子任务1 认识计算机硬件

任务实现

1.1.1 认识计算机的主要部件

计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。其中，运算器和控制器集成在一起称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU），它就像人的大脑，用来处理、运算计算机内部的所有数据，并指挥、控制数据的传输等工作。存储器是数据存储的设备，分为内部存储器（简称内存）和外部存储器（简称外存）。计算机运行后，控制器会调用存储器中的代码进行执行，从而完成各种任务。输入设备是一种向计算机提供数据和控制信号的设备，常见的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪等。输出设备是计算机硬件系统的终端设备，用于将计算机的计算结果以图形、图像、文字等方式显示出来，常见的输出设备有显示器、音箱、打印机等。对于存储器而言，它既是输入设备，又是输出设备，输入设备和输出设备统称为外部设备，简称外设。

图1-1至图1-6所示分别是计算机的CPU、内存、硬盘、键盘、鼠标、显示器的外观。

上述的键盘、鼠标、显示器这些外部设备是用户使用计算机时能够直接在办公桌上看到的硬件，而CPU、内存、硬盘这些硬件部件，用户在办公桌上是看不到的。因为这些硬件部件需要安全放置在一个机箱中，所以用户还能直接看到一个机箱（如图1-7所示），只有打开机箱外壳才能看到CPU、内存、硬盘。那么，CPU、内存、硬盘这些硬件部件放置在机箱中的什么地方呢？用户将这些零散的部件安装到主板上并连通数据排线、电源线等，组装成一台计算机的主机，机箱内部如图1-8所示。

主板的外观如图1-9所示，主板的作用就像一个心脏，将不同电压的电子元器件连接在一起，给它们提供电源，让它们互相通信、交换数据。

主板用于连接计算机主机中的各个部件，主板质量的优劣，决定了计算机硬件系统的稳定性。因此，它是计算机硬件系统的基本部件。主板一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和主机箱面板控制开关接口、指示灯接插件、扩展插槽、电源供电接插件等元器件。

主机如何连接显示器、网络设备、鼠标等外设呢？显然，它们都是通过主板提供的接口进行连接的。在使用显示器时，需要主板上安装有显示接口卡（Video card，Graphics card），简称显卡。显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和计算机主板的重要元件。显卡分为集成显卡和独立显卡，集成显卡是集成在CPU内部或主板上的显卡，与CPU、主板是一体的。独立显卡是一片独立的显示卡，它的外观如图1-10所示。

独立显卡的性能远远超过集成显卡。对于用户而言，选择集成显卡还是独立显卡，就要看用户使用计算机主要进行什么样的应用。用户如果只是用计算机进行普通办公，对显示处理的要求不是很高，就可以选择集成显卡；如果是用计算机进行视频编辑或图像处理，对显卡的要求较高，就可以选择独立显卡。

1.1.2 熟悉主要部件的性能指标

用户如何选购计算机的CPU、内存、硬盘、鼠标、键盘、显示器等部件？对于这些品种繁多的部件，在选购时需要了解部件的主要参数及性能指标。

1.CPU

全球有两大CPU生产商，一个是Intel，另一个是AMD，它们生产的CPU各有特色。在购买CPU时需要衡量它的三个主要性能指标。

（1）主频。

CPU执行指令的速度与系统时钟紧密相关。系统时钟是计算机中的一个特殊元件，它会周期性地产生脉冲，控制和同步各个元件的工作节拍。系统时钟的频率越高，计算机的工作速度就越快。CPU的主频是CPU能够响应的时钟频率，主频越高，CPU的运算速度越快。

（2）字长。

字长是指CPU一次性处理数据的位数，它体现了计算机处理数据的能力。字长越长，CPU处理的数据位数就越多，功能就越强，但CPU的结构也就越复杂，字长与寄存器的长度及主数据总线的宽度都有关系。早期的CPU是8位或16位，目前是32位或64位。

（3）缓存。

缓存也是CPU的主要性能指标之一，缓存的结构和大小对CPU性能的影响非常大，缓存越大越好，CPU内缓存的运行频率极高，一般和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘，分为一级缓存、二级缓存、三级缓存。

2.内存

内存是计算机的重要部件，也称内存储器或主存储器，它用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。它是外存与CPU进行沟通的桥梁，计算机中所有程序的运行都在内存中进行，内存性能的强弱影响计算机整体发挥的水平。只要计算机开始运行，操作系统就会把需要运算的数据从内存调到CPU中进行运算，当运算完成后，CPU将结果传送出来。

内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM），以及高速缓存（Cache）。按内存技术标准可分为SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM和DDR3 SDRAM。内存的接口类型分为DIP（双列直插封装）、SIMM（单列直插式内存模块）和DIMM（双列直插式内存模块）三种。

内存的主要技术指标一般包括奇偶校验、引脚数、内存容量和速度等。

（1）内存容量，它的基本单位是字节（B），表示存储数据的大小。目前，8GB、16GB内存已成了主流配置。

（2）存取时间，它的单位为纳秒（ns）。这个数值越小，存取速度就越快，但价格也越高。在选配内存时，应尽量挑选与CPU的时钟周期相匹配的内存条，这将有利于最大限度地发挥内存条的效率。内存慢而主板快，会影响CPU的速度，还有可能导致系统崩溃；内存快而主板慢，结果只能是大材小用造成资源浪费。

