接下来详细介绍计算机硬件各组成部分。

1.CPU

芯片，又称微电路(Micro-electric Circuit)、微芯片(Microchip)、集成电路(Integrated Circuit，IC)，是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分，如图1-17所示。随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路芯片，称为微处理器(Microprocessor)。微处理器就是芯片化的CPU，所以在多数场合二者具有相同的含义。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也广泛应用在智能洗衣机、移动电话等数字化智能设备上。目前的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。目前，微处理器的国际主要生产厂家有Intel、AMD、高通等公司，我国也在大力发展芯片及CPU制造产业，目前有代表性的国产CPU有飞腾、龙芯、申威、麒麟等。

图1-17 CPU

中央处理器就是机器的“大脑”，是布局谋略、发号施令、控制行动的“总司令官”，也称中央处理机或中央处理单元。它是一块超大规模的集成电路(VLSI)，是一台计算机的运算核心和控制核心，由运算器和控制器组成，另外，还包括寄存器(Register)。运算器负责完成算术运算和逻辑运算；控制器负责从存储器读取指令，并对指令进行分析，然后按照指令的要求指挥各部件工作；寄存器临时保存将要被运算器处理的数据和处理后的结果。

CPU是现代计算机的核心部件。对于计算机而言，CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱的重要指标，其重要性无与伦比，它负责计算机多项工作的完成，快速处理数据，把工作分类并传输指令给计算机的其他部件，这有点像一个物流中心，要把源源不断又种类繁多的“数据包裹”分析、分类、处理、传送……

(1)CPU的基本结构

CPU一般包括三部分：基板、核心、针脚，如图1-18所示。其中基板一般为印制线路板(PCB)，是核心和针脚的载体。核心和针脚都是通过基板来固定的，基板将核心和针脚连成一个整体。核心内部是众多的晶体管构成的电路。如图中，很多实现各种功能的硬件单元是由大量的晶体管构成的。

图1-18 CPU的基本结构

如图1-19所示，可以看到大量伸出的针脚用于发出和接收信息。CPU被安装在用于连接计算机里的所有组件的主板上。

图1-19 CPU背面图

(2)CPU的主要任务

对于冯·诺依曼结构的计算机而言，一旦程序进入存储器后，就可由计算机自动完成取指令、执行指令的任务，控制器就是专用于完成此项工作的，它负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令、执行指令、访存取数阶段和结果写回阶段。

1)取指令

控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能。为此，要求控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器中。第一条指令的地址可以人为指定，也可由系统设定。

2)分析指令

分析指令包括两部分内容：其一，分析此指令要完成什么操作，即控制器需发出什么操作命令；其二，分析参与这次操作的操作数地址，即操作数的有效地址。

3)执行指令

执行指令就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求，形成操作控制信号序列(不同的指令有不同的操作控制信号序列)，通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作，执行每条指令。

4)访存取数和结果写回

控制器还必须能控制程序的输入和运算结果的输出，以及对总线的管理，甚至能处理机器运行过程中出现的异常情况(如：掉电)和特殊请求(如：打印机请求打印一行字符)，即处理中断的能力。总之，CPU必须具有控制程序的顺序执行(称指令控制)、产生完成每条指令所需的控制命令(称操作控制)、对各种操作加以时间上的控制(称时间控制)、对数据进行算术运算和逻辑运算(数据加工)以及处理中断等功能。

(3)CPU的工作原理(指令执行过程)

CPU是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态：ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应。这样，计算机就具备了处理信息的能力。

但不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。

看到这里你一定很想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢?其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置为OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。由众多晶体管所产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。比如，十进位中的1在二进位模式时也是“1”，2在二进位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

