和数据一起存储在电脑内，让电脑自动完成运算过程，这便是我们今天使用的电脑的雏型。人类就是利用这些电子管电脑将人造卫星送上了天。但是这一代的电脑体积大，耗电量多，价格昂贵，运行速度较低，并且可靠性较差，使得电脑的应用范围只局限于科研、军事等少数几个领域。2．晶体管时代1956年诞生了世界上第一台晶体管电脑Lepreachaun，它是由美国贝尔实验室研制而成的，以晶体管代替电子管作为基本电子元件，该时期便称为电脑的“晶体管时代”。这时电脑的体积、重量、功耗都大大地减少了，计算速度达到了300万次每秒。3．集成电路时代1962年，由美国得克萨斯公司与美国空军共同研制出了第一台采用中小规模集成电路的电脑。当时的电脑大都以集成电路为最基本电子元件，其体积、功耗都进一步减少，可靠性进一步提高，运算速度达到了4000万次每秒，这个时期便被称为“集成电路时代”。由于电脑采用了中小规模集成电路，因而集成度较高、功能增强，价格却更便宜，使电脑的应用范围变得更为广阔。4．超大规模集成电路时代随着科学技术突飞猛进的发展，20世纪70年代后，各种先进的生产技术广泛应用于电脑制造，这使得电子元器件的集成度进一步加大，出现了大规模和超大规模集成电路。电脑以大规模和超大规模集成电路作为基本电子元件后，使得体积更加小型化，功耗更低，价格更便宜，这为电脑的普及铺平了道路。这时微型机应运而生，为电脑的普及以及网络化创造了条件。1.1.3电脑的未来展望戈登·摩尔是Intel公司创始人之一，1965年，他预言了电脑集成技术的发展规律，那3第1章电脑的组成原理与基本结构¤︻电脑基础·实例·上机系列教程︼就是每18个月在同样面积的芯片中集成的晶体管数将翻一番，而成本将下降一半。几十年来，电脑芯片的集成度严格按照摩尔定律进行发展，不过它已经走到了尽头。由于电脑采用的是电流作为数据传输的信号，而电流主要靠电子的迁移而产生，电子最基本的通路是原子，一个原子的直径大约等于1nm，目前芯片的制造工艺已经达到了90nm甚至更小，也就是说一条传输电流的导线的直径即为90个原子并排的长度。照这样发展下去，最终一条导线的直径可以达到一个原子的直径长度，但是这样的电路是极不稳定的，因为电流极易造成原子迁移，那么电路也就断路了。由于晶体管电脑存在上述的物理极限，因而人类在较早的时候就开始了各种非晶体管电脑的研究，如“梦幻式”的超导电脑、生物电脑、光学电脑等，其中研究成果最为显著的是光学电脑。2003年10月底，以色列Lenslet公司研发的Enlight——全球首枚嵌入光核心的商用向量光学数字处理器问世，它的运算速度达到了80000亿次每秒，是普通数字信号处理器的1000倍。这些电脑被称为第五代电脑，其速度将达到10000亿次每秒，能在更大程度上仿真人的智能，并在某些方面超过人的智能。目前，电脑还在向以下4个方面发展。巨型化在天文、天气预报、军事、生物仿真等领域，需进行大量的数据处理和运算，这需要性能强劲的电脑才能完成，普通的电脑可能算上十天半个月都得不到结果。为满足这些特殊应用领域的需求，这就需要研制功能更强的巨型电脑。微型化现在，在办公和家庭中大量使用的就是一种微型电脑。有些专用微型电脑还用于各种仪器和家用电器中，为了方便人们外出旅行，出现了体积更小、更轻便、易于携带的微型电脑，如笔记本电脑、掌上电脑（PDA）等。网络化随着电脑的普及，电脑网络也逐步深入到人们工作生活的各个部分。通过电脑网络可以连接地球上分散的电脑，然后共享各种分散的电脑资源。现在电脑网络也是人们工作生活中不可或缺的事物，电脑网络化可以让人们足不出户就能获得大量的信息以及与世界各地的亲友进行通信、网上贸易等。智能化以前，电脑只能按照人的意愿和指令去处理数据，而智能化的电脑能够代替人的脑力劳动，具有类似人的智能，如能听懂人类的语言，能看懂各种图形，可以自己学习等，即电脑可以进行知识的处理，已能代替人的部分工作。1.2电脑的组成原理一台电脑系统主要由硬件和软件两大部分组成，硬件是指组成电脑的物理实体，如CPU、主板、内存等；软件是指运行于硬件之上具有一定功能，并能够对硬件进行操作、管理及控制的电脑程序，它依附于硬件。4¤电脑组装与维护教程︻电脑基础·实例·上机系列教程︼1.2.1硬件系统微型电脑和大型电脑都是以“电子计算机之父”冯·诺依曼所设计的体系结构为基础的，冯·诺依曼体系结构就像一本书的目录一样，使得电脑的发展变化从未越出其规定和约束。冯·诺依曼体系结构规定电脑主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等几部分组成，如图1-1所示。