计算机组成与维护——计算机的组成

目录

第一章 计算机的组成

1.1计算机的发展简史和未来

1.1.1计算机的发展简史

1.1.2计算机的未来

1.2计算机系统的组成

1.3计算机的硬件组成

1.4计算机分类方法

1.4.1计算机的分类

1.4.2个人计算机的分类

1.5计算机的特点

1.6计算机的应用

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第一章 计算机的组成

计算机的全称是“通用电子数字计算机”，俗称“电脑”。

1.1计算机的发展简史和未来

计算机从诞生至今已经有六十多年了。

1.1.1计算机的发展简史

世界上第一台计算机诞生于1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学为国防部研制成功了ENIAC（虽然是第一台投入运行的电子计算机，但它不具备现代计算机“存储程序”的思想）。

第一代：电子管计算机

1946年6月，冯.诺依曼设计出第一台“存储程序”的离散变量自动电子计算机（EDVAC）

EDVAC和ENIAC均属于第一代电子管计算机。

电子管计算机采用磁鼓做存储器。由于采用电子管，因而体积大，耗电多，运算速度较低，故障率较高，而且价格昂贵。本阶段计算机软件尚处于初始发展期，符号语言已经出现并被使用，主要用于科学计算方面。

第二代：晶体管计算机

1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小。

第二代计算机的主要逻辑部件采用晶体管的计算机，内存储器主要采用磁芯，外存储器主要采用磁盘，输入和输出方面有了很大的改进，价格大幅度下降。在程序设计方面研制出了一些通用的算法和语言，其中影响最大的是FORTRAN语言。ALGOL和COBOL语言随后也相继出现，操作系统的雏形开始形成。

第三代：中，小集成电路计算机

1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路生产了IBM360系列计算机。DEC公司交付了数千台PDP小型计算机。

第三代计算机用中，小规模集成电路作为逻辑元件，使用范围更广，尤其是一些小型计算机在程序设计技术方面形成了3个独立的系统：操作系统，编译系统和应用程序，总称为软件。

第四代：大规模与超大规模集成电路计算机

大规模集成电路LSI。超大规模集成电路VLSI。

第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。

第五代：甚大规模集成电路计算机

第五代计算机是指用甚大规模集成电路（ULSI）作为电子器件制成的计算机。1990年，计算机进入第五代，其主要标志有两个：一个是单片集成电路规模达100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用。

从第一代到第五代，计算机的体系结构都是相同的，即都由控制器，存储器，运算器和输入输出设备组成，称为冯.诺依曼体系结构。

1.1.2计算机的未来

计算机发展的未来是巨型化，微型化，多媒体化，网络化和智能化。

①　巨型化

巨型化指高速运算，大存储容量和强功能的巨型计算机。主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。

②　微型化

微型化采用微处理器芯片，是由于大规模和超大规模集成电路的飞速发展。

③　多媒体化

多媒体是“以数字技术为核心的图像，声音与计算机，通信等融为一体的信息环境”的总称。多媒体技术的目标是：无论何时何地，只需要简单的设备就能自由地以交互方式和对话方式交流信息。其实质是让人们利用计算机以更加自然，简单地方式进行交流。

④　网络化

网络化指利用通信技术和计算机技术将分布在不同地点地计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可以共享软件，硬件和数据资源的目的。

三网合一的系统工程，即将计算机网，电信网，有线电视网合为一体。将来通过网络能更好地传送数据，文本资料，声音，图形和图像，用户可随时随地在全世界范围拨打可视电话或收看任意国家地电视和电影。

⑤　智能化

智能化要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也就是第五代计算机要实现的目标。

1.2计算机系统的组成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件是支撑软件工作的基础。

①　硬件系统

硬件系统指那些构成计算机系统的物理实体，它们主要由各种各样的电子器件和机电装置组成。按其作用和功能，可将硬件系统分为主机（主机是计算机最主要的设备，作用是对数据进行处理并输出结果，一般由主板，中央处理器，内存储器，外存储器（如软盘，硬盘和光盘驱动器），各种功能的扩展卡（如显卡，声卡），电源和机箱）和外设（作用是辅助主机的工作，为主机提供足够大的外存储空间，提供与主机进行信息交换的各种手段。通常包括键盘，鼠标，显示器，，打印机，扫描仪，音箱）。一般来说，具有相同硬件设备的不同计算机系统，其功能的强弱主要取决于软件功能的强弱。

