计算机硬件计算机硬件是指计算机上固定的部件，也就是“看得见”的部件。这个说法也许显得笼统。举例来说吧：你看得见的，桌子上的显示器，就是计算机硬件。然后放在下面或旁边的那个大大的长方的东西，是计算机主机。你用来打字的计算机键盘。一般还会有一个鼠标。这些是最常见的计算机硬件。 计算机硬件主要有三类：CPU（中央处理单元）、存储器、输入输出设备。以 2000 年常见的计算机为例，这三类设备分别有：奔腾 II 代 450 兆赫兹处理器 CPU，64 兆字节内存（内部存储器）、13 GB 硬盘存储器、1.44 MB 软盘驱动器、700 MB CDROM 光盘驱动器（这些都是外部存储器），键盘、鼠标作为输入设备，显示器、打印机作为输出设备。 不同的年代硬件各不相同。以前 286 时代的 80286 CPU 通常只有 12 MHz（兆赫兹，CPU 主频的度量单位，一兆等于一百万），内存可能只有 640 KB（千字节，一字节是二进制的 8 位），可能不配硬盘，只有 1.2 MB（兆字节）五寸软盘驱动器。后来 386 时代 33 MHz CPU，2 MB 内存，4 倍速 CDROM 驱动器。当时 66 MHz，32 MB 内存的 486 是相当高级的了。2009 年的计算机是什么配置呢？四核 2 GHz CPU，4 GB 内存，1 TB 硬盘。这在十几年前恐怕是想像不到的。 现在，让我们来看看计算机主机里面有些什么东西。如果你打开机箱盖，就可以看见里面的一个个部件。当然你没有看见也没关系，就听我说吧。 CPU用来执行计算的部件叫 CPU。CPU 的中文名称是“中央处理器”。它是计算机的核心部件。它有两个任务：计算和控制。计算就是加减乘除等计算。其他复杂的计算比如 sin、log 等，都可以从这四则运算的复合来完成。要注意在计算机中 sin、log 等函数的计算之所以可以由四则运算来复合而成，是因为一般科学计算不要求是完全精确的。当然如果要保留精确的计算结果也是可能的，可以用数学软件来实现，这是题外话。在运算的时候，要进行取数、写数、跳转到下一条指令等等操作。这些操作就是由 CPU 来控制的。所以 CPU 也有控制的功能。 事实上，CPU 中计算部件和控制部件是两个独立的部件，但是因为它们一般都做在一起，而且两者的速度也必须一致，才能好好配合一起工作，所以它们就在一起被称为“中央处理器”了。 前面说了 CPU 能控制与计算，为了完成这些工作，CPU 要记录其工作时的状态，也要记录其工作时的临时数据。记录状态有其特定的电路。记录临时数据则是通过“寄存器”这样一种存储装置完成的。 这里再介绍一下“微芯片”的概念。如果你见过 CPU，它的个儿看上去有半个手掌那么大，但它里面的电路的面积更小，所以它被称为“微处理器”，或者说是一种“微芯片”。“微软公司”起名时候，比尔·盖茨就以做“微芯片”电脑上的软件为使命。我小时候，在听见学校老师说“微机”的时候，也错以为“微型”指的是那么大个机箱——我想，那么大个机箱，怎么是“微机”呢？ 内存让我们来看看和 CPU 关系密切的东西——内存。所谓内存，即“内部存储器”。为什么叫“内部”，是因为还有相应的概念叫“外部存储器”，如磁盘之类。内存是用来干什么的呢？内存是计算机打开电源开机启动后存放数据的地方。它是由半导体做的，一般速度挺快，但是出于成本考虑，不值得做得很快，所以还是比 CPU 慢上不少。一般，内存的速度是 CPU 的 25 分之一到 50 分之一。 内存与 CPU 是怎样配合工作的呢？是这样的：CPU 在启动后从内存的一个固定位置开始，读一条指令，执行一条指令。当执行的指令里面有数据操作，比如读取、写入、计算等，CPU 便执行相应的操作。如果这指令中有读写操作，那么 CPU 又要内存帮忙了。所以没有内存，CPU 是难以发挥功效的。 为了加速内存读写，在 CPU 与内存之间，通常会有两级缓存。所谓缓存，全称是“高速缓冲存储器”，它的速度比内存快很多，但是类型不同。内存的类型是 DRAM，它是动态随机存取存储器。缓存的类型是 SRAM，它是静态随机存储器。