计算机硬件系统教学课件

计算机硬件系统教学课件计算机硬件系统概述在深入探讨计算机的内部世界之前，我们首先需要明确什么是硬件简单来说，硬件（Hardware）是构成计算机的所有物理组件的总称它是看得见、摸得着的实体部分，为软件的运行提供了必要的物理平台硬件与软件的区别硬件是计算机的“身体”，而软件（Software）则是其“灵魂”软件是一系列指令和数据的集合，它告诉硬件如何工作没有软件，硬件只是一堆没有生命的金属和塑料；没有硬件，软件则无法运行硬件的基本分类根据功能，硬件通常被划分为三个主要部分输入设备用于向计算机输入数据和指令，如键盘、鼠标输出设备用于向用户展示处理结果，如显示器、打印机冯诺依曼体系结构下的计算机系统组成·现代计算机大多基于冯·诺依曼体系结构该结构的核心思想是“存储程序控制”，即将程序指令和数据一同存放在存储器中，计算机能自动执行指令一个完整的计算机硬件系统通常由以下五个核心部分组成，它们协同工作，完成复杂的计算任务主存储器RAM中央处理器CPU也称为内存，用于临时存放CPU要执行的程序和数据它的读写速度直接影响计算机的运行计算机的运算核心和控制核心，负责执行指效率令、处理数据，是决定计算机性能的关键部件辅助存储器用于长期存储数据和程序，如硬盘、固态硬盘SSD等与内存不同，它在断电后仍能输出设备保存数据输入设备将外部世界的信息（如文字、图像、声音）转换为计算机可以识别的数字信号的设备系统单元内部结构探秘系统单元（主机箱）是计算机的中枢神经系统，其内部集成了所有核心处理组件打开主机箱，我们可以看到一块复杂的电路板，上面布满了各种芯片、插槽和接口，所有组件都围绕它协同工作让我们一窥其内部的奥秘主板处理器内存条Motherboard CPURAM计算机的骨架，连接着CPU、内存、硬盘、安装在主板的特定插座上，是执行计算和控插入主板的内存插槽中，为正在运行的程序显卡等所有硬件，是数据交换的平台制的核心部件提供临时存储空间扩展卡电源供应器PSU如显卡、声卡、网卡等，通过主板的扩展插槽连接，以增强或扩展计算机的功能主板硬件的沟通桥梁主板（Motherboard），又称母板或系统板，是计算机最基本也是最重要的部件之一它是一块大型的印刷电路板（PCB），其核心功能是作为平台，将计算机的所有硬件组件（如CPU、内存、硬盘、显卡等）连接在一起，并为它们提供电力和数据传输的通道，确保它们能够协同工作主板的主要部件芯片组（Chipset）主板的“神经中枢”，负责协调CPU与其他组件之间的数据流通常分为北桥和南桥（现代架构多已集成到CPU中）插槽（Slots）用于安装CPU、内存条（RAM）和扩展卡不同类型的插槽对应不同规格的硬件接口（Ports/Connectors）用于连接内部设备（如硬盘、电源）和外部设备（如鼠标、键盘、显示器）的端口常见的扩展插槽类型扩展插槽允许用户添加新的功能模块，提升计算机性能PCI PeripheralComponent Interconnect一种较早的总线标准，用于连接声卡、网卡等低速设备PCIe PCIExpress目前的主流标准，提供比PCI高得多的数据传输速率，广泛用于连接高性能显卡、高速固态硬盘等中央处理器（）计算机的核心CPU大脑中央处理器（Central ProcessingUnit），简称CPU，是计算机中最重要的芯片它被誉为计算机的“核心大脑”，因为它负责解释和执行程序中的绝大部分指令，并对计算机系统中的所有硬件资源进行控制和调度计算机的性能，尤其是在处理复杂任务和运行大型软件时的速度，在很大程度上取决于CPU的性能核心功能执行指令控制系统运作CPU的核心任务是执行存储在内存中的指令序CPU内的控制单元协调和管理计算机所有其他列这些指令告诉计算机要执行什么操作，例部件的活动，确保数据在正确的时间被发送到如进行数学计算、移动数据或做出逻辑判断正确的地点两大基本组成结构详解三大核心组件CPU为了高效地执行任务，CPU内部被划分为几个功能明确的区域理解这些组件的作用，有助于我们揭开CPU工作的神秘面纱其内部结构虽然极其复杂，但主要可以归结为三个核心部分控制单元、算术逻辑单元和寄存器控制单元Control Unit,CU1算术逻辑单元Arithmetic LogicUnit,ALU2寄存器Registers3控制单元算术逻辑单元寄存器CU ALURegisters它是CPU的指挥中心，负责从内存中获取指令这是CPU的计算中心所有算术运算（如加、这是位于CPU内部的极小容量但速度极快的高（取指），然后对指令进行分析和解释（解减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非、比速存储区域它们用于临时存储指令、数据和码），最后发出控制信号，指挥计算机的其他较）都在ALU中进行ALU从寄存器中获取数计算结果由于寄存器直接集成在CPU内部，部分执行相应的操作它不进行实际的运算，据，执行计算，并将结果存回寄存器其访问速度远快于主内存（RAM），是CPU能但掌管着整个指令执行的流程够高效工作的基础的工作原理指令周期CPUCPU执行程序的过程是一个周而复始的循环，这个循环被称为“指令周期”或“机器周期”每一个指令的执行都遵循一个基本流程，可以分解为四个主要步骤这个过程以极高的速度不断重复，每秒可达数十亿次，从而实现了程序的运行取指