②　软件系统

软件系统指计算机正常运行所需的各种各样的计算机程序。任务是既要保证计算机硬件的正常运行，又要使计算机的性能得到充分发挥，且要为计算机用户提供一个比较直观，方便和友好的使用界面。包括系统软件（负责管理，控制，维护，开发计算的软硬件设备，提供用户一个便利的操作界面和提供编制应用软件的资源环境。最主要的是操作系统（OS），OS是对所有软硬件资源进行管理，高度及分配的核心软件，用户操作计算机实际上是通过使用操作系统来进行的，它是所有软件的基础和核心），应用软件（指那些建立在系统软件之上的专门用于解决某类应用的软件，也叫实用程序。可分为Office软件，辅助设计软件，用户编制软件，各种工具软件）。

1.3计算机的硬件组成

计算机的硬件部件有主板，CPU，存储器，输入设备，输出设备，多媒体设备，网络设备，电源和机箱。

①　主板

主板为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统。计算机部件都直接或间接连接到主板上，它是整个计算机的组织核心。主板的性能关系到整个计算机系统运行的速度和稳定性。

②　CPU

CPU是计算机的大脑，中文称为中央处理器。具有运算器和控制器功能的大规模集成电路，决定了一台计算机的性能。

③　存储器

分为内存储器和外存储器。内存又称为“主存储器”，它是计算机中用来临时存放数据的设备，计算机中正在运行的程序和数据都是先存储在内存中，然后再传输到CPU中的。内存是衡量计算机的另一个标准，其容量与性能是衡量计算机整体性能的一个决定因素。

外存储器在计算机系统中通常是作为后备存储器使用的，用于扩充存储器的容量和存储当前暂时不用的信息。目前计算机所使用的外存储器主要有硬盘，光驱，光盘和移动存储设备等。

硬盘，光驱是计算机系统中最主要的外部存储设备，它们是系统装置中最重要的组成部分，通过主板上的适配器与主板相连。

④　输入设备

输入设备是外界向计算机传送信息的装置。在计算机中，常用的输入设备有键盘，鼠标，扫描仪，数码相机等。

键盘是计算机最重要的外部输入设备。用户依靠键盘向计算机输入程序，数据和各种指令来操作计算机。

鼠标是一种屏幕标定装置，它在图形处理方面的功能要比键盘方便的多，现在很多操作都通过鼠标来完成。

扫描仪是一种将书面的文字，图片转换成数字信号并输入保存到计算机中的设备。

除了以上基本的设备外，通常与计算机相连的常用设备还有数码相机，数码摄像机，写字板，语音输入等。

⑤　输出设备

常用的输出设备有显卡，显示器和打印机。

显卡工作在CPU与显示器之间，控制计算机的图像输出，负责将CPU送来的影像数据处理成显示器可以接收的信号， 再送到显示器形成图像。

显示器是计算机系统中最主要输出设备，是一种将电信号设备转换为可见光信号的设备。常见的有CRT（阴极射线管）显示器，LCD（液晶）显示器。

打印机是计算机系统中主要输出设备之一，能将计算机输出的信息以单色或彩色的字符，汉字，表格和图像等形式打印在纸上，主要有针式，喷墨和激光三种打印机。

⑥　多媒体设备

计算机的多媒体设备包括声卡和音箱。

声卡是实现声波与数字信号相互转换的硬件电路，负责将来自话筒，光盘的原始声音信号加以转换，输入到计算机或输出到耳机，音箱等设备。

音箱主要用于计算机发音或播放音乐，是一种声音还原设备，它将电信号还原为声音信号，再发出声音。

⑦　网络设备

一台计算机要与其他计算机进行通信就需要依靠网络设备，常用的网路设备有网卡，交换机和路由器。

网卡是网络接口卡，通常插在计算机的扩展槽上，通过网线与网络上的其他计算机交换数据。

交换机是局域网的主要设备。

⑧　电源和机箱

电源是安装在一个金属壳体内的独立部件，它是计算机的动力核心，它的作用是为系统装置的各种部件提供工作所需的电能。

机箱主要给计算机的主要部件提供安装空间，同时它还能防压，放冲击，防尘，防电磁干扰。

1.4计算机分类方法

1.4.1计算机的分类

按照计算机原理分类，可分为数字式电子计算机，模拟式电子计算机和混合式电子计算机。

按照计算机用途分类，可分为通用计算机和专用计算机。

按照计算机性能分类，可分为巨型机，小巨型机，大型机，小型机，工作站和个人计算机六大类。

按性能分类：

①　巨型机

巨型计算机是指运算速度快，存储容量大，每秒可达1亿次以上浮点运算技术，主存容量高达几百万兆字节，字长可达32位以上的计算机。这类计算机价格相当昂贵，主要用于复杂，尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算。由国防科技大学研制的“银河”和国家智能中心研制出的“曙光”都属于这类计算机。