SRAM 比 DRAM 速度快很多，但是同样容量情况下价格也要贵很多，这是因为它们的电路复杂的缘故，比如 SRAM 被设计为“相联存储”结构，使得缓存访问速度非常快，因此一级缓存的访问速度通常是 CPU 速度的二分之一，二级缓存更慢些。 我们可以看到，数据和程序指令都保存在内存中。那么内存一般有多大容量呢？老一点的计算机，比如 80 年代的一些，有的内存小到只有几十千字节，而新一点的计算机，比如 2004 年的，有的大到有五百兆字节。两者相差一万倍左右。字节是什么单位呢？一字节是 8 位二进制数（或二进位数）。什么叫二进制数呢？就是逢二进一。我们一般用的数字是十进制数，是逢十进一的。你只要在数数的时候把逢十进一换成逢二进一，就知道什么是二进制数了。什么叫“兆”呢？计算机概念中的“兆”一般是指一百万。当然中国以前是把一万亿作为“兆”的，但是在计算机概念中这个不一样，这要注意。计算机中一兆还可能表示 1048576，即 2 的 20 次方，所以这个概念是有一些混淆的。为了避免混淆，一种方法是用 K、M、G 表示 10 的 3 次方、6 次方和 9 次方，而用 Ki、Mi、Gi 表示 2 的 10 次方、20 次方和 30 次方。 主板CPU 和内存我们都简要地了解过了。现在我们要讲一个大的电路板，这个电路板是连接 CPU、内存以及其他计算机硬件的桥梁。这就是主板。主板，英文名叫 Motherboard，也可以翻译成“母板”。它负责连接各个计算机硬件。CPU 和内存是通过主板连接的，硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器、显示适配卡、声卡、网卡、USB 接口等都是连接在主板上的。所以主板是计算机里面最大的一块板。 这块板由什么组成呢？首先就是一块电路板了，这是必不可少的。除了电路板之外，上面一定还有很多电路，包括很多集成电路。主要的集成电路有：南桥、北桥芯片，BIOS 等等。南桥、北桥芯片分别是连接板卡与 CPU、内存与 CPU 的。BIOS 则是系统启动时候的基本输入输出控制程序，它提供一些常用的基本输入输出功能给操作系统及应用程序。同时，它也负责系统自检和系统引导。 除了这些电路之外，还有很多接口。最常见的接口是 PCI 接口。这些接口是用于连接板卡的。PCI 接口在 486 至 Pentium 4（奔腾四）的电脑上用得都很多。在我所用的 Pentium II 的电脑上，PCI 接口一般用于连接声卡、网卡等板卡。显示卡则一般使用 AGP 接口来连接。之所以用 AGP 接口是因为它是一种比 PCI 更快速的接口标准。对于显示卡这样的快速设备，用 AGP 接口连接更为合适。当然，在比 486 更老的电脑上，一般使用 ISA 接口来连接这些板卡。而新的奔四机上的 PCI Express 接口则速度更快，超过了 AGP。 一般 PCI 接口与 ISA 接口、AGP 接口都是排在一起的。另外还有一些其他的接口。一类是连接核心部件的：到 CPU 的接口和到内存的接口。有的主板还有连接到测量 CPU 温度的热敏电阻的接口呢。另一类是非核心的，比如电源接口、PC 扬声器的接口、到硬盘、软驱的接口等等。除了这些在机箱内部的接口外，还有一些在机箱背面可以看见的接口，比如 9 针的 COM 接口，25 针的 LPT 接口及键盘、鼠标接口等等。 在主板上运行的设备，其运行速度各不相同。这些不同速度的设备之间的通信，都要靠主板来协调。所以一块好的主板是电脑良好运行的保证。以我所用的 Pentium II 450MHz CPU 为例，它在运行时，频率为 450MHz。然而，它的二级缓存的速度是它的运行速度的一半，为 225MHz。内存的运行速度是 100MHz（这是根据 CPU 的运行速度及 CPU 规定的频率倍数而定的；我的 CPU 的频率倍数是 4.5，所以内存的运行速度是 450 / 4.5 = 100）。声卡、网卡等 PCI 设备的运行速度是 66MHz（这是确定的）。显示卡的运行速度是多少我还不清楚。连接硬盘用的是 IDE 接口。我的主板支持 UDMA 33。