电脑的组成原理与基本结构

第 1 章电脑的组成原理与基本结构 学习目标 在组装电脑之前，应首先了解组装一台电脑至少需要哪些基本部件，以及各部件的大 致功能等基本常识。本章将对电脑的基本组成和结构进行讲解，剖析电脑的基本结构，让 读者对电脑有一个初步的认识，了解一些关于电脑的基础知识，迈出组装电脑的第一步。 本章要点      电脑的诞生 电脑的发展 电脑的软件系统 电脑的硬件系统 电脑的基本结构 1.1电脑的发展史 电脑是 20 世纪最伟大的发明之一， 可以说电脑是当代社会、 科学和经济发展的奠基石。 电脑的发明带动了 20 世纪下半叶的信息技术革命， 和以往的工业革命不同的是， 电脑将人 类从繁杂的脑力和体力劳动中解放了出来， 这使得人类社会近 50 年来的发展速度比此前任 何一个时期都快，生产总值比此前几千年来的总和还要多。 电脑为什么会有如此神奇的力量呢？它究竟是什么样子呢？它又是如何被发明的？下 面就来了解一下电脑的历史。 1.1.1电脑的诞生 电脑是人们对电子计算机的俗称，第一台电脑是1946 年 2 月 15 日由美国宾夕法尼亚 大学研制的，名为ENIAC。后来，由天才数学大师、美籍匈牙利数学家冯·诺依曼对其进 行了改进，并命名为“冯·诺依曼”体系电脑，现在的电脑都是由“冯·诺依曼”体系电 脑发展而来的，因此冯·诺依曼被西方科学家尊称为“电子计算机之父”。 在电子计算机之前，还有具有历史意义的一台计算器，那就是由法国数学家帕斯卡于 1642 年发明的。在帕斯卡小时候，其父亲在税务局上班，为了减轻父亲计算税务的麻烦， 他发明了一种可以计算的小机器。这个计算器是一个不大的黄铜盒子，盒子里面并排装着 一些齿轮，这些齿轮上标有0～9 共 10 个数字，每个齿轮代表一位数，当低位齿轮转动10 圈时，高位齿轮转动 1 圈，这样就实现了自动进位，这和机械钟表极其相似。 后来， 德国数学家莱布尼兹在帕斯卡计算器的基础上， 于 1694 年发明了世界上第一台 ¤ 电脑组装与维护教程 能进行加减乘除法运算的机械计算机。莱布尼兹还有一项重大发明，那便是当今所有电脑 使用的二进制。二进制只有0 和 1 这两个数字，遇到比1 大的数就进位，例如， 1＋1＝10， 11＋1＝100 等。 1.1.2电脑的发展 自 1946 年第一台真正意义上的电脑被发明以来，电脑已经走过了近60 个年头了。从 最初采用电子管的庞大电脑到如今采用超大规模集成电路的微型电脑，电脑主要经历了 4 个阶段和 3 次重大的技术革新。 1．电子管时代 1946 年研发的第一代 ENIAC 电脑使用了 17 468 个真空电子管，耗电量达174kW，占 地 170m2，重达30t。由于那个时期的电脑以电子管作为基本电子元件，用磁鼓作为主存储 器，因而称为“电子管时代”。那时的电脑和我们现在使用的电脑还差得很远，它采用的 十进制的计数方式，由冯·诺依曼改进后，电脑才开始采用二进制的计数方式，并且在电 脑内加入存储器，把程序和数据一起存储在电脑内，让电脑自动完成运算过程，这便是我 们今天使用的电脑的雏型。 人类就是利用这些电子管电脑将人造卫星送上了天。但是这一代的电脑体积大，耗电 量多，价格昂贵，运行速度较低，并且可靠性较差，使得电脑的应用范围只局限于科研、 军事等少数几个领域。 2．晶体管时代 1956 年诞生了世界上第一台晶体管电脑 Lepreachaun，它是由美国贝尔实验室研制而 成的，以晶体管代替电子管作为基本电子元件，该时期便称为电脑的“晶体管时代”。