（3）内存主频，它以兆赫（MHz）为单位。内存主频越高，在一定程度上代表内存能达到的速度越快。内存主频决定了内存最高能够处在什么样的频率下正常工作。

3.硬盘

硬盘的主要技术指标一般包括硬盘容量、转速、缓存等。

（1）硬盘容量的功能同前面的内存容量，不同的是硬盘属于外部存储器，它的容量比内存的容量大。目前，常见的硬盘容量有600GB、1TB、15TB。

（2）转速，是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。以每分钟多少转来表示，单位表示为RPM，RPM是Revolutions Per Minute的缩写，即转/每分钟。RPM值越大，内部传输率就越快，访问时间就越短，硬盘的整体性能也就越好。目前，常见的硬盘转速有7200r/m、10000r/m、15000r/m。

（3）缓存，也称缓冲存储器，存取速度很快，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素。

4.显卡

显卡是计算机基础的组成部分之一，而显卡的核心芯片是显示芯片，它的主要功能是处理系统输入的视频信息并进行构建、渲染等。在购买显卡时，主要衡量它的五个技术指标。

（1）核心频率是指显示核心的工作频率。其工作频率在一定程度上可以反映出显示核心的性能，在显示核心相同的情况下，核心频率越高，显卡性能越强。

（2）显示存储器（简称显存），其主要功能就是暂时存储显示芯片处理过或即将提取的渲染数据。它的优劣和容量大小关系着显卡的性能表现。可以这样说，显示芯片决定了显卡所能提供的功能和基本性能，而显卡性能的发挥则在很大程度上取决于显存。

（3）显存频率是显存在显卡上工作时的频率，显存频率的高低和显存类型有非常大的关系。显存频率与显存时钟周期是相关的，二者成倒数关系。

（4）显存位宽是显存在一个时钟周期内所能传送的数据位数，即表示显存与显示芯片之间交换数据的速度。位宽越大，显存与显示芯片之间数据的交换就越顺畅。

（5）流处理器单元的数量的多少也是决定显卡性能高低的一个很重要的指标。它既可以进行顶点运算，也可以进行像素运算，在不同的场景中，显卡可以动态地分配进行顶点运算和像素运算的流处理器数量，达到资源的充分利用。

知识要点

1.1.3 计算机的特点

计算机对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域，已形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步，由此引发了深刻的社会变革，计算机已遍及一般学校、企事业单位，进入寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具。计算机具有以下六个主要特点。

1.具有高速运算能力

当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微型计算机也可达到每秒几亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。

2.具有高精确度计算能力

科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。

3.具有逻辑判断能力

随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多。计算机不仅能进行计算，而且能把参加运算的数据、程序，以及中间结果和最后结果保存起来，以供用户随时调用；还可以对各种信息（如视频、语言、文字、图形、图像、音乐等）通过编码技术进行算术运算和逻辑运算，甚至进行推理和证明。

4.具有自动控制能力

计算机内部操作是根据人们事先编好的程序自动控制进行的。用户根据解题需要，事先设计好运行步骤与程序，计算机十分严格地按照程序规定的步骤进行操作，整个过程不需人工干预，自动执行，并得到预期的结果。

5.具有强大的存储能力

计算机可以存储海量的数据。

6.具有网络与通信功能

1.1.4 计算机的分类

随着计算机不断发展，其种类越来越多，功能也各不相同，我们可以依据不同的角度对计算机进行分类。

1.按计算机的性能分类

（1）巨型计算机（或称超级计算机）。

（2）大型计算机。

（3）小型计算机。

（4）工作站。

（5）个人计算机（或称微型计算机）。

巨型计算机一般用于航天、气象、能源等领域中的尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。生产巨型计算机的公司有美国的Cray公司、TMC公司，日本的富士通公司、日立公司等，我国研制的银河机也属于巨型计算机，银河1号为亿次机，银河2号为十亿次机。微型计算机简称微型机或微机，它是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机，其特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。性能介于巨型计算机和微型计算机之间的就是大型计算机、小型计算机、工作站，它们的性能指标和结构规模则相应地依次递减。

2.按计算机的使用范围分类

（1）通用计算机。

（2）专用计算机。

通常人们所说的计算机指的是通用计算机，它适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等。专用计算机是专门为了解决某一特定问题而设计制造的电子计算机，它一般拥有固定的存储程序，也就是计算机运行的程序是固定不变的，效率较高，速度较快，精度较好。如控制轧钢过程的轧钢控制计算机，计算导弹弹道的专用计算机。

3.按计算机处理数据的形态分类

（1）数字计算机。

（2）模拟计算机。

（3）混合计算机。

模拟式电子计算机（简称模拟计算机）问世较早，内部所使用的电信号模拟自然界的实际信号，因而称为模拟电信号。模拟式电子计算机处理问题的精度差；所有的处理过程均需模拟电路来实现，电路结构复杂，抗外界干扰能力极差。数字式电子计算机（简称数字计算机）是当今世界电子计算机行业中的主流，其内部处理的是一种称为符号信号或数字信号的电信号，一般不特别说明，计算机指的都是数字式电子计算机，它的主要特点是“离散”，在相邻的两个符号之间不可能有第三种符号存在。由于这种处理信号的差异，使得它的组成结构和性能都优于模拟式电子计算机。

其中，数字计算机按构成的器件划分，曾有机械式计算机和机电式计算机，包括现用的电子计算机，正在研究的光计算机、量子计算机、生物计算机、神经计算机等。

2017年5月3日，计算机领域迎来了一个振奋人心的消息：世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生了！这标志着我国的量子计算机研究领域已迈入世界先进水平行列。这台光量子计算机是由中国科技大学、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发的。

中国科技大学潘建伟院士科研团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。这台光量子计算机标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得了突破性进展，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础。