第1章 计算机硬件

🟢 基础⏱ 14 分钟5717 字

🟢 基础 | 课程A·计算机应用基础 · 约占理论卷 60%（≈90 分）

1.1 计算机基本原理 ★★★

发展四代（按电子器件划分）★★★：

代 年代 器件 逻辑元件
第一代 1946–1957 电子管
第二代 1958–1964 晶体管
第三代 1965–1970 中小规模集成电路
第四代 1971–今 大规模、超大规模集成电路
  • 世界上第一台电子数字计算机：ENIAC（1946，美国，宾夕法尼亚大学）；第一台存储程序式计算机：EDVAC（冯·诺依曼方案）
  • 冯·诺依曼体系结构★★★：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成；核心思想：存储程序（程序和数据以二进制存于存储器，按地址顺序执行）；运算器+控制器合称 CPU（中央处理器）
  • 摩尔定律：单块集成电路芯片上集成的晶体管数目大约每 18~24 个月翻一番（戈登·摩尔，Intel 创始人之一）
  • 计算机分类：
    • 按性能/规模：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（PC）（⚠ 巨型机=性能最高，不是体积最大）
    • 按用途：通用计算机 / 专用计算机
    • 按处理信号：数字计算机 / 模拟计算机 / 混合计算机
  • 计算机特点：处理速度快、精度高、存储容量大、具有逻辑判断能力、自动化（存储程序是自动化的基础）
  • 计算机应用：科学计算（最早应用）、数据处理（最广泛）、过程控制、计算机辅助技术（CAD 辅助设计 / CAM 辅助制造 / CBE 辅助教育 / CAT 辅助测试 / CAI 辅助教学）★★、人工智能、网络通信、多媒体、嵌入式

硬件概述★★★：CPU（运算器+控制器）、存储器（内存储器+外存储器）、输入设备、输出设备；主机 = CPU + 内存。 软件概述：程序+数据+文档（见第 2 章）。

中央处理器 CPU★★★：

  • 组成：运算器（ALU，算术逻辑单元）——算术运算+逻辑运算；控制器（CU）——取指令、分析指令、执行指令（指挥中心）；寄存器组——暂存数据/地址/指令
  • 性能指标：字长（CPU 一次能处理的二进制位数，如 32 位/64 位）★★★、主频/时钟频率（GHz，与速度正相关但不唯一决定）、Cache 容量、指令系统、核心数
  • 指令 = 操作码（做什么）+ 操作数（对谁做）；一台 CPU 全部指令的集合 = 指令系统/指令集
  • 指令系统类型：CISC（复杂指令集，如 x86）/ RISC（精简指令集，如 ARM）
  • 指令执行过程：取指令→分析（译码）指令→执行指令（取指周期）
  • ⚠ 微处理器 ≠ CPU 严格等价，日常语境通用；第一块微处理器：Intel 4004（1971，4 位）

1.2 存储器体系（内存储器、外存储器概述，系统总线，I/O 总线）★★★

存储层次结构（自上而下：速度↓容量↑价格↓）：CPU 寄存器 → 高速缓存 Cache → 内存储器（主存）→ 外存储器（辅存）

  • Cache（高速缓存）：位于 CPU 与内存之间，SRAM 工艺，解决 CPU 与内存速度不匹配（容量小、速度快、贵）
  • 内存：与 CPU 直接交换信息，存放正在运行的程序和数据；外存：不直接与 CPU 交换，容量大、断电可保存（内存中 RAM 断电丢失）

