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微课
暑假，小龙来到表哥家做客，发现表哥家中有一台外观十分炫酷的计算机。作为计算机专业的学生，小龙充满羡慕和好奇。虽然他已经知道了计算机是如何诞生的，但还不知道一台完整的计算机是由哪些零部件构成的。表哥决定带领小龙一起了解计算机系统的组成。
1.了解计算机系统的组成；
2.能正确识别计算机硬件系统中的部件；
3.理解冯·诺依曼原理的三大要点；
4.掌握计算机的基本工作原理；
5.理解计算机硬件系统与计算机软件系统的关系。
计算机系统（Computer System）是指用于数据库管理的计算机硬件、软件及网络系统的集合。计算机系统主要由硬件系统和软件系统两大部分组成，如图2-1-1所示。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，主要指一些机械部件等实体。软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各类程序、数据以及文档的总称，它可以提高计算机的工作效率，增强计算机的实用性并扩大其功能。
1.主机部分
● 中央处理器：又称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU，图2-1-2），是一块超大规模集成电路，由运算器和控制器两部分组成，它是计算机的核心组成部件之一。运算器的主要功能是对二进制数据进行算术运算和逻辑运算，所以也称为算术逻辑单元。控制器则执行程序代码，发出控制信号，指挥计算机各部件协调工作，以完成数据处理任务，是整个计算机的控制枢纽。
图2-1-1 计算机系统的组成
图2-1-2 CPU
● 内部存储器：又称为主存储器，是CPU能直接访问的存储器（简称内存），按其读写功能，可分为读写存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。我们常说的内存多指读写存储器，表示既可以从中读取数据，也可以写入数据，如图2-1-3所示。
图2-1-3 内存
中央处理器和内存是构成计算机硬件系统主机部分的重要部件。
● 中央处理器（CPU）的型号是决定一台计算机运算速度的主要因素，相当于人类的大脑。
● 寄存器集成在CPU内部，用来存放即刻要执行的指令和使用的数据，速度一般与CPU匹配。
● 读写存储器（RAM）又称随机存储器，它的存储空间大小可以影响整个计算机系统的运行速度，好比人类的心脏。RAM的最大特点是数据会在计算机系统断电后丢失，因此被称为随机存储器。
● 只读存储器（ROM）在制造的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存，这些信息只能读，一般不能写入，即使停电，这些数据也不会丢失。ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据。
填写随机存储器和只读存储器的特征和区别。
除CPU和内存以外，主机部分一般还包括：机箱、电源、主板、显卡、网卡、声卡、CPU散热器等硬件设备。
● 机箱：主机的外壳，为主机内的部件提供一个稳固的安装支架，同时免受外界电磁场的干扰。通常用钢板和塑料结合制成，如图2-1-4所示。机箱主要由前面板和后面板组成，一般包括外壳、支架、面板上的各种开关、指示灯等部分。
● 电源：也称为电源供应器，是计算机必备的器件，其主要任务是将220 V的交流电转换为计算机使用的直流电。一般安装在计算机机箱内，为计算机的众多部件提供电源，如图2-1-5所示。
图2-1-4 机箱
图2-1-5 电源
● 主板：又称主机板、系统板以及母板，是承载CPU、内存并提供扩展槽和外设接口的电路板，如图2-1-6所示。主板能提供一系列接合点，用于处理器、显卡、声卡、硬盘、存储器、外部设备等设备的接合。主板的类型和档次决定了整个微机系统的类型和档次，主板的性能会影响整个计算机系统的性能。
图2-1-6 主板
● CPU散热器：将CPU产生的热量传递至机箱外，是保持CPU稳定运行的散热装置，通常由散热片、风扇和散热材料组成，如图2-1-7所示。主机箱内需要散热的部件很多，如CPU、显卡、主板芯片、内存等都需要散热，但一般会单独配置的是CPU的散热器，也是计算机系统最常见的散热装置。
图2-1-7 CPU散热器
图2-1-8 显卡
● 显卡：全称为显示接口卡，又称显示适配器、图形加速卡，是主机与显示器之间连接的“桥梁”，其作用是将主机的显示信号送到显示器，它的性能优劣直接影响计算机的显示品质，如图2-1-8所示。显卡可分为核芯显卡、集成显卡和独立显卡三类。
● 网卡：一块被设计用来允许计算机在网络上进行通信的硬件。它使得用户可以通过电缆或无线信号连接到Internet，从而获得网络信息。根据是否连线，网卡可分为有线网卡和无线网卡两种，如图2-1-9和图2-1-10所示。根据主板是否集成，网卡可分为独立网卡和集成式网卡。
图2-1-9 有线网卡
图2-1-10 无线网卡
● 声卡：也称为音频卡（声音适配器），是计算机多媒体系统中最基本的组成部分，是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件。声卡的基本功能是把来自话筒、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，如图2-1-11所示。
