1.2　微型计算机系统的组成及其工作原理

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1-2所示。硬件系统是指由中央处理器、存储器、输入设备和输出设备等组成的实际物理装置，是计算机工作的物质基础。软件系统是运行在计算机硬件上的程序、运行程序所需的数据和相关文档的总称。计算机的硬件和软件相辅相成，分工互动，缺一不可。硬件是计算机的物质基础，没有硬件就没有所谓的计算机；软件是计算机的灵魂，只有依赖硬件软件才能发挥作用，没有软件的计算机称作“裸机”。

图1-2　计算机系统的组成

1.2.1　计算机的硬件系统

计算机的硬件系统一般是指构成计算机的物理实体，通常由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。在计算机系统中，各部件通过地址总线、数据总线、控制总线联系到一起，并在中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的统一管理下协调一致地工作。各种原始数据、程序由输入设备输入内存储器存储；在控制器的控制下逐条从存储器中取出程序中的指令，并依指定地址取出所需数据，送到运算器进行运算，运算结果存入内存储器，重复此过程，直到执行完所有指令，最终结果通过输出设备输出。在整个过程中，程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。微型计算机的运算过程及基本硬件结构如图1-3所示。

图1-3　计算机硬件系统各部分联系示意图

1．主机

通常把主板、CPU、内存和输入/输出设备接口等组件构成的子系统称为主机，即主机中包含了输入/输出设备以外的所有电路部件，是一个能够独立工作的系统。主机箱一般由特殊的金属材料和塑料面板制成，具有防尘、防静电、防干扰等作用，是微机最重要的组成部分。主机箱内主要有主板、CPU、内存条、硬盘、光驱以及电源等设备。主机箱的外观与内部结构分别如图1-4和图1-5所示。

图1-4　主机箱外观

图1-5　主机箱内部结构

（1）主板。主板（Main Board）又称为主机板、母板或系统板，是一块较大的集成电路板，由集成电路芯片、电子元器件、各种总线插座和接口组成，不同主板的结构布局会略有差异。主板与CPU关系密切，每一次CPU的重大升级，都必然导致主板的换代。

整台微机性能是否能够充分发挥，微机硬件功能是否足够，以及微机硬件兼容性如何等，都取决于主板。主板制造质量的高低，也决定了硬件系统的稳定性。微机硬件系统的其他部件全部都直接或间接地通过主板相连。在主板上安装有控制芯片组、BIOS芯片和各种输入/输出接口、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽等元件。CPU、内存条插接在主板的相应插槽中，驱动器、电源等硬件连接在主板上。主板上的接口扩充插槽用于插接各种接口卡，这些接口卡扩展了微机的功能。常见的接口卡有显示卡、声卡、网卡等。现在已经把许多设备的接口卡集成在主板上了，如音频接口卡（声卡）、显示接口卡（显卡）、网络接口卡（简称网卡）、内置调制解调器（Modem）等，使用这样的主板就没有必要再另配单独的接口卡了。但是，这种集成式的主板也存在诸如部分集成卡性能不高、容易损坏、不易升级等弊端。主板的外观如图1-6所示。

图1-6　主板结构

（2）CPU。CPU通常也称为微处理器，安装在主板上的专用插槽内，是整个计算机系统的运算核心和控制核心，能够执行各种指令，是对数据进行处理的部件。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成，其外观如图1-7所示。

①运算器。运算器是计算机对数据进行加工处理的核心部件。其主要功能是对二进制编码进行算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等），所以也称为算术逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。参加运算的数（称为操作数）由控制器控制，从存储器内取到运算器中。

图1-7　CPU的外观

②控制器。控制器是整个计算机系统的控制指挥中心。主要负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，再根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。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内部总线。内部总线是连接处理器内部结构的信息传输线路。其宽度可以是8位、16位、32位或64位。目前比较流行的内部总线技术有：I2C总线、SPI总线、SCI总线。

目前市面上的CPU元件集成度非常高，功率大，因此在工作时会产生大量的热。为保证它正常工作，必须配置高性能的专用风扇降温。计算机工作时应该有较好的通风条件，否则当散热不好时，CPU就会停止工作或者烧毁，出现“死机”现象。

（3）内存储器。内存储器是直接与CPU联系的存储设备，是微型计算机工作的基础。内存储器虽然容量不大，一般只有几GB，但转速非常快。CPU工作需要的指令和数据事先都存放在内存储器中，根据需要不断地从中取用。从使用功能上，内存储器分为只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和高速缓冲存储器（Cache）3类。

①只读存储器。只读存储器（Read Only Memory，ROM），即只能读出数据，而不能写入数据的存储器。ROM中的数据是由设计者和制造商事先编制好固化在计算机内的一些程序，用户不能随意更改。ROM中存储的程序主要用于检查计算机系统的配置情况，并提供最基本的输入/输出控制程序，如存储BIOS参数的CMOS芯片。只读存储器最大的特点是存储的程序和数据不会因断电而丢失，会永久保存。