但我不清楚硬盘的连接线的速度标准是多少。 接下去我们来看看非核心的计算机硬件。 硬盘在前面我们讲到了内存。内存是“内部存储器”。现在我们要讲的硬盘是一种“外存”，外部存储器。硬盘是一种比较复杂的电动存储器。它主要由盘片、马达、磁头和电路组成。从外表来看，它是一个长方体状的东西。在它的底面，有一块绿色的电路板。这个电路板上有它的控制电路和传输电路。在这个长方体的里面，有它的盘片、马达和磁头。它的盘片一般是铝质的或者玻璃的，上面有一层磁介质。硬盘一般有好几张盘片，通过一根轴连接在一起。马达也是连在这根轴上的。在硬盘运行时，马达会带动所有的盘片一起旋转起来。硬盘旋转的速度非常快。在 2000 年左右，市场上常见的硬盘转速有 3600 转/分钟、4500 转/分钟、5400 转/分钟和 7200 转/分钟。新出现的硬盘还有 10800 转/分钟、15000 转/分钟这样更高的转速。 在这样高的转速下，盘片的表面会生成一层很薄的“空气垫子”。这层空气垫子的厚度比头发丝的宽度还小。磁头就借助这层空气垫子，在磁盘表面离开磁盘很近的地方读取数据。可以想像，只要磁盘表面有一点点不平，磁头就会碰到磁盘，从而在如此高的转速下造成磁盘的损坏。并且，过大的震动也有可能让磁头碰上磁盘，所以使用硬盘的时候千万要小心，别让它遇到大的震动。就算关机后，磁头也可能需要一些秒数才能停到安全区，所以关机后半分钟内也最好不要搬动硬盘。作为参考数据，2000 年的昆腾硬盘在运转时，可承受的最大加速度是 20 个重力加速度，而静止时则是 300 个。注意这 20 个重力加速度看上去挺大，但实际上考虑到硬盘的外壳内部并没有多少缓冲，当它敲到某样东西时，速度很快就下降到 0，此时的加速度是非常大的，所以对于运转中的硬盘还是要小心轻放。笔记本电脑的硬盘外面会有一层薄的橡胶作为缓冲，所以小心轻放的话一般是没有大问题的。 可以看出，硬盘这样的设计，让硬盘可能有很长的寿命，因为磁头和盘面不接触，所以没有多少磨损。这种设计是 IBM 公司在 70 年代发明的，叫温彻斯特设计。这种设计一直沿用至今。为了让硬盘在这样的状态下可以很好地工作，硬盘的盒子是封起来的。在生产的时候，不仅要把硬盘的盘片表面做得很平，而且要在没有灰尘的环境下面做。 在硬盘上记录的时候，有多种记录信息的方式。早期的硬盘用的是 MFM（修改过的调频）记录方式。后来硬盘又有了 RLL 等新的记录方式。数据就是通过这些记录方式记录在硬盘上的。一般，硬盘磁介质的使用寿命是超过 1000000 次读写。况且，每个位置的磁介质并非同时读写的，所以硬盘的寿命还是比较长的，可达几年到十几年。 从容量上来说，一般硬盘的容量是比较大的。多数电脑的内存容量，由于成本关系，都比硬盘的容量小。近期，硬盘的容量更是产生了大的飞跃。IBM 公司的 GMR（巨磁阻）磁头技术，让硬盘的容量可以高达 80GB。相比之下，我们现在的内存容量一般还只有 256MB，真是小得多了。 从速度上说，硬盘的速度当然是不能和内存相比的。硬盘要把磁记录转换成电子信号，然后才能处理。在将数据写到硬盘上的时候，也要将数据转换成磁记录才行。一般硬盘的速度，在最快的时候，也就几十 MB 每秒。内存的速度则可以高到几百 MB 每秒，甚至可以高达几 GB 每秒。我们一般使用硬盘的时候，往往不能让硬盘一直处于最高速度，因为硬盘上的数据是分布在不同的区域的。硬盘在访问这些数据的时候，磁头还要移来移去，而且还要等数据区旋转到磁头下方才行。这样一来，速度更是快不起来了。 硬盘就先讲到这里。如果再讲下去，那是没完没了了。硬盘和 CPU 都是很复杂的设备，所以我在这里只能简单讲讲了。 软驱软驱是软盘驱动器的简称。顾名思义，软驱是用来驱动和读写软盘的。软盘是什么呢？软盘就是软的磁盘，它也是一种外存。前面我们说过，硬盘里面用的是铝质的盘片，它是硬的。软盘用的是软塑料做的盘片，它是软的。那么软驱的结构怎样呢？它里面有什么东西呢？它和硬盘有一些相似。硬盘里面有磁头，软驱里面也有磁头。不过硬盘的磁头是很小的，因为硬盘需要让磁头浮起来。