了解了以上信息，可以运用图1-20来说明一条指令在CPU中执行的大致过程：

图1-20 CPU执行指令图

CPU内部主要是由运算器和控制器组成的，CPU内部相当于一个工厂的流水线，内存就相当于是这个工厂的临时仓库。当我们在电脑上打开一个程序的时候，和这个程序相关的数据就会从硬盘传输到内存，这些被临时存储的程序数据，就在内存里面等着被CPU提取，而内存里面的数据主要就是这个程序的数据和指令。数据就相当于马上要被加工的原材料，而指令就相当于客户的订单，订单上面写的就是对产品的要求，既然内存相当于是仓库，那么CPU工厂自然就有负责在仓库取货的，负责取货的主要有两个：第一个是程序计数器，主要是负责告诉工厂即将要用到的订单在仓库的具体位置，也就是把取得的指令存放在指令寄存器中；第二个是地址寄存器，我们知道CPU的速度要比内存快很多，所以地址寄存器主要是负责记录正在提取的原材料在内存的具体位置，并且将取得的数据和计算后的结果存放在数据寄存器中。我们说的这个寄存器和我们熟悉的硬盘、内存都是用来存储数据的，只不过在电脑的存储组件里面寄存器是速度最快的。

已经有了内存，那寄存器存在的意义是什么呢?我们知道CPU的速度要比硬盘、内存快很多，所以可以理解成，比如：我们正在桌子上写作业(包括：语文、数学、英语等科目)，书柜可以想象成是内存，我们要用什么书都要起身去书柜拿，就耽误了时间。这个时候可以在旁边放一个小桌子，提前把要用科目的书从书柜拿出来放在旁边的小桌子上，小桌子就好比寄存器，我们写某一科目作业时，需要相应科目的书只要随手一拿就可以了，所以CPU的寄存器基本就是这个道理。

2.内存

存储器是一种记忆存储数据的媒介。比如说，你要记忆一段话，可以写在一张纸上，那么这张纸就是这段话的“存储器”。在计算机上，存储器有多种类型，比如内存条就是内存储器，硬盘就是外存储器。存储器的类型不一样，其作用及性能也就不一样。

我们平常所说的内存就是主存储器(Main Memory，M.M)，外存就是辅助存储器(Auxiliary Memory)。内存用于存放要执行的程序和相应的数据，是计算机中的主要部件。外存作为内存的后援设备，存放暂时不需要执行而将来要执行的程序和相应的数据。没有内存，程序就不能输入到计算机中，因而也就无法执行；没有外存，输入的程序及相应的数据及各种信息就不能长期保存(关机后内存中的数据会丢失)，下次用到该程序还得重新输入。

内存是CPU能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成。内存的特点是存取速率快。我们平常使用的程序，如操作系统、打字软件、游戏软件等，一般都是安装在外存上的，但仅此是不能使用其功能的，必须把它们调入内存中运行，才能真正使用其功能。我们平时输入一段文字或玩一个游戏，其实都是在内存中进行的。就好比在一个书房里，存放书籍的书架和书柜相当于电脑的外存，而我们工作的办公桌就是内存，当然内存的好坏会直接影响电脑的运行速度。

计算机中常见的内存种类主要有随机存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，以及高速缓存(Cache)，我们平常说的内存更多的时候指的是随机存取存储器。

随机存储器是一种可读写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。随机存取是相对于顺序存取来说的，顺序存取指一种只能按地址顺序从存储单元中读取数据或存储数据的访问方式。例如，要想从5号单元中读取数据，得依次找到0～4号单元，才能读取5号单元中的数据。很显然，这种存取方式的存取速度很慢。随机存取指可以根据地址直接存取任一单元中的数据，这种存取方式的存取速度要快得多。图1-21是RAM内存条。

图1-21 RAM内存条

一个存储器中存储单元的个数称为该存储器的存储容量，存储容量越大，存储的信息就越多。存储容量常用字节数来表示，8个二进制位(bit，简记b)组成一个字节(Byte，简记B)，常用的度量单位有千字节(KB)、兆字节(MB)、吉字节(GB)、太字节(TB)、拍字节(PB)、艾字节(EB)、泽字节(ZB)等。其中，1ZB=1024EB，1EB=1024PB，1PB=1024TB，1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B。

3.主板

计算机各部件需要以适当的方式有机地连接起来，彼此之间相互通信、协调工作。微型机研制人员以主板和总线的方式把这些部件组织在一起，通过主板上的插槽和接口，将各种部件连接在一起，通过总线来实现各部件之间的相互通信。这种方式有利于计算机结构和计算机组装的标准化。