存储器运算器控制器输出设备输入设备读取数据写入数据输出数据输入数据图1-1电脑的组成1．运算器和控制器运算器，顾名思义即进行计算的机器，它被集成在CPU中，用来进行数据处理，即完成数据的算术运算和逻辑运算。控制器是指进行控制的机器，它也被集成在CPU中，用来对电脑的运算器等部件进行控制，控制器可以发出各种指令，以控制整个电脑的运行，指挥和协调电脑各部件的工作。运算器和控制器合称为中央处理单元，英文名为CentralProcessingUnit，简称CPU。CPU是整个电脑的中枢，通过各部分的协同工作，实现数据的分析、判断和计算等处理，以完成程序所指定的任务。2．存储器存储器是电脑存放数据的仓库，存储器分为内存储器和外存储器。内存储器又叫内存或主存，其容量较小，但速度快，用于存放临时数据；外存储器是辅助存储器，简称外存，其容量较大，但速度较慢，用于存放电脑暂时不用的数据和程序。内存和外存的关系就像大米口袋和粮仓的关系，大米口袋用于存放要吃的大米，粮仓则存放暂时不吃的粮食。3．输入设备输入设备是指将数据输入到电脑中的设备，在早期，输入设备是一台读孔的机器，它只能输入“0”和“1”两种数字。随着高级语言的出现，人们逐渐发明了键盘、鼠标、扫描仪和手写板等人性化的输入设备，从而使电脑不再只是科学家能够操作的工具，一般人也可以轻松驾驭。4．输出设备在电脑中，输出设备负责将电脑处理数据时的中间过程和结果告知人们，让人们以此来判断计算的正确性。最初电脑的输出结果是一长串由0和1组成的机器数，人们很难对其进行判断，后来为了方便，便在电脑中加入各种转换设备，将机器数转换成人们能够轻5第1章电脑的组成原理与基本结构¤︻电脑基础·实例·上机系列教程︼松识别的数字、字符、表格、图形等。最常见的输出设备有显示器、打印机和绘图仪等，现在显示器已成为每台电脑的必配输出设备。1.2.2软件系统软件系统运行在电脑硬件系统上，其作用是运行、管理和维护电脑系统，并充分发挥电脑性能。电脑软件都是由电脑语言编制而成的程序，由于软件的功能各有不同，因此可将其分为系统软件、程序设计语言和应用软件3大类。系统软件：主要作用是对电脑的软硬件资源进行管理，并为用户提供各种服务。系统软件比较复杂，由一个或多个团体开发而成，包括操作系统、监控管理软件和编译程序等，如Windows等。程序设计语言：作用是将用户语言翻译成电脑能够识别的机器语言，用户能对电脑进行控制，程序设计语言有机器语言、汇编语言和高级语言等。应用软件：指一些具有特定功能的软件，这些软件能够帮助用户完成特定的任务，如图形处理软件、数据库设计软件等。1.3电脑的基本结构从外观上看，电脑由主机、显示器、鼠标、键盘和音箱等设备组成，如图1-2所示。图1-2电脑的基本组成为了更好地了解电脑，这里将电脑细分为主机中的CPU（中央处理器）、主板、内存条、硬盘、软驱、光驱、显卡、声卡、机箱，以及显示器、键盘、鼠标、音箱、打印机、扫描仪、传真机和游戏手柄等。1.3.1中央处理器（CPU）CPU是电脑的大脑，如图1-3所示。日常所说的奔腾、奔腾II、奔腾III、奔腾4、赛扬、速龙、毒龙、雷鸟等都是CPU的型号，而“奔腾IV2.8GHz”则是指该CPU的主频，6¤电脑组装与维护教程︻电脑基础·实例·上机系列教程︼即运算速度，它是CPU较关键的一项性能指标。1.3.2主板主板在电脑中起着举足轻重的作用，是电脑最重要的部件之一，主机里面几乎所有的设备都会和主板有关联，如图1-4所示。从外观上看，一块方形的电路板上布满了各种电子元器件、插槽和各种外部接口，其中有北桥芯片、CPU插槽、显卡插槽、鼠标和键盘接口、电源插座等。图1-3CPU图1-4主板1.3.3内存内存是冯·诺依曼体系电脑中的关键部件，如图1-5所示，电脑没有内存将无法运行。内存是电脑中各部件与CPU进行数据交换的中转站，用于存储CPU当前处理的信息，能直接和CPU交换数据。内存由半导体大规模集成电路制成，特点是存取速度快，但是容量较小，断电后不能保存数据。图1-5内存1.3.4硬盘硬盘是电脑中较重要的存储设备，在其中存放着电脑正常运行需要的操作系统和数据，如图1-6所示，它具有速度快、容量大、可靠性高等特点。7第1章电脑的组成原理与基本结构¤︻电脑基础·实例·上机系列教程︼1.3.5光驱光驱是电脑中最普遍的外部存储设备，如图1-7所示。由于各种操作系统和软件都是二进制数据，为了方便这些数据的存放和传播，便将其刻在光盘上，为了电脑能够直接读取这些数据，就在电脑中增加了光驱这一外设。在早期的时候，这类数据的存放和