而软驱的磁头则比较大，有点像磁带录音机的磁头（小朋友们要是没有见过的话，问问80后的叔叔阿姨吧）。软驱的磁头通过一个步进电机驱动，让它可以到达软盘上不同半径的位置。 软盘的容量比起硬盘来可小多了。其主要原因是它的记录密度比硬盘低很多。硬盘一张盘上可以有几万条磁道——磁道是指在盘上的环形的磁记录——而软盘上一般只有 80 条。硬盘的一条磁道上可以有几十个到几百个扇区——一条磁道被分割成多个扇区，每个扇区就是一小段弧——而软盘上一般只有 18 个扇区。1995 年以来 iomega 公司相继开发出了 100MB、250MB 和 750MB 的大容量软盘驱动器，只可惜成本比较高，而且比普通软盘更容易损坏，所以没有被普遍采用。 因为硬盘是封闭的，所以寿命比较长。而软盘是开放的，灰尘很容易进去，所以软盘比较容易损坏。所以使用软盘的时候要非常注意防止灰尘的损害。为了避免灰尘的损害，可以在每天使用软盘之前拿一张清洗盘或坏掉的软盘放到软驱里和磁头接触一下。有些国产软盘的质量不好，虽然价格便宜但是使用寿命很短，所以最好不要用。我们可以使用一些质量比较好的软盘，比如万胜、索尼和威宝等品牌，但是要小心避免假货。欧文（Office 1）超市自牌的软盘质量也不错。 我们一般使用的软盘是 3.5 英寸的高密度软盘，容量是 1.44MB。在以前，人们也使用过 5.25 英寸的高密度软盘，容量是 1.2MB。还有 3.5 英寸的低密度软盘（720KB）、5.25 英寸的低密度软盘（360KB）和 5.25 英寸的低密度单面软盘（180KB 和 160KB）。还有更古董的 8 寸软盘，我见都没见过，但在斯坦福大学里有。在使用软盘的时候，软驱指示灯亮的时候千万不可以放入或取出软盘。否则可能会损坏软盘和软驱。 光驱光驱是读 CD 光盘用的驱动器。CD 的格式有数据 CD 和音乐 CD 之分。一般电脑上用的 CD 多数是数据 CD。音乐 CD 又称 CDDA，即 Compact Disk Digital Audio，数码音频微型碟。数据 CD 则像一般的磁盘一样，用于记录文件。与硬盘和软盘不同，CD 是只读的，也就是说，只能把上面的数据读出来，而不能写进去。CD 的容量一般是 650MB 左右，当然随着里面包含信息的不同，实际的 CD 可能没有用足这些容量。以前在 386 时代的时候，大约 1995 年的时候，CD 的容量可以说是海量了。当时的硬盘都一般只有 40MB 左右的容量。所以很多 386 电脑上光驱是经常用的。时至如今，CD 的格式当然是不变的，所以容量还是这些，但是硬盘的容量已经达到了 120GB 甚至更高，CD 的容量相比之下就不算大了。而且，很多人把 CD 上的数据放到了硬盘上，做成虚拟光盘。这样，光驱的使用频率就更低了。不过从去年（2003 年）开始，DVD 也逐渐成为电脑上的新型光驱，DVD 光盘有 4.2GB 的容量，也许可以让 CD 退休了。DVD 唯一的缺点是容错不如 CD，只要光盘表面有点脏就会读不出。 光盘它的原理是用反射光的材料制作成盘片。这些反射光的材料上，被做出一个个凹槽。凹槽对光的反射比较弱。以光反射的不同，就可以把数据记录下来了。这些凹槽实际上非常小。光盘的半径上有几万条轨道，轨道上就是这些凹槽。可以想象，在 12 厘米的 CD 上要放下如此多的轨道，密度是很高的。CD 的轨道和硬盘的轨道不同。CD 的轨道是螺旋形的，而不是一条一条独立的。之所以会这样，一种可能的原因是音频 CD 是先出现的，而音频 CD 需要连续播放，使用螺旋的轨道更适合这样的播放。读取 CD 的驱动器以激光照射 CD 表面，然后根据反射光来得到数据。 实际 CD 制作的时候，一般是压制的。先根据数据做出母版，然后再压制 CD。现在市面上还有卖 CD 刻录机，这些机器要专门的可刻录 CD，即 CD-R，才能在上面刻录数据。CD-R 盘上面用的是在高温下会变色的染料。刻录机通过激光，让这些染料变色，就完成了刻录，所以实际上是烧录。只不过说“刻录”说得多了，就约定俗成了。 使用光盘的时候要注意：光盘的表面即正面，一般是印油漆的那一面，只有一层很薄的塑料保护层，下面即是反射层。