主板(Main Board)，是微型机最基本的也是最重要的部件之一，是其他部件组装和工作的基础，如图1-22所示。主板的主要功能有两个：一是提供插接微处理器、内存条和各种功能卡的插槽，部分主板甚至将一些功能卡(如显卡、声卡等)集成在主板上；二是为各种常用外部设备提供通用接口。主板采用了开放式结构，主板上大都有6～8个扩展插槽，供外部设备的控制卡(适配器)插接。通过更换这些插卡，可以对微型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。主板由芯片、扩展槽和对外接口三个主要部分组成。

图1-22 主板图

(1)芯片部分

芯片组：横跨AGP插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。北桥芯片主要负责CPU、内存和显卡三者间的通信。南桥芯片则负责硬盘等存储设备和PCI总线接口之间的通信。南北桥芯片合称芯片组。如图1-23所示。

图1-23 芯片组

声卡芯片：声卡是一台电脑的主要设备之一，现在的声卡一般有板载声卡和独立声卡之分。在早期的电脑上并没有板载声卡，电脑要发声必须通过独立声卡来实现，但是随着主板整合程度的提高、CPU性能的日益强大，板载声卡几乎成为主板的标准配置了，没有板载声卡的主板反而比较少了。如图1-24所示。

图1-24 声卡芯片

板载声卡有软声卡和硬声卡之分。这里的软硬之分，指的是板载声卡是否具有声卡主处理芯，一般软声卡没有主处理芯片，只有一个解码芯片，通过CPU的运算来代替声卡主处理芯片的作用；而板载硬声卡带有主处理芯片，很多音效处理工作不再需要CPU参与了。

BIOS芯片：基本输入/输出系统(Basic Input/Output System，BIOS)芯片保存着计算机系统中的基本输入/输出程序、系统设置信息、自检程序和系统启动自举程序等。现在主板的BIOS还具有电源管理、CPU参数调整、系统监控和病毒防护等功能。BIOS为计算机提供最基本、最直接的硬件控制功能。如图1-25所示。

图1-25 BIOS芯片

早期的BIOS通常采用PROM芯片，用户不能改写其中的数据，即不能更新BIOS中的程序版本。目前主板上的BIOS芯片采用快闪只读存储器(Flash ROM)。由于快闪只读存储器可以电擦除，因此可以更新BIOS的内容，升级比较方便，但也成为主板上唯一可被病毒攻击的芯片，CIH病毒就是专门攻击BIOS系统的，BIOS中的程序一旦被破坏，主板将不能工作，需要到原生产厂家重新写入正确的BIOS程序。

CMOS芯片：互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)芯片用来存放系统硬件配置和一些用户设定的参数，如计算机是从硬盘启动还是从光盘启动等，参数丢失，系统将不能正常启动，必须对其重新设置，如图1-26所示。设置方法是系统启动时按设置键(通常是Del键)进入BIOS设置窗口，在窗口内进行CMOS的设置，CMOS开机时由系统电源供电，关机时靠主板上的电池供电。在电池正常工作的前提下，即使关机，CMOS中的数据也不会丢失。

图1-26 CMOS芯片

(2)扩展槽部分

内存插槽：通过该插槽可以更换或加插内存条，以扩充内存容量，但要注意内存条与插槽的匹配，如图1-27所示。(www.daowen.com)

图1-27 内存插槽

AGP插槽：位于北桥芯片和PCI插槽之间，AGP插槽主要针对图形显示进行优化，在PCI Express出现之前，AGP显卡较为流行，其传输速度最高可达到每秒2.1GB，如图1-28所示。随着显卡速度的提高，AGP插槽已经不能满足显卡传输数据的速度，目前AGP显卡已经逐渐淘汰，取代它的是PCI Express插槽。

图1-28 AGP插槽

PCI插槽：可以插接声卡、网卡和多功能卡等设备，如图1-29所示。

图1-29 PCI插槽

PCI Express插槽：随着3D性能要求的不断提高，AGP已越来越不能满足视频处理带宽的要求，目前主流主板上显卡接口多转向PCI Express，如图1-30所示。