这 时电脑的体积、重量、功耗都大大地减少了，计算速度达到了300 万次每秒。 3．集成电路时代 1962 年，由美国得克萨斯公司与美国空军共同研制出了第一台采用中小规模集成电路 的电脑。当时的电脑大都以集成电路为最基本电子元件，其体积、功耗都进一步减少，可 靠性进一步提高，运算速度达到了4000 万次每秒，这个时期便被称为“集成电路时代”。 由于电脑采用了中小规模集成电路，因而集成度较高、功能增强，价格却更便宜，使电脑 的应用范围变得更为广阔。 4．超大规模集成电路时代 随着科学技术突飞猛进的发展，20 世纪 70 年代后，各种先进的生产技术广泛应用于 电脑制造，这使得电子元器件的集成度进一步加大，出现了大规模和超大规模集成电路。 电脑以大规模和超大规模集成电路作为基本电子元件后， 使得体积更加小型化， 功耗更低， 价格更便宜，这为电脑的普及铺平了道路。这时微型机应运而生，为电脑的普及以及网络 化创造了条件。 ︻ 电 脑 基 础 实 例 · · 2 上 机 系 列 教 程 ︼ 1.1.3电脑的未来展望 戈登·摩尔是Intel 公司创始人之一，1965 年，他预言了电脑集成技术的发展规律，那 第 1 章电脑的组成原理与基本结构 ¤ 就是每 18 个月在同样面积的芯片中集成的晶体管数将翻一番， 而成本将下降一半。 几十年 来，电脑芯片的集成度严格按照摩尔定律进行发展，不过它已经走到了尽头。由于电脑采 用的是电流作为数据传输的信号，而电流主要靠电子的迁移而产生，电子最基本的通路是 原子，一个原子的直径大约等于 1nm，目前芯片的制造工艺已经达到了 90nm 甚至更小， 也就是说一条传输电流的导线的直径即为90 个原子并排的长度。 照这样发展下去， 最终一 条导线的直径可以达到一个原子的直径长度，但是这样的电路是极不稳定的，因为电流极 易造成原子迁移，那么电路也就断路了。 由于晶体管电脑存在上述的物理极限，因而人类在较早的时候就开始了各种非晶体管 电脑的研究，如“梦幻式”的超导电脑、生物电脑、光学电脑等，其中研究成果最为显著 的是光学电脑。2003 年 10 月底，以色列 Lenslet 公司研发的 Enlight——全球首枚嵌入光核 心的商用向量光学数字处理器问世，它的运算速度达到了 80 000 亿次每秒，是普通数字信 号处理器的 1000 倍。 这些电脑被称为第五代电脑，其速度将达到10 000 亿次每秒，能在更大程度上仿真人 的智能，并在某些方面超过人的智能。目前，电脑还在向以下4 个方面发展。  巨型化 在天文、天气预报、军事、生物仿真等领域，需进行大量的数据处理和运算，这需要 性能强劲的电脑才能完成，普通的电脑可能算上十天半个月都得不到结果。为满足这些特 殊应用领域的需求，这就需要研制功能更强的巨型电脑。  微型化 现在，在办公和家庭中大量使用的就是一种微型电脑。有些专用微型电脑还用于各种 仪器和家用电器中，为了方便人们外出旅行，出现了体积更小、更轻便、易于携带的微型 电脑，如笔记本电脑、掌上电脑（PDA）等。  网络化 随着电脑的普及，电脑网络也逐步深入到人们工作生活的各个部分。通过电脑网络可 以连接地球上分散的电脑，然后共享各种分散的电脑资源。现在电脑网络也是人们工作生 活中不可或缺的事物，电脑网络化可以让人们足不出户就能获得大量的信息以及与世界各 地的亲友进行通信、网上贸易等。  智能化 以前，电脑只能按照人的意愿和指令去处理数据，而智能化的电脑能够代替人的脑力 劳动，具有类似人的智能，如能听懂人类的语言，能看懂各种图形，可以自己学习等，即 电脑可以进行知识的处理，已能代替人