所以使用的时候要特别小心，不要让保护层被损坏。在光盘表面写字的时候，一定要用油性的笔，因为水笔写字会被擦掉，硬笔则可能损坏保护层。光盘的反面，是光驱光头读数据的通道，要小心不要划毛掉。DVD 光盘的反射层则在中间，保护层比较厚，可以较为放心地在上面写字。 显示卡显示卡是计算机主板上一个重要部件之一。一般来说，一台计算机的如果只要它有计算功能，那么只要有主板、CPU、内存、磁盘、显示卡、机箱、键盘与显示器就可以了，不一定要有其他的设备。由此可见显示卡在计算机的组成中的重要地位。它与声卡的不同是：计算机主要是依靠显示器作信息输出的。因此显示器一般是必须的，而声音则不一定了。 显示卡则是处理和输出计算机主机显示信号的部件。一般，程序可以向 CPU 发出指令，让它把一定的数据传送给显示卡。然后，显示卡再根据这些数据来控制显示器的显示信号。这样，显示器就可以显示这些内容了。 为了存放要显示的数据，一般显示卡中有一定容量的“显存”，也就是显示卡专用的内存。这些内存是装在显示卡之上的。要显示的数据放在这些显存中，然后显示卡在显示时就反复读取这些数据并将它们输送给显示器。老的显示卡，因为当时内存很贵的缘故，显存也很小。比如，黑白显示卡，能显示 25 x 80 的字符界面，都是黑白的。每个字符用一字节保存，一共 2000 个字节。后来新的 CGA 显示卡，可以显示 16 种颜色，而且前景与背景都是如此。于是每个字符要外加 8 比特来保存这前景与背景颜色，即需要 4000 字节内存。CGA 也可以显示 320 x 200 象素的四色图形，需要 16000 字节的内存。后来新的 EGA 与 VGA 显示卡的显示能力比以前的都要强。EGA 显示卡可以支持 640 x 350 象素，16 色的图形。VGA 显示卡则可以支持 640 x 480 象素，16 色的图形。与此同时，老的字符界面模式下，VGA 支持自定义每个字符。每个字符是由 16 x 9 的图形构成的（整个屏幕的分辨率是 720 x 400，而字符数是 80 x 25），一共有 256 个字符，每个字符要占 18 字节的内存，一共要 4608 字节内存来提供自定义字符的功能。 现在我们的计算机先进了，显示卡的功能也不仅仅是显示所要显示的内容了。它的功能更提升为如何快速地处理要显示的内容，并为 2 维与 3 维图形的绘制提供加速。所以新的显示卡也称作“图形加速卡”。为了让显示卡可以快速地显示所需要的图形，它们都可以让程序直接访问。新的显示卡的显存大小就不断地上升，从 2MB 到 8MB，再到 32MB，直到现在常见的 64MB。支持的显示分辩率也上升了，从 640 x 480 到 800 x 600，再到更高的 1024 x 768。速度也在不断加快。老的显示卡都还插在 ISA 接口上，后来的插在 PCI 接口上，之后全都插在 AGP 接口上了，因为它们为了完成图形加速的功能，必须比其他的设备有更快的通讯速度。 USB 闪存盘USB 闪存盘，俗称 U 盘或优盘。它插在 USB 口上，用于保存数据。它的特点是：写入慢读取快，写入寿命有限。一般的 U 盘的写入次数是 100000 次到 1000000 次之间。为了使它的使用寿命延长，稍高级一点的 U 盘的控制电路在写入的时候会采用一种数据块“平衡”处理，即让写入的数据映射到写入次数较少的块上，让每个块都能轮流被用到，以达到延长使用寿命的目的。 2009 年的 U 盘通常的写入速度是 5 MiB/秒。连续读取速度是 20 MiB/秒。以 4 KiB 大小随机读取的速度也可达 4 MiB/秒（KiB 和 MiB 的定义见 Wikipedia）。正因为它的随机访问速度高，因此 Windows Vista 系统 ReadyBoost 模块使用 U 盘来加速系统，当作内存之下，硬盘之上的只读缓存（因为写入速度慢所以不当作写入缓存）。每次系统以 512 KiB 大小写入数据，数据块不太小，速度不至于太慢。Windows 7 ReadyBoost 的容量更扩展到 8 个 U 盘，256 GiB 了哦。 |