内存储器分类★★★：

  • RAM（随机存取存储器）：可读可写、断电丢失
    • SRAM（静态）：触发器原理、快、贵、无需刷新——用于 Cache
    • DRAM（动态）：电容原理、需定时刷新、便宜——用于主存（内存条）；主流为 DDR SDRAM（双倍数据率同步动态随机存储器），版本迭代 DDR3/DDR4/DDR5，参数如"DDR4-3200"表示等效数据传输率 3200 MT/s 📐（见计算专项）
    • 内存条封装形式：SIMM（单列直插，早期）→ DIMM（双列直插，台式机主流）→ SO-DIMM（小外形，笔记本电脑）
  • ROM（只读存储器）：断电不丢失，存放固件
    • MROM（掩膜）→ PROM（一次编程）→ EPROM（紫外线可擦除）→ EEPROM/Flash（电可擦除）；BIOS 芯片多为 Flash ROM（⚠ "只读"是历史名称，现代 ROM 多可改写）
  • ⚠ 内存 = RAM + ROM（部分教材口径）；常见组合说法：内存条即 DRAM

存储器性能参数：存储容量、存取时间、存取周期、带宽；存储容量计算📐：n 根地址线 → 2ⁿ 个存储单元；总容量 = 单元数 × 每单元位数（数据线宽度）；1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB（存储领域按 2¹⁰ 进位；外存厂商标注常按 10³ 进位）

1.3 集成电路与 IC 卡 ★★

  • 集成电路（IC）：将晶体管、电阻、电容等元件及连线集成在半导体基片上
  • 按集成度（元件数）分类：SSI 小规模 / MSI 中规模 / LSI 大规模 / VLSI 超大规模 / ULSI 特大规模（⚠ 考分类级别顺序）
  • 集成度与 Moore 定律相关；制造材料主要是硅（Si）；光刻为关键工艺
  • IC 卡（集成电路卡）：
    • 按芯片：存储器卡（只存数据）/CPU 卡（含微处理器，智能卡，安全等级高）
    • 按读写方式：接触式（触点，如 SIM/银行卡）/ 非接触式（射频，如公交卡、二代身份证，技术=RFID）★
    • 磁卡 ≠ IC 卡（磁条 vs 芯片；磁卡易消磁、可复制）

1.4 PC 机组成 ★★★

  • 主板：承载各部件的电路板；**芯片组（Chipset）**是主板核心，决定可支持的 CPU/内存/接口规格
  • BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）：开机后最先运行的固件程序，功能：加电自检（POST）→ 初始化硬件 → 引导加载操作系统（自举/引导装入）；存储于 Flash ROM；BIOS 组成：自举程序（引导装入）、CMOS 设置程序（BIOS Setup 配置硬件参数，CMOS 由电池供电保存）、基本 I/O 驱动程序、POST 程序
  • I/O 总线与接口：总线=公共传输通道
    • 系统总线分类★★★：数据总线 DB（双向，传数据，宽度=一次传输位数）/ 地址总线 AB（单向，CPU→存储器，宽度决定寻址空间 2ⁿ）/ 控制总线 CB（双向，传控制信号）
    • 总线性能指标：总线带宽 📐 = 总线工作频率 × 总线位宽 ÷ 8（MB/s）
    • 常见 I/O 接口 ★★★（设备↔接口对应为高频选择/填空）：
接口 方向/典型设备 备注
USB（通用串行总线） 键盘鼠标/U盘/打印机 串行、热插拔、供电；Type-A/Type-C；USB2.0 480Mbps、USB3.0 5Gbps
PS/2 老式键盘（紫）/鼠标（绿） 已淘汰但考纲列
VGA 模拟视频→CRT/老显示器 15 针 D 型
DVI 数字视频
HDMI / DP 音视频一体/高清 数字
SATA 硬盘/光驱 串行 ATA
IDE(PATA) 老式硬盘 并行，已淘汰
PCI / PCIe 扩展卡（显卡/网卡） PCIe 串行高速
RJ-45 以太网网卡 双绞线（局域网章）
音频接口 耳机（绿）/麦克风（粉）
  • I/O 操作方式★：程序直接控制（查询）方式（CPU 反复查询、效率低）→ 中断方式（设备主动通知 CPU，I/O 与 CPU 并行）→ DMA 方式（直接存储器访问，不经 CPU 直接与内存交换，成块高速传输）

1.5 常用输入设备 ★★

  • 键盘：按键结构（机械式/