1.Fetch控制单元根据程序计数器（PC）中存储的地址，从主存储器（RAM）中读取下一条将要执行的指令，并将其存放在指令寄存器中解码

2.Decode控制单元对指令寄存器中的指令进行分析和解释，确定该指令要执行何种操作（如加法、数据移动等），并识别出操作所需的数据地址执行

3.Execute控制单元发出控制信号，激活算术逻辑单元（ALU）或其他相关部件ALU根据指令的要求，对数据进行算术或逻辑运算写回

4.Store/Write-back执行步骤产生的结果被传送回主存储器或CPU内部的寄存器中，以便后续指令使用完成写回后，程序计数器更新，指向下一条指令，整个周期重新开始主存储器（）计算机的临时工作台RAM主存储器，通常指随机存取存储器（Random AccessMemory,RAM），是计算机中用于临时存储数据和程序的关键组件它就像一个高速的工作台，CPU在上面处理当前正在运行的应用程序和操作系统数据RAM的读写速度非常快，是保证计算机流畅运行的先决条件的核心特性易失性RAMRAM是一种“易失性”存储器这意味着它需要持续的电源供应来维持存储的数据一旦计算机断电或关机，RAM中存储的所有信息都会立即丢失这也是为什么我们需要将工作成果“保存”到硬盘等非易失性存储设备中容量与性能RAM的容量决定了计算机可以同时运行多少程序以及处理多大的数据文件容量越大，系统运行越流畅，尤其是在进行多任务处理或运行大型软件（如视频编辑、3D建模）时目前，个人电脑的RAM容量通常在8GB到32GB之间，而专业工作站或服务器则可能需要64GB甚至更多只读存储器（）系统启动的基石ROM只读存储器（Read-Only Memory,ROM）是另一种重要的计算机存储器与RAM不同，ROM是一种“非易失性”存储器，其存储的数据在断电后不会丢失它的主要特点是数据一旦写入，通常就不能被用户轻易修改或删除，主要用于“读取”的核心功能ROMROM芯片中固化了对计算机系统至关重要的程序和数据这些程序在计算机启动时最先被执行，负责初始化和检测硬件、加载操作系统存储固件（Firmware）ROM存储了被称为固件的特殊软件启动引导程序其中最重要的固件就是BIOS（基本输入输出系统）或其现代替代品UEFI它负责开机自检（POST），并从硬盘中找到操作系统并加载到RAM中永久性存储由于其非易失性，ROM确保了即使在完全断电后，计算机也知道如何“唤醒”自己ROM是计算机硬件与操作系统之间的桥梁，确保了系统能够稳定、正确地启动辅助存储设备数据的永久家园由于主存储器（RAM）是易失性的，计算机需要一种能够长期、大容量存储数据和程序的设备，这就是辅助存储设备，也常被称为外部存储器或二级存储它们在断电后依然能保存数据，是所有文件、应用程序和操作系统的永久存放地硬盘驱动器固态硬盘光盘驱动器HDD SSDCD/DVD/Blu-ray传统机械硬盘通过在旋转的磁性盘片上读写数据来工使用闪存芯片（类似于U盘）来存储数据，没有机械运通过激光来读取或写入光盘上的数据虽然现在已不作它的优点是单位容量成本低，适合存储大量数动部件其读写速度远超HDD，能显著提升系统启动常见，但在过去是软件分发和数据备份的重要媒介据缺点是速度较慢，且对物理冲击敏感和程序加载速度缺点是单位容量成本较高主要用于读取旧的软件、音乐或电影光盘存储容量单位与二进制基础在数字世界中，所有信息最终都以二进制的形式表示理解数据是如何存储和计量的，是掌握计算机硬件知识的基础计算机只认识0和1，这是构成所有复杂数据和指令的最小单位基本单位位与字节容量单位的换算位bit:二进制位，是计算机中数据存储的最小单位一个位只能表示0或1两种状态由于计算机内部使用二进制计数，存储容量的单位换算基于2的10次方，即1024字节Byte:字节是计算机数据处理的基本单位通常规定1字节=8位1B=8b一个字节可以表KB Kilobyte1KB=1024B示256（2^8）种不同的状态，足以表示一个英文字母、数字或符号MB Megabyte1MB=1024KBGB Gigabyte1GB=1024MBTB