②随机存储器。随机存储器（Random Access Memory，RAM）是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内，根据需要可以从随机存储器中读出数据，也可以将数据写入随机存储器。通常所说的1GB内存指的就是RAM的容量。RAM有两大特点：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时，存储器中的内容才能更新；二是存储器中的信息会随着计算机的断电而消失。所以说RAM是计算机处理数据的临时存储区，如果希望长期保存数据，则必须将数据保存到外存储器中。为此，用户在操作计算机的过程中一定要养成随时存盘的良好习惯，以免断电时丢失数据。

随机存储器可分为静态随机存取存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存取存储器（Dynamic RAM，DRAM）两大类。DRAM的特点是集成度高，主要用于大容量内存储器；SRAM的特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。现在微机的内存储器都采用DRAM芯片构成的内存条，它可以直接插到主板的内存插槽上。微机中动态存储器主要有：同步动态随机存储器（Sychronous Dynamic RAM，SDRAM）、双倍速率同步动态随机存储器（Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM）。其中DDR SDRAM（简称DDR）占据了内存条的主流市场，而SDRAM因处理器前端总线的不断提高已无法满足新型处理器的需要。SDRAM内存条和DDR内存条的外观分别如图1-8和图1-9所示。

图1-8　SDRAM内存条外观

图1-9　DDR内存条外观

③高速缓冲存储器。高速缓冲存储器（Cache）是在CPU与内存之间设置一级缓存L1或二级缓存L2的高速小容量存储器，集成在主板上。计算机工作时，系统先将数据通过外部设备读入RAM中，再由RAM读入Cache中，CPU则直接从Cache中取数据进行操作。由于CPU处理数据的速度比RAM快，为解决两者间数据处理速度不匹配问题而专门设置了高速缓冲存储器。

（4）驱动器。微型计算机的外存储介质常用的有软磁盘、硬磁盘、光盘、移动硬盘及U盘等。其中软磁盘、硬磁盘、光盘上数据信息的读/写必须通过磁盘驱动器或光盘驱动器才能实现。

磁盘驱动器（Disc Drive）是以磁盘作为记录信息媒体的存储设备，其读取、写入和存储信息是在软盘或硬盘的存储媒体上。磁盘驱动器由磁头、磁盘、读写电路及机械装置等组成。磁盘驱动器既是输入设备又是输出设备，有软盘驱动器和硬盘驱动器两种。其中，硬盘驱动器是封装在硬盘中的一个组件，硬盘驱动器是微机的主要部件之一。

光盘驱动器简称光驱，英文名为CD-ROM，是读取光盘信息的设备。与磁盘驱动器不同，它没有读/写磁头，只是把激光光束凝聚成一个光点，进行阅读操作，甚至写操作。光盘存储设备的容量是磁性介质的十几倍以上，甚至还可以增加密度，进一步增加存储容量。光驱的结构主要包括：激光头、旋转转盘、控制器和一组信号操作系统。光驱的接口一般分为IDE、EIDE、SCSI和并行口4种，其中IDE已经被淘汰，EIDE是中低档驱动器采用的标准，SCSI是高档驱动器的接口，而外置式CD-ROM一般通过并行口与主机相连。光驱的外观如图1-10所示。

随着多媒体计算机的兴起，光驱的需求越来越大，品种也越来越多，一般主要有以下几种类型。

①CD盘只读型光驱（Compact Disk Read Only Memory，CD-ROM）只能读取光盘上的数据。CD-ROM光驱最重要的性能指标之一是光驱的“倍速”，该指标是指光驱传输数据的速度。“单倍速”是指每秒从光驱读取150MB数据，目前光驱已经达到52倍速。

②数字视频光驱（DVD-ROM）。用于读取DVD光盘上的数据，并且它可以兼容读取CD光盘上的数据。

③CD-R刻录机。不仅能读光盘，而且可以刻写光盘，但是刻盘后盘中数据不可更改，光盘也是一次性的。

④CD-RW刻录机。不仅能读光盘和刻写光盘，而且可在同一张可擦写的光盘上进行多次数据擦写操作。

⑤DVD刻录机。包括DVD-R刻录机和DVD-RW刻录机两种，既可以读取DVD/CD碟片，也可以刻写DVD碟片。

（5）各种接口。主机箱后面提供的一组标准接口，用于连接各种标准设备，如图1-11所示。

图1-10　光驱的外观

图1-11　各种I/O接口

①键盘、鼠标接口。键盘、鼠标接口是专用接口，二者形状完全相同，但连接时绝对不能混淆。通常用紫色表示键盘接口，用绿色表示鼠标接口。目前，键盘和鼠标的接口多为USB接口。

②并行口。并行口通常用于连接打印机等设备，具有较高的数据传输速率。“并行”是指8位数据同时通过并行线进行传输，这样数据传输速率大大提高；但并行传输的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。常用的并行口有LPT1口、PRN口，有些计算机还配有多个并行口。

③串行口。外置调制解调器通常连接在串行口中，它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送的。这样，其传输速率相对于并行口来说要低一些，但传送距离较并行口长，因此长距离的通信应使用串行口。

④USB接口。USB口是由Microsoft、Intel、IBM等大公司共同推出的一种新型接口，具有速度快、即插即用等特点。现在符合USB口的设备越来越多，如喷墨打印机、扫描仪、键盘、鼠标、数码相机、移动硬盘、手机充电器等。