图1-30 PCIE插槽

(3)对外接口部分

硬盘接口：硬盘接口可分为IDE接口和SATA接口。在型号老些的主板上，一般集成2个集成设备电路(Integrated Drive Electronics，IDE)口，可以插接两个IDE硬盘。而新型主板上，IDE接口代之以SATA接口。串行高级技术附件(Serial Advanced Technology Attachment，SATA)接口是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，主要用作硬盘接口，提高了硬盘的读写速度。如图1-31(左)所示。

图1-31 硬盘接口(左)和LPT接口(右)

LPT接口：一般用来连接打印机或扫描仪，如图1-32(右)所示。

I/O(输入/输出)接口：常见的主板上的I/O接口至少有以下几种(见图1-32)：

图1-32 主板I/O接口

PS/2接口：PS/2接口分为PS/2键盘接口和PS/2鼠标接口，并且这两种接口完全相同。为了区分键盘接口和鼠标接口，PS/2键盘接口采用了蓝色显示(下)，而PS/2鼠标接口则采用了绿色显示(上)。

VGA接口：VGA接口是计算机连接显示器最主要的接口。

USB接口：通用串行总线(简称USB)是连接外部设置的一个串口汇流排标准，在计算机上使用广泛，几乎所有的计算机主板上都配置有USB接口。USB接口标准的版本有USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0。

网卡接口：网卡接口通过网络控制器可以使用网线连接至LAN网络。

音频信号接口：集成有声卡芯片的主板，其I/O接口上有音频信号接口，通过不同的音频信号接口，可以将计算机与不同的音频输入/输出设备相连(如耳机、麦克风等)。

4.总线

计算机系统中功能部件必须互连，但如果将各部件和每一种外部设备都分别用一组线路与微处理器直接连接，那么连线将会错综复杂，难以实现。为了简化和标准化系统结构，常用一组线路，配以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组多个功能部件共享的信息传输线称为总线(Bus)。采用总线结构便于部件和设备的扩充，使用统一的总线标准，不同设备间互连将更容易实现。

所谓总线，是指将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，是计算机中传输数据的公共通道。

微型机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线之分。内部总线指芯片内部连接各元件的总线。系统总线指连接微处理器、存储器和各种输入/输出模块等主要部件的总线。外部总线则是微型机和外部设备之间的总线。

系统总线根据传送信息内容的不同，分为数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线(Data Bus，DB)：用于微处理器与内存、微处理器与输入/输出接口之间传送信息。数据总线的宽度(根数)决定着每次能同时传输信息的位数。因此数据总线的宽度是决定计算机性能的一个重要指标。目前，微型计算机的数据总线大多是32位或64位。

地址总线(Address Bus，AB)：从内存单元或输入/输出端口中读出数据或写入数据，首先要知道内存单元或输入/输出端口的地址，地址总线就是用来传送这些地址信息的。地址总线的宽度决定了微处理器能访问的内存空间大小，若某款微处理器有32根地址线，则最多能访问4GB(232 B)的内存空间。

控制总线(Control Bus，CB)：由于数据总线、地址总线都是被挂在总线上的所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权，需要依靠控制总线来完成，因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。对任一控制总线而言，它的传输只能是单向的。

5.硬盘

硬盘是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。如图1-33所示，绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久地密封固定在硬盘驱动器中。硬盘一般被安装在计算机的机箱上的启动器架内，通过数据线与计算机主板相连。除了上述的普通硬盘，还有一种固态硬盘(Solid State Disk、IDE Flash Disk、Serial ATA Flash Disk)是由控制单元和存储单元(Flash芯片)组成，简单地说就是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致，包括3.5″、2.5″、1.8″(″表示英寸)多种类型。由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳，同时工作温度很宽，可工作在-45℃～+85℃。