图2-1-11 声卡
以下是构成计算机硬件系统的常见部件，请你查找相关资料，描述各部件的特征和作用。
续表
2.外部设备
● 外部存储器：中央处理器不能直接访问的存储器，也称为辅助存储器，一般容量较大，速度比内存慢。外部存储器中的信息必须调入内存后才能被中央处理器处理。常用的外部存储器有硬盘、光盘、U盘等。
硬盘：计算机中容量最大的外部存储器，用来存储大量和永久性的数据。硬盘是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，按其内部构造的不同，可分为固态硬盘（Solid State Drive，SSD，新式硬盘，图2-1-12）、机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD，传统硬盘，图2-1-13）、混合硬盘（Hybrid Hard Drive，HHD）三种。固态硬盘采用闪存颗粒来存储数据，机械硬盘采用磁性碟片来存储数据，而混合硬盘是把磁性碟片和闪存颗粒集成到一起的一种硬盘。
光盘：一种以光信息作为存储载体来存储数据的存储设备，如图2-1-14所示。一张CD光盘的容量为650～800 MB，一张单层的DVD光盘的容量可达4.7 GB。目前主流的是BD光盘（即蓝光光盘，容量可高达50 GB）。根据使用的光盘驱动器不同，光盘可分为可读写的光盘（如CD-RAM、DVD-RAM等）和只能读不能写的光盘（如CD-ROM、DVD ROM等）。
图2-1-12 固态硬盘
图2-1-13 机械硬盘
U盘：又称优盘，中文全称为“USB 闪存盘 ”，是一种小型的移动存储设备，通过USB接口与计算机连接，实现即插即用。U盘主要用于存储照片、资料、音视频等，一般只有拇指大小，如图2-1-15所示。U盘主要由外壳与机芯两部分组成，因其有占用空间小、传输速度快、存储容量大、价格便宜、性能可靠等优点被人们广泛使用。
图2-1-14 光盘
图2-1-15 U盘
图2-1-16 移动硬盘
移动硬盘：一种以硬盘为存储介质，在计算机之间交换大容量数据，强调便携性的存储设备，如图2-1-16所示。其主要采用USB或IEEE1394接口，可以随时插拔，体积小巧，便于携带，可以较高的速度与系统进行数据传输。网盘：由互联网公司推出的在线存储服务，又称网络U盘、网络硬盘。我们可以把网盘看成一个放在网络上的U盘或硬盘，不管你身在何处，只要能连接到Internet网络，就可以在线管理、编辑网盘里的数据和文件，不需要随身携带，更不怕数据丢失，实现在线读取及使用。
计算机系统中常见的外部存储器有多种，请你查找相关资料，填写下列表格。
● 输入设备：用户或其他设备向计算机输入数据和信息的机械部件，是用户和计算机系统之间进行信息交互的主要设备之一。常见的输入设备有键盘、鼠标等。
键盘（Keyboard）：计算机最常用的，也是最主要的输入设备，用于向计算机输入指令和数据。台式机的键盘可以根据按键数、按键工作原理、键盘外形等进行分类。键盘的按键数曾出现过83键、87键、93键、96键、101键、102键、104键、107键等。常规的键盘按键有机械式按键和电容式按键两种。键盘按外形可分为标准键盘（图2-1-17）和人体工程学键盘（图2-1-18）。键盘按照连接方式可分为有线键盘和无线键盘两种，有线键盘的接口以PS/2和USB为主，最常用的是USB接口。如今，市场上的夜光键盘（图2-1-19）非常受欢迎。
图2-1-17 标准键盘
图2-1-18 人体工程学键盘
图2-1-19 夜光键盘
鼠标：计算机的一种外接输入设备，因外形似老鼠而得名，是计算机显示系统纵横坐标定位的指示器。鼠标的使用可以使计算机的操作更加简便快捷，主要代替键盘烦琐的指令。鼠标按其内部构造可分为机械式鼠标（图2-1-20）和光电式鼠标（图2-1-21）两种。鼠标按有无连接线又可分为有线鼠标（接口以PS/2和USB为主）和无线鼠标（图2-1-22）。
图2-1-20 机械式鼠标
图2-1-21 光电式鼠标
图2-1-22 无线鼠标
请你说说身边还有哪些电子设备属于输入设备。
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计算机系统中常见的输入设备有多种，请你查找相关资料，填写下列表格。
● 输出设备：将计算机内部各种计算数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来，实现数据的输出显示、打印、声音播放等，是计算机硬件系统的终端设备。常见的输出设备有显示器、打印机、音箱、耳麦等。
显示器：一种接收计算机内部信号并形成图像的电子输出装置，是计算机的标准输出设备。它可以将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上，再反射成人眼可见的图像。目前，显示器有液晶（LCD）显示器（图2-1-23）、LED显示屏（图2-1-24）和3D显示器等。现在使用最多的是液晶显示器，而3D显示器一直被公认为显示技术发展的终极梦想。
图2-1-23 液晶显示器
图2-1-24 LED显示屏
请你查找相关资料，了解LCD显示器和LED显示屏的特点，填写下列表格。