⑤音频接口。音频接口是集成了音频适配器（声卡）的主板所提供的接口。这种声卡通常为AC’97，提供3个接口，分别用于音频输出、音频输入和麦克风输入。

⑥硬盘接口。硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响程序运行速度和系统性能。硬盘接口大体分为IDE、SCSI、SATA和光纤通道4种。IDE接口的硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器；SCSI接口的硬盘主要应用于服务器市场，而光纤通道只应用于高端服务器，价格昂贵；SATA是一种新生的硬盘接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。

⑦电源。电源是为计算机中的所有部件提供电能的装置。质量差的电源不仅不能保证整个计算机系统的稳定性，而且还会影响其他部件的使用寿命，因此千万不可忽视电源的质量。电源的外观如图1-12所示。

⑧风扇。风扇用于解决主机箱的散热问题，以免因温度过高而烧坏CPU。风扇的外观如图1-13所示。

图1-12　电源外观

图1-13　风扇外观

2．输入设备

外部信息与计算机的接口称为输入设备。输入设备用于将程序和数据输入到计算机的内存。常用的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪、触摸屏、数码相机和数码摄像机等。

（1）键盘。键盘是实现人机对话最基本的输入设备，也是计算机与外界交换信息的主要途径。比较知名的键盘品牌有微软、罗技等。

按照键盘键数区分，常用的键盘有101键键盘和104键键盘。

按照键盘内部结构区分，通常有机械式键盘和电容式键盘两种。

①机械式键盘。按键全为触点式，每个按键就像一个按钮式的开关，按下去后，金属片会和触点接触而连通电路。其优点是较易维修，缺点是击键响声大、手感差、磨损快、故障率较高。

②电容式键盘。是指利用电容器电极间的距离变化来产生电容的电量变化，实现非接触的电流变化对应不同的按键，是目前广泛使用的一种键盘。其优点是按键开关采用封闭式包装，击键声音小、手感较好、使用寿命长，工作过程中不会出现接触不良等问题，灵敏度高、稳定性强；缺点是维修较不易。

按照功能不同，可将键盘分为功能键区、主键盘区、编辑控制键区和副键盘区4个区域，另外键盘的右上角还有3个指示灯，如图1-14所示。

图1-14　键盘外观

功能键区是位于键盘上部的一排按键。从左到右分别是：Esc键，一般起退出或取消操作的作用。F1~F12共12个功能键，一般用作快捷键。Print Screen键，在DOS环境下，其功能是打印整个屏幕信息，在Windows环境下，其功能是把屏幕的显示作为图形存到内存中，以供处理。Scroll Lock键，在某些环境下可以锁定滚动条，在右边有一个Scroll Lock指示灯，亮着表示锁定。Pause/Break键，用于暂停程序或命令的执行。

主键盘区主要由字母键、数字键、符号键和制表键等键组成，其按键数目及排列顺序与标准英文打字机基本一致，通过主键盘区可以输入各种命令，但一般和编辑控制键区一起用于文字的录入和编辑。

编辑控制键区主要用于控制光标的移动。

副键盘区又称小键盘区或数字键区，是为提高数字输入的速度而增设的，由打字键区和编辑控制键区中最常用的一些键组合而成，一般被编制成适合右手单独操作的布局。Num Lock键是数字输入和编辑控制状态之间的切换键，Num Lock键指示灯亮时，表示副键盘区正处于数字输入状态；反之则处于编辑控制状态。

计算机键盘中几种键位的功能说明如表1-2所示。

表1-2　计算机键盘中几种键位的功能说明

（2）鼠标。鼠标是图形界面操作系统中不可缺少的输入设备，可以代替键盘的大部分功能。鼠标对应于显示器屏幕上的一个特定标识——指针，当在桌面上移动鼠标时，屏幕上的指针也会跟着移动，这个标识在屏幕不同区域会有不同的形状，用户可通过定位、移动、单击、双击、拖曳等操作控制计算机完成相应的工作。

鼠标的工作原理是将鼠标移动方向、位移和键位信号编码后输入计算机，以确定屏幕上光标的位置，实现对计算机的操作。

按工作原理不同，鼠标分为光电鼠标和机械式鼠标两大类。光电鼠标具有定位准确、不易脏、寿命长等优点，适用于图形环境，但是价位较高。鼠标还有单键、双键和三键之分。目前市场上又出现了一些比较新颖的鼠标，如无线鼠标、3D鼠标等。各种鼠标的外观如图1-15所示。

图1-15　各种鼠标的外观

（3）扫描仪。扫描仪（Scanner）是利用光电技术和数字处理技术，以扫描方式将图形或图像信息转换为数字信号的装置。通常被用于计算机外部仪器设备，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。照片、文本页面、图纸、美术图画、照相底片，甚至纺织品、标牌面板、印刷板样品等三维对象都可以作为扫描对象。扫描仪主要有：平板式扫描仪、滚筒式扫描仪、馈纸式扫描仪、底片扫描仪、3D扫描仪、扫描笔（笔式扫描仪）等。各种扫描仪的外观如图1-16所示。