②　小巨型机

小巨型机是小型超级计算机或称桌上型超级计算机，出现于20实际80年代中期，功能低于巨型机，速度能达到1TELOPS，即每秒10亿次，价格也只有巨型机的1/10。美国Convex公司的C系列机等就是比较成功的小巨型机。

③　大型主机

大型主机或称做大型计算机，覆盖国内通常说的大，中型机。其特点是大型，通用，内存可达1KMB以上，整机处理速度高达300~750MIPS，具有很强的处理和管理能力，主要用于大银行，大公司，规模较大的高校和科研院所。由美国IBM公司生产的IBM360，IBM370，IBM9000系列就是国际上有代表性的大型主机。

④　小型机

小型计算机具有规模较小，结构简单，成本较低，操作简单，易于维护，与外部设备连接容易等特点，是在20世纪60年代中期发展起来的一类计算机。DEC公司的PDP11/20到PDP11/70是这类机器的代表。

⑤　工作站

工作站是指为了某种特殊用途而将高性能的计算机系统，输入/输出设备与专用软件结合在一起的系统，它的独到之处是有大容量主存，大屏幕显示器，特别适合于计算机辅助工程。

⑥　个人计算机

个人计算机又称为PC，是第四代计算机时期出现的一个新机种。特点是轻，小，价廉，易用。

1.4.2个人计算机的分类

个人计算机是以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统，价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用，可独立使用，也可与其他计算机互连。目前，个人计算机主要有两种结构形式：台式机和笔记本电脑。

①　台式机

按机箱的放置形式，台式机又可分为立式机和卧式机。台式机需要放置在桌面上，它的主机，键盘和显示器都是互相独立的，通过电缆和插头连接在一起。其特点是：价格便宜，部件标准化程度高，系统扩充维修方便，便于用户自己组装。台式机适合在相对固定的场合使用。

②　笔记本电脑

笔记本电脑体积一般为手提包大小，可以随身携带。它将主机，硬盘驱动器，键盘和显示器等部件组装在一起，并能用蓄电池供电。

1.5计算机的特点

目前计算机一般都具有运算速度快，计算精确，存储能力强，有逻辑判断功能，可靠性高等特点。

①　运算速度快

计算机的运算速度是指计算机每秒能处理的数据指令的数量。目前主流的微型计算机每秒能处理几十亿次数据指令。

②　计算精确

计算机都是使用二进制码来处理数据信息的，一台计算机的二进制位数越高，该计算机的精确度就越高，二进制码有0和1，各种不同的数据最终都是由这两个数字演变而成的，从而使计算机的计算精确度更高。

③　存储能力强

计算机的存储器就像一个大仓库，用户可以输入或输出大量的计算机信息或程序。目前一个普通微型计算机的存储能力就已经能囊括一个中型图书馆的文字信息了。

④　有逻辑判断能力

计算机的运算器除了能够完成基本的算数运算外，还具有进行比较，判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。

⑤　可靠性高

自从采用了超大规模集成电路后，计算机中的电子元件被高度集成化，大量元件被极其紧密地集成在一小块小晶片上，这就避免了很多故障，从而保证了计算机工作地高可靠性。

1.6计算机的应用

计算机主要应用在科学计算，数据处理，过程控制，计算机辅助系统和人工智能等领域。

①　科学计算

科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出地数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算机的高速计算，大存储容量和连续运算的能力可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。

②　数据处理

数据处理是对各种数据进行收集，存储，整理，分类，统计，加工，利用，传播等一系列活动的统称。

数据处理从简单到复杂经历了如下3个发展阶段：

a.电子数据处理（EDP）：它以文件系统为手段实现一个部门内的单项管理。

b.管理信息系统（MIS）：它以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。

c.决策支持系统（DSS）：它以数据库，模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。

③　过程控制

过程控制即利用计算机及时采集检测数据，按最优质迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制不仅可以大大提高控制地自动化水平，而且可以提高控制地及时性和准确性，从而改善劳动条件，提高产品质量及合格率。

④　计算机辅助系统

计算机辅助设计包括CAD，CAM和CAI等。

a.计算机辅助设计

计算机辅助设计（CAD）是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。

b.计算机辅助制造

计算机辅助制造（CAM）是利用计算机系统进行生产设备的管理，控制和操作的过程。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。

将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。它的实现将真正做到无人化工厂。

c.计算机辅助教学

计算机辅助教学（CAI）是利用计算机系统使用课件来进行教学。CAI的主要特色是交互教育，个别指导和因人施教。

⑤　人工智能

人工智能是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知，判断，理解，学习，问题求解和图像识别等。

⑥　网络应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立不仅解决了一个单位，一个地区，一个国家中计算机与计算机之间的通信，各种软，硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字，图像，视频和声音等各类数据的传输与处理。