图1-33 硬盘

6.输入设备

给计算机输入程序、数据和图片等要用输入设备，目前常用的输入设备有键盘、鼠标等。

(1)键盘

键盘(Keyboard)是最常用也是最主要的输入设备，通过键盘，可以将英文字母、数字、汉字和标点符号等输入到计算机中，还可以向计算机输入数据和命令控制计算机的运行，如图1-34所示。在DOS(Disk Operating System)作为主流操作系统的时代，83键的键盘为主流产品。随着Windows取代DOS成为主流操作系统，83键键盘被101键和104键键盘取代。在104键键盘之后出现的是新兴多媒体键盘，在传统的键盘基础上又增加了不少常用快捷键或音量调节装置，对于收发电子邮件、打开浏览器和启动多媒体播放器等都只需要按一个特殊按键即可，使微型机的操作进一步简化。

图1-34 机械键盘

那么我们是怎么通过键盘让电脑知道我们输入的是什么呢?原来键盘底下有一张导电的纸，按下某个键，就等于接通了某些电路，就有一个独一无二的输出，只要事先规定好哪种输出对应哪个键，主机就能够知道按下了哪个键了。比如规定“高低高高低低高高低(1代表高电平，0代表低电平)”是K，那么主机只要从键盘那里接收到了101100110就知道用户按下了K。

(2)鼠标

提到鼠标(Mouse)，大家应该很熟悉，因为鼠标形状像一只老鼠而得名，也成为微型机常用的输入设备，鼠标的使用给人们操作各种图形界面软件带来了极大的方便，省却了记忆各种操作命令的烦扰。常见的鼠标类型有机械式、光电式和无线遥控式。机械式鼠标内有一个实心橡皮球，当鼠标移动时，橡皮球滚动，通过相应装置将移动的信号传送给计算机。光电式鼠标的内部有红外光发射和接收装置，它利用光的反射来确定鼠标的移动，是目前常用的一种鼠标。无线遥控式鼠标又可分为红外无线式鼠标和电波无线式鼠标。

鼠标上一般有两个按键，左键用作确定操作，右键用作弹出菜单等特殊功能。现在人们使用的滚轮鼠标，是在原有两键鼠标的基础上增加了一个滚轮键，它拥有特殊的滑动和放大功能，手指轻轻滑动滚轮就可以使页面上下翻动，对于翻页比较多的操作非常方便。

常见的鼠标接口有串口、PS/2接口和USB接口等，现在主要用的是USB接口的鼠标。如图1-35所示为一种光电式鼠标。

图1-35 光电式鼠标

我们常用的鼠标就是光电式的，那么光电式鼠标是怎么被我们“指挥”的呢?鼠标下面的光源发射器会向桌子发光，还有个光的接收器。当你移动鼠标时，接收器可以感知到发射器发出的光反射回来时的入射角和方向的不同变化，然后就可以以不同电信号的方式告诉主机鼠标在向着哪个方向移动；鼠标点击的原理和键盘类似，不再赘述。

7.输出设备

计算机处理信息的结果要输出，常用的输出设备有显示器、打印机等。

(1)显示器

显示器(Display Device)用来显示字符与图形图像信息，是计算机必配的输出设备。常用的显示器有CRT显示器和液晶显示器，早期台式计算机主要配置CRT显示器，但近几年台式计算机使用液晶显示器也越来越多，基本上取代了CRT显示器，如图1-36所示。

图1-36 显示器

CRT显示器是一种使用阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)的显示器，其基本原理是使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的荧光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同光点以显示各种图形和文字。彩色屏幕上的每一个像素点都由红、绿、蓝三种涂料组合而成，由三束电子束分别激活这三种颜色的荧光涂料，以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度就可得到所需的颜色。

液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，通过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。LCD显示器具有体积小、重量轻、省电、无闪烁和不产生辐射等优点。

显示器要通过显示适配器(Video Adapter)才能与主机相连，显示适配器是连接微处理器与显示器的接口电路，一般做成插卡的形式，所以人们习惯称其为显示卡或显卡。

(2)打印机

打印机(Printer)也是一种常用的输出设备，其作用是将计算机的处理结果打印在相关介质上。打印机是最常见的计算机外部设备之一，其外观如图1-37所示。

图1-37 打印机