图1-16　各种扫描仪的外观

（4）其他输入设备。包括手写笔、摄像头、麦克风、录音笔及数码相机等各种输入设备的外观如图1-17所示。

图1-17　各种输入设备的外观

手写笔。手写笔通过各种方法将笔或者手指走过的轨迹记录下来，然后识别为文字。对于不喜欢使用键盘或者不习惯使用中文输入法的人来说这是非常有用的，因为它不需要学习输入法。同时手写笔还具有鼠标的作用，可以代替鼠标操作Windows，并可以用于精确制图，如可用于电路设计、CAD设计、图形设计、自由绘画，以及文本和数据的输入等。

摄像头。摄像头可以作为数码摄像机的另一种形式，使用时直接与计算机连接，将摄像结果即时保存到计算机中。利用摄像头可以和相隔万里的朋友达到面对面交流的效果、组建可视电话网络等。

麦克风和音箱。麦克风的作用是采集声音信息，送入声卡；音箱则是发声设备，根据从声卡送来的声音电信号，发出相应的声音。

录音笔。录音笔是一种声音录入设备，它可以采集声音并存储成声音文件，其作用类似于数码照相机，只是采集对象不同。

数码相机。数码相机是集光学、机械、电子于一体的产品，它集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有即时拍摄、图片数字化存储、简便浏览、与计算机交互处理等特点。数码相机的核心是成像感光器件，当感光器表面受到光线照射时，把光线转换成电荷，通过模/数转换芯片转换成数字信号，所有感光器产生的信号加在一起，就构成一幅完整的画面，数字信号经过压缩后由相机内部的闪存和内置硬盘卡保存。

除以上提到的常用输入设备外，也可以把话筒、游戏手柄、游戏摇杆等设备当作计算机的输入设备。

3．输出设备

利用输出设备可将计算机处理后的结果信息转换成外界能够识别和使用的数字、字符、声音、图形、图像等信息形式。常用的输出设备有显示器、打印机、音响设备等。当然，有些设备既可以作为输入设备，又可以作为输出设备，如软盘驱动器、硬盘、磁带机等。

（1）显示器。计算机的显示系统由显示器与显示控制适配器两部分组成。显示器（Display）是微机中重要的输出设备，其作用是将电信号转换成可以直接观看的字符、图形或图像。用户通过它可以很方便地查看送入计算机的程序、数据、图形等信息，以及经过计算机处理后的中间结果和最后结果。显示控制适配器又称为显示接口卡（简称显卡，或叫图形加速卡），插在主板的扩展槽上，是主机与显示器之间的接口，其基本作用是控制计算机的图形输出。目前计算机显卡均集成在主板上。

显示器按其显示内容可分为图形显示器、图像显示器和文字显示器；按显示的颜色可分为单色显示器和彩色显示器（分辨率高）；按显示设备所用的显示器件可分为阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）和发光二级管显示器（LED）等类型；按其扫描方式可分为光栅扫描显示器和随机扫描显示器；按分辨率可分为高分辨率显示器、低分辨率显示器和中分辨率显示器；根据显示器对角线大小的尺寸分为17英寸显示器、19英寸显示器等，尺寸越大，显示的有效面积就越大。有专家认为，对于一般的计算机，17英寸显示器最符合人眼视力的特点。显示器的著名制造商有LG、飞利浦等。

随着人们对环保和健康的要求越来越高，近年来，液晶显示器凭借节能和辐射少等优势成为了首选。各类显示器的外观如图1-18所示。

图1-18　各种类型显示器的外观

特别值得一提的是：显示器必须配置相匹配的适配器才能取得良好的显示效果。

（2）打印机。要把显示的内容输出到纸张上，就必须使用打印机。通过打印机可以把计算机处理的信息，包括文本、图像等输出到纸张或其他介质上，以便保存和传播。打印机也是计算机的重要输出设备。常见的打印机品牌有EPSON、Canon、HP和联想等。

打印机作为重要的计算机输出设备，种类繁多，根据不同的分类标准，打印机的分类如下。

①根据工作原理，可分为针式打印机、喷墨打印机、激光打印机3种，如图1-19所示。

图1-19　各种类型打印机的外观

·针式打印机是较早的一类打印机，其工作原理是用一排针头把色带上的颜色按点阵图模式击打在纸上形成文字或图案。其优点是耗材便宜，可使用连续纸张；缺点是噪声大、速度不够快。针式打印机按打印头上针的多少可分为9针式和24针式等类型。

·喷墨打印机的工作原理类似于针式打印机，只是把针式打印机的打印头换成了喷墨头，色带换成了墨盒装在喷墨头后，按点阵图模式在纸张上喷出图案墨点，然后烘干就可以了。喷墨打印机价格低廉，但是速度慢、耗材贵，适合于打印量不多的家庭使用。喷墨打印机基本都属于单页式打印机。

·激光打印机采用静电原理将墨粉烫印在纸张上，因此对纸的质量要求比较高。它的优点是速度快，打印效果好；缺点是价格太高，特别是彩色激光打印机。

②根据色彩，有彩色和单色之分。常见的针式打印机和激光打印机基本上都是单色（黑色）打印机，在办公室中普及率高。在家庭中使用较多的是彩色喷墨打印机。

③根据打印纸张宽度和纸张大小，针式打印机有宽行和窄行之分。若使用专用纸，针式打印机可连续打印达几十米长的文字图案。根据打印纸张的大小，常见的是A4幅面打印机，此外还有A3幅面和专业单位使用的A1、A2，以及更大幅面的打印机。