Terabyte1TB=1024GB需要注意的是，硬盘制造商有时会使用1000作为换算基数来计算容量，这导致操作系统中显示的容量会比标称容量略小输入设备人机交互的起点输入设备是用户与计算机进行沟通的桥梁它们的主要功能是将人类可识别的信息（如文字、声音、图像、动作）转换成计算机可以理解和处理的二进制数据流没有输入设备，我们无法向计算机下达指令或提供数据键盘鼠标扫描仪Keyboard MouseScanner最基本、最常用的字符输入设备，用图形用户界面（GUI）下的标准定位设将纸质文档、照片等物理图像转换为于输入文字、数字和控制命令备，用于控制屏幕上的光标，进行选数字图像文件的设备择、点击、拖拽等操作麦克风触摸屏手写笔Microphone/将声音信号转换为电信号，从而实现允许用户通过手指或专用笔直接在屏录音、语音识别和语音通话等功能幕上进行操作和输入，集输入与输出功能于一体输出设备呈现计算结果的窗口输出设备的作用与输入设备相反，它们负责将计算机内部经过处理的二进制数据，转换成人类能够感知和理解的形式，如视觉图像、文字、声音等输出设备是我们查看工作成果、享受数字娱乐的最终媒介显示器打印机Monitor Printer最主要的视觉输出设备，用于实时显示文本、图像和视频根据技术不同，可分为CRT（阴极射将计算机中的文本和图像等数字内容输出到纸张等物理介质上常见的有喷墨打印机和激光打印线管，已淘汰）、LCD（液晶显示器）和LED（发光二极管，通常指LED背光的LCD）以及更先进机的OLED等音箱耳机多媒体投影仪/Speakers/Headphones Projector将数字音频信号转换为声波，让我们能够听到音乐、音效和对话将计算机屏幕上的图像放大并投射到大屏幕或墙壁上，适用于会议、教学和家庭影院通信设备连接世界的纽带在信息化时代，单机运行的计算机已无法满足需求通信设备是计算机与外部网络（如互联网）或其他计算机进行数据交换的关键硬件它们负责将计算机的数字信号转换成适合在网络线路中传输的信号，反之亦然，从而实现远程通信和资源共享网卡Network InterfaceCard,NIC也称为网络适配器，是计算机连接到局域网（LAN）的必备设备它提供一个物理接口（如RJ-45端口或无线天线）用于连接网络有线网卡通过网线连接，提供稳定高速的连接；无线网卡（Wi-Fi卡）则通过无线电波连接到无线路由器，提供更大的灵活性调制解调器Modem“Modem”是调制（Modulator）和解调（Demodulator）的缩写它的作用是将计算机的数字信号调制成适合在电话线、光纤或同轴电缆上传输的模拟信号；同时，将接收到的模拟信号解调回计算机可以识别的数字信号它是家庭或办公室接入互联网服务提供商（ISP）网络的桥梁路由器Router路由器是一种网络设备，它可以在多个网络（如你的家庭局域网和互联网）之间转发数据包它能让你家里的多台设备（电脑、手机、智能电视等）共享同一个互联网连接，并负责管理这些设备之间的通信现代家用路由器通常集成了Modem、路由器和无线接入点的功能计算机总线系统信息高速公路总线（Bus）是贯穿于整个计算机系统内部的一组公共通信线路，是所有硬件组件之间传输信息（数据、指令、地址）的共享通道可以把它想象成一个城市里的公交系统或高速公路网，CPU、内存、硬盘以及各种输入输出设备都通过这个网络进行数据交换总线的分类根据传输内容的不同，总线通常被分为三类，它们协同工作，构成了完整的数据传输体系数据总线地址总线Data BusAddress Bus用于在CPU和内存、输入输出设备之间传专门用来传送地址信息当CPU需要从内送数据信息数据总线的宽度（例如32存或某个设备读写数据时，它会通过地址位、64位）决定了CPU一次可以传输的数总线发送一个地址信号，指定数据存放的据量，是影响系统性能的关键因素位置地址总线的宽度决定了CPU可以访问的内存空间大小控制总线Control Bus用于传输控制信号和时序信号CPU通过控制总线向其他部件发出指令（如读、写信号），并接收来自其他部件的状态信号（如中断请求），以协调整个系统的工作。