打印机：用于将计算机处理的结果打印在相关介质上。常见的打印机有针式打印机（2-1-25）、喷墨打印机（图2-1-26）、激光打印机（图2-1-27）三种。针式打印机成本最低，打印介质广，但打印质量差，噪声大；喷墨打印机价格低，噪声较小，打印速度快，打印质量好，但对打印纸张要求较高，打印成本较高；激光打印机打印速度快，打印质量好，噪声小，但价格昂贵，打印成本较高。
图2-1-25 针式打印机
图2-1-26 喷墨打印机
图2-1-27 激光打印机
3D打印技术：由计算机辅助设计模型（Computer Aided Design，CAD）直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料，在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理实体的技术。通过3D打印设备分层堆积，最后可以形成一个三维的实物。该技术已经在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗、教育以及其他领域得到广泛应用。3D打印需要使用专用的3D打印机，如图2-1-28所示。
2020年5月5日，中国首飞成功的长征五号B运载火箭上搭载着“3D打印机”。这是中国首次开展太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验，如图2-1-29所示。
图2-1-28 3D打印机”
图2-1-29 我国第一次太空“3D打印”
音箱：把音频电能转换成相应的声能，并把它辐射到空间中，是一种用于输出声音的设备。音箱按有无接线可分为有线音箱（图2-1-30）和无线音箱（图2-1-31）。
图2-1-31 无线音箱
图2-1-30 有线音箱
耳麦：耳机和麦克风的集合。麦克风用于接收声音，耳机用于播放声音。耳麦按有无接线可以分为有线耳麦（图2-1-32）和无线耳麦（图2-1-33）。
图2-1-32 有线耳麦
图2-1-33 无线耳麦
请你说说身边还有哪些电子设备属于输出设备。
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计算机系统中常见的输出设备有多种，请你查找相关资料，填写下列表格。
3.计算机基本结构原理
1945年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出电子计算机基本硬件结构由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成。计算机在运行时，先从计算机内存中取出指令代码（由二进制组成），通过控制器的译码，按指令的要求再从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等处理，然后再把结果存入内存中指定的地址。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作，依此进行下去，直至指令完结。那么，数据和程序主要存储在计算机的存储器中，计算机就在程序的控制和指挥下自动协调、完成数据的处理工作。
计算机基本工作原理可以理解为：首先输入程序和数据，调入内存储器中暂时保存，按计算机内部的存取指令执行操作，最后计算机根据指令自动地完成相关工作。计算机数据处理基本流程如图2-1-34所示。
图2-1-34 计算机数据处理基本流程
现代计算机硬件系统大部分都是建立在冯·诺依曼体系结构之上的，因此，计算机基本结构原理又被称为冯·诺依曼原理。冯·诺依曼原理最重要的三大要点基本可以总结如下：
● 计算机基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。
● 计算机内部的指令代码采用二进制形式存储。
● 数据和程序存储在计算机内部，计算机在程序的控制和指挥下自动协调工作。
笔记本电脑虽然在外观上和台式机有着很大差异，但是内部构造其实相差无几，都是由计算机基本硬件系统的五大部分构成。现阶段笔记本电脑采用全内置方式，硬盘、内存、电池、显卡、光驱等以接口的方式与主体相连，体积小，携带方便，在框架设计工艺上也更加精细。
4.硬件系统和软件系统的关系
计算机的硬件系统和软件系统缺一不可。硬件建立了计算机能运行的物质基础，它的档次决定了计算机性能的高低；而计算机能否完成某一任务，取决于是否有合适的软件。只有硬件而没有配备任何软件的计算机，被称为“裸机”。
与计算机硬件系统直接接触的是操作系统，它处于硬件与其他软件之间，表示它可以向下控制硬件，向上支持其他软件。在操作系统之外的各层分别是语言处理程序、数据库管理系统、各种功能软件，最外层才是用户最终使用的应用软件。计算机硬件系统和软件系统的关系层次如图2-1-35所示。
图2-1-35 计算机硬件系统和软件系统的关系层次图
活动1 计算机硬件系统中的常见外部设备有哪些？请你查找相关资料，独自完成下表。
活动2 计算机基本硬件系统由五大部分组成，请你根据所学内容，独自完成下表。
活动3 请你列出常见家用计算机的基本硬件。——————————————————————————
通过本任务的学习，小龙同学感触颇深，立志要像表哥一样成为一名计算机行业的专业技术人才。请你根据所学专业以及自身实际情况，填写下列表格。
回顾本任务的学习e情况，根据评价内容填写掌握程度，并填写自我反思表。