（3）音箱。音箱是将音频信号变换为声音的一种设备。最为传统的音箱使用两个外形完全相同的立方体箱体，其中一个内置功放电路，称为主箱，另一个称为副箱，两个箱体使用分频设计（即一个高音扬声器和一个中低音扬声器），由主箱对音频信号进行放大处理后放出声音。音箱的外观如图1-20所示。

4．外存储器

图1-20　音箱的外观

计算机的存储器由存储器和外存储器两部分组成。内存储器最突出的特点是存取速度快，存储容量小；外存储器的特点是存取速度慢，存储容量大。内存储器用于存放当前要用的程序和数据；外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。需要指出的是，外存储器只能与内存储器交换信息，不能被计算机系统的其他任何部件直接访问。外存储器也称为辅助存储器，用于长期存放数据信息和程序信息。外存储器分为磁介质型存储器和光介质型存储器两种，磁介质型存储器常指硬盘；光介质型存储器则指光盘。

（1）硬盘。硬盘是计算机中利用磁记录技术在涂有磁记录介质的旋转圆盘上进行数据存储的辅助存储器。操作系统、各种应用软件和大量数据都存储在硬盘上。硬盘是磁存储器，不会因为关机或停电丢失数据。它具有容量大、数据存取速度快、存储数据可长期保存等特点，是各种计算机安装程序、保存数据最重要的存储设备。

①硬盘的信息存储结构。硬盘驱动器和硬盘是作为一个整体密封在防尘盘盒内的，不能将硬盘从硬盘驱动器中取出，硬盘外观如图1-21所示。硬盘是由若干张质地较硬的涂有磁性材料的金属圆形盘片叠加而成，单一硬盘盘片是表面涂有磁性材料的无磁性的合金或塑料材料，呈圆盘状，像一个表面极为光亮的金属盘。磁盘上有上千个磁道，呈同心圆排列。磁道由外至内编号为0号磁道、l号磁道、2号磁道……每个磁道构成一个密闭圆环，并被平均分为若干扇区。一个扇区存储数据为512字节。扇区也有编号，称为1扇区、2扇区……

硬盘上的若干扇区构成簇，簇包含的扇区数视硬盘大小而定。硬盘容量大，则扇区数大；反之就小。簇是一个重要的概念，是信息物理存储的单位。在对硬盘进行写操作时，上一个簇写满了，才能写下一个簇。所有磁道编号相同的扇区构成一个扇形，起始部分和结束部分都处于盘片的同一条半径上。硬盘中的多个磁盘片像一摞光盘一样放置，上下盘片编号相同的磁道和扇区必须重合，都串在主轴上，形成一个圆柱体，如图1-22所示。每个盘片的上下表面都能存储信息，每面都有自己的磁头，读写硬盘时，磁头在磁盘上来回移动，通过改变磁盘的磁性来进行数据的读取与写入，如图1-23所示。磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面，所有的磁头同步运动，某一时刻都处于对应盘片编号相同的磁道和编号相同的扇区。硬盘是按柱面号、磁头号和扇区存取信息的，数据在硬盘上的位置通过柱面号、磁头号和扇区号3个参数来确定。

图1-21　硬盘外观

图1-22　多个磁盘片

图1-23　硬盘驱动器与硬盘存储器内部结构

根据盘片的以上排列规律，可以按下列公式计算硬盘的总容量。

容量=磁头数（盘片数×2）×磁道数×扇区数×每扇区字节数（512B）

②硬盘的性能指标。

·硬盘容量。硬盘容量是指在一块硬盘中可以容纳数据的容量。硬盘作为计算机最主要的外部存储器，其容量是第一性能指标。硬盘容量通常以GB为单位。硬盘的容量发展很迅速，已经从过去的几百MB，发展到现在的几百GB。目前主流硬盘容量有120GB、160GB和500GB等。

·硬盘转速。硬盘转速是指硬盘的电动机旋转的速度，它的单位是r/min（revolutions per minute），即每分钟多少转。硬盘转速是决定硬盘内部传输率的因素之一，它决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。目前，硬盘的转速主要有7 200r/min和10 000r/min两种。转速越快，硬盘的性能越好，较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间。

·高速缓存。硬盘数据传输率可以分为内部数据传输率和外部数据传输率，通常所说的数据传输率是指外部数据传输率，数据传输率越高，硬盘性能越好。由于硬盘内部传输速度与硬盘外部传输速率目前还不能一致，必须通过缓存来缓冲，因此，高速缓存是计算机缓解数据交换速度差异，使之同步的必备设备，高速缓存的大小对硬盘速度有较大影响。目前主流硬盘的高速缓存主要有2MB和8MB等，其类型一般是EDODRAM或SDRAM，以SDRAM为主。硬盘高速缓存的工作方式是：读盘时，系统检查数据是否在高速缓存中，如果存在，则直接读取数据；写盘时，系统首先将数据写入高速缓存，直到磁盘空闲时，才把高速缓存中的数据写入磁盘。

·平均寻道时间。平均寻道时间是指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到移动至数据所在的磁道所花费时间的平均值，它一定程度上体现硬盘读取数据的能力，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数，单位为毫秒（ms）。不同品牌、不同型号的产品，其平均寻道时间也不一样，但平均寻道时间越低，产品越好，主流硬盘产品的平均寻道时间都在9ms左右。

·硬盘驱动器接口。硬盘驱动器接口是指连接硬盘驱动器和计算机的专用部件，它对计算机的性能，以及扩充系统时，计算机连接其他设备的能力有很大影响。不同类型的接口往往制约着硬盘的容量，更影响硬盘速度的发挥。按接口不同，硬盘主要有IDE接口、SCSI接口和SATA接口。

③硬盘的分区与格式化。硬盘在使用前需进行低级格式化，这一般由制造商完成。只有当硬盘出现严重问题或被病毒感染时，才需要对硬盘重新进行低级格式化。进行低级格式化必须使用专门的软件。

刚买的新硬盘是无法立即使用的，必须对硬盘进行逻辑分区和格式化后才可以使用。因为硬盘的容量太大，存放的数据日积月累会非常多，此时找某个文件必然会花费很多时间。解决办法就是对硬盘进行分区，即把一块物理硬盘按柱面划分成若干分区（区域），每个分区就可以当作一块独立的硬盘来用，用户可以把不同类型的数据存放在不同的分区内。当一个硬盘被划分成若干分区后，第一个分区称为主分区，余下部分称为扩展分区，扩展分区再次划分后，形成若干逻辑分区。主分区和每个逻辑硬盘都有各自对应的一个盘符，硬盘的盘符总是从C：开始，按顺序分配。有时，一台计算机也可以配备多个物理硬盘，每个硬盘划分分区的方法都相同，使用时Windows会自动给它们分配盘符。

（2）光盘。光盘是注塑成形的碳粉化合物圆盘，其上涂了一层铅质的薄膜，最外面又涂了一层透明的聚氯乙烯塑料保护层。光盘是以激光束记录数据和读取数据的数据存储媒体，是一种新型的大容量辅助存储器，需要有光盘驱动器配合使用。与软盘和硬盘一样，光盘也能以二进制数据（由“0”和“1”组成的数据模式）的形式存储文件。要在光盘上存储数据，必须先借助计算机将数据转换成二进制，然后用激光按数据模式灼刻在扁平的、具有反射能力的盘片上。激光在盘片上刻出的小坑代表“1”，空白处代表“0”。

①光盘的种类。光盘的种类很多，但其外观尺寸是一致的。一般光盘尺寸统一为直径12cm，厚度1mm。按读/写方式，光盘存储器大致可分为以下4种类型。

只读光盘（CD read-only memory，CD-ROM）。是一次成型的产品，用户只能读取光盘上已经记录的各种信息，但不能修改或写入新的信息。只读式光盘由专业化工厂规模生产，首先要制作好金属原模，也称为母盘，然后根据母盘在塑料基片上制成复制盘。因此，只读式光盘特别适合大批量地制作同一种信息，非常廉价。这种光盘的数据存储量为650~700MB。此外还有一些小直径的光盘，它们的容量在128MB左右。

一次性可写入光盘（CD-recordable，CD-R）。它需要专用的刻录机将信息写入，刻录好的光盘不允许再次更改。这种光盘的数据存储量一般为650MB。CD-R的结构与CD-ROM相似，不同的是CD-ROM的反射层为铝膜，故称为“银盘”；而CD-R为金膜，故称为“金盘”。

可擦写的光盘（CD-reWritable，CD-RW）。与CD光盘的本质区别是可以重复读/写，即对于储存在光盘上的信息，可以根据操作者的需要自由更改、读取、复制和删除。

数字视频光盘（Digital Video Disc，DVD）。主要用于记录数字影像。它集计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体。一张单面DVD-ROM光盘的容量为4.7GB，相当于7张CD盘片（650MB）的总容量。DVD碟片的大小与CD-ROM相同，由两个厚0.6mm的基层粘成，最大的特点在于可以单面存储，也可以双面存储，而且每一面还可以存储两层资料。DVD的碟片分为4种：单面单层（DVD-5），容量为4.7GB；单面双层（DVD-10），容量为9.4GB；双面单层（DVD-9），容量为8.5GB；双面双层（DVD-18），容量为17GB。

②光盘的特点。

·高容量。存入的信息可以是程序、操作的数据、图形和声音信息。

·标准化。光盘广泛应用的原因之一是产品的标准化，可在任一光盘驱动器中操作。

·持久性。一般来说，光盘的寿命长达数十年，甚至一百年。这是因为光盘在光驱中操作时是以非接触方式进行的，无磨损问题，也不会感染病毒。

·经济实用。目前，光盘驱动器与光盘价格迅速降低，光盘信息所覆盖的领域不断扩大，各种光盘出版物的种类及发行量大增。

此外，光盘还具有读取速度快、数据可靠性高、便于保存和携带、对保存环境要求不高等特点，是最适合保存多媒体数据的载体。

③光盘的保养。光盘必须放在专用的容器内保存，而不能把它们堆放或叠放在一起。当需要把光盘放入光盘驱动器中进行阅读时，要用手指托住光盘的里、外边缘以避免指印，并且使标记面朝上，然后放入光盘驱动器的托盘中。此外，还要保护光盘不受强光照射，避免将光盘存放在过热、过冷或潮湿的地方。如果光盘变脏，可用水或酒精清洗。注意不要使用玻璃清洁剂或溶剂，因为这些溶剂会使聚碳酸酯变模糊，甚至侵入聚碳酸酯里面。用一块软布从中心向边缘轻轻擦拭，不能沿圆形轨边擦拭。

（3）可移动存储器。除了以上的几种辅助存储器外，还有U盘、移动硬盘等可移动存储设备。

①U盘。U盘即USB盘的简称，而优盘只是U盘的谐音称呼。U盘是闪存的一种，因此也叫闪盘或者闪存盘，是采用闪存（Flash Memory）存储介质和通用总线接口，以电擦写方式存储数据、制造的移动存储器。自从1999年深圳朗科公司发明了U盘，开创了全球U盘行业以来，U盘就以其轻巧精致、容量大、速度快、使用与携带方便、即插即用、数据存储安全稳定、价格低等优点而很快流行起来，U盘已经成为软盘的替代品。U盘一般接在USB接口上，U盘的外观如图1-24所示。部分品牌型号的U盘还具有加密功能。U盘的使用寿命主要取决于存储芯片的寿命，通常情况下，闪存芯片至少可擦写100万次。U盘采用USB接口。支持的操作系统有Windows 2000/Windows XP/Windows Server 2003/Windows Vista或苹果机系统，将U盘直接插到机箱前面板或后面的USB接口上，系统就会自动识别。

②移动硬盘。移动硬盘（Mobile Hard Disk）是以硬盘为存储介质、便携性的存储设备，其数据的读写模式与标准IDE硬盘相同，外观如图1-25所示。移动硬盘具有容量大、传输速率高、使用方便、可靠性强等特点。

图1-24　U盘的外观

图1-25　移动硬盘的外观

③MP3播放器、MP4播放器和MP5播放器。MP3播放器就是可播放MP3格式音乐的播放工具。MP3播放器本身也可以用作U盘，它既能存储MP3格式的音乐文件，又可以存储任意的数字文件。MP3播放器的外观如图1-26所示。如今市面上的MP3播放器除听歌以外，还有视频播放、电子书、图片浏览、录音等功能，一些比较特殊的MP3还有拍照、GPS等功能，这为用户提供了高性价比的解决方案。有些MP3除了这些功能外还可以储存电话。

MP4播放器是一种集音频、视频、图片浏览、电子书、收音机等于一体的多功能播放器，其外观如图1-27所示。MP4播放器以储存数码音讯及数码视讯为主，它除了具有看电影的基本功能外，还支持音乐播放、浏览图片，甚至部分产品还可以上网。现在对MP4播放器的功能没有具体界定，不少厂商都将它定义为多媒体影音播放器。

MP5播放器的核心功能就是利用地面数字电视通道实现在线数字视频直播收看和下载观看等功能，它采用特殊的压缩技术，将WAV、MP3或CDA格式的歌曲压缩成短小而易于管理的音乐文件。此外，MP5强大的内核处理能力可以支持现有的多款经典网络游戏下载。MP5播放器的外观如图1-28所示。

图1-26　MP3播放器的外观

图1-27　MP4播放器的外观

图1-28　MP5播放器的外观

1.2.2　计算机的软件系统

软件是人们为了在计算机上完成某一具体任务而编写的一组程序，这些程序能告诉计算机做什么、怎么做。计算机的软件系统分为系统软件和应用软件两大类。

1．系统软件

系统软件是为扩充计算机功能所配备的软件，主要用于管理、操纵和维护计算机，支持应用软件的开发和运行。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括以下几种。

（1）操作系统。主要负责管理计算机中软、硬件资源的分配、调度、输入/输出控制和数据管理等工作，用户只有通过它才能使用计算机。如DOS、Windows 2000、Windows XP、UNIX、Linux、Netware等。

（2）程序设计语言。人与计算机之间进行信息交换通常使用程序设计语言。人们把自己的意图用某种程序设计语言编写程序，并将其输入计算机，告之完成什么任务，以及如何完成，达到计算机为人做事的目的。程序设计语言经历了机器语言、汇编语言和高级语言3个阶段。

①机器语言。机器语言是机器的指令序列。机器指令用一串0和1的二进制编码表示，可以直接被计算机识别并执行。机器语言是面向机器的语言，与计算机硬件密切相关，针对某一类计算机编写的机器语言程序不能在其他类型的计算机中运行。机器语言的缺点是编写程序很困难，而且程序难改、难读。但机器语言编写的程序执行速度快，占用内存空间少。由于是直接根据硬件的情况来编制程序，因此可以编制出效率高的程序。

②汇编语言。汇编语言又称为符号语言，是用一些有特定含义的符号替代机器的指令作为编程用的语言，其中使用了很多英文单词的缩写，这些字母和符号称为助记符。例如，助记符ADD表示加法，SUB表示减法等。这些助记符易编程、可读性好、修改方便，但机器并不认识，所以需把它翻译成相对应的机器语言程序，这种翻译的过程就叫作汇编。将汇编语言程序翻译成相应的机器语言程序是由汇编程序完成的。汇编语言的每一条语句和机器语言指令一一对应，故仍属于一种面向机器的语言。

③高级语言。高级语言是用英文单词、数学表达式等易于理解的形式书写，并按严格的语法规则和一定的逻辑关系组合的一种计算机语言。高级语言编写的程序独立于机型，可读性好、易于维护，提高了程序设计效率。常见的过程化高级语言有BASIC、C语言等，针对面向对象程序设计方法的可视化编程语言有Visual Basic、Delphi、Visual C++等，以及计算机网络语言Java、C#等。

（3）语言处理系统。汇编语言与高级语言必须翻译成机器语言才能被计算机接受。按汇编语言和各种高级语言语法规则编写的程序叫源程序。源程序通过语言处理程序翻译成计算机能够识别的机器语言程序，即目标程序。语言处理程序翻译方式有两种：编译和解释。编译是指在编写完源程序后，由存放在计算机中，事先用机器语言编写好的一个编译程序，将整个源程序翻译成目标程序的过程。该目标程序经连接程序连接后，形成在计算机上可执行的程序。解释则是由解释程序对高级语言逐句解释，边解释边执行，解释完后只出现运行结果而不产生目标程序。编译程序和解释程序的执行过程如图1-29所示。

图1-29　语言处理程序的工作示意图

（4）各种服务性程序。主要包括协助用户进行软件开发或硬件维护的软件，如用于机器调试、故障检查和程序诊断等的程序。

2．应用软件

应用软件是由用户根据自己的工作需求，为解决各种实际问题而自行开发或从厂家购买来完成某一特定任务的软件，如办公软件、财务软件、平面设计软件、三维制作软件等。

目前，计算机软件已发展成为一个巨大的产业，软件的应用范围也涵盖了生活的各个方面，因此很多问题都有了相应的软件来解决。

1.2.3　计算机的工作原理

计算机工作的过程实质上是执行程序的过程。程序是由若干条指令组成的，计算机逐条执行程序中的指令就可完成一个程序的执行，从而完成一项特定的工作。指令就是让计算机完成某个操作所发出的命令，是计算机完成该操作的依据。计算机执行指令一般分为两个阶段：第一阶段称为取指令周期；第二阶段称为执行周期。执行指令时，首先将要执行的指令从内存中取出送入CPU，然后由CPU对指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，并向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统。计算机的程序是一系列指令的有序集合，计算机执行程序实际上就是执行这一系列指令。程序执行时，系统首先从内存中读出第一条指令到CPU执行，指令执行完毕后，再从内存中读出下一条指令到CPU内执行，直到所有指令执行完毕。因此，了解计算机工作原理的关键就是要了解指令和程序执行的基本过程，如图1-30所示。

综上所述，计算机的基本工作原理就是计算机取出指令、分析指令、执行指令，再取下一条指令，依次周而复始地执行指令序列的过程。自从1946年第一台电子计算机问世以来，几乎所有计算机的工作原理都相同。这一原理是美籍匈牙利数学家冯·诺依曼教授于1946年提出来的，故称为冯·诺依曼原理。

图1-30　指令和程序执行过程示意图

1.2.4　计算机的性能指标

微型计算机（Microcomputer）又称为个人计算机，是以微处理器芯片为核心构成的计算机。微型计算机除具有计算机的普通特性外，还有一般计算机无法比拟的特性，如体积小、组装灵活、使用方便、价廉、省电、对工作环境要求不高等，因此深受人们喜爱。

一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，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。但对大多数普通用户来说，可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能。

（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是指计算机每秒钟所能执行的指令条数，也叫作计算机的平均运算速度，一般用“百万条指令/秒”（MIPS）或百万条浮点指令/秒（MFPOPS）来描述。影响微机运算速度的主要因素有以下几个。

①CPU的主频。是指CPU的工作时钟频率，其单位是MHz，它在很大程度上决定了计算机的运算速度。一般来说，主频越高的CPU在单位时间内完成的指令也越多，相应的处理器速度也越快。

②字长。字长是指CPU在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。因此，CPU的字长反映了计算机可处理的最大二进制数。如Pentium 4的CPU字长为32位，表示其能处理的最大二进制数为232。不同等级计算机的字长是不同的，计算机中常用的字长从最初的4位、8位、16位、32位已经发展到现在的64位。

（2）存储器的指标。

①存取速度。内存完成一次读（取）或写（存）操作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。连续两次读或写所需的最短时间称为存储周期。

②内存储器的容量。内存储器也称主存，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的。内存储器的容量反映了计算机存储信息的能力。随着操作系统的升级、应用软件的不断丰富，以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，能处理的数据量就越大，系统运行的效果就越好。

③外存储器的容量。外存储器的容量通常是指硬盘（包括内置硬盘和移动硬盘）容量。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。目前，硬盘容量一般为320GB以上。

（3）I/O的速度。

主机I/O的速度，取决于I/O总线的设计。这对于慢速设备（如键盘、打印机等）而言关系不大，但对于高速设备则效果十分明显。例如，当前SCSI硬盘的外部传输率已经达到了160MByte/s以上。

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，各项指标间也不是彼此孤立的，在实际应用时，应把它们综合起来考虑，而且还要遵循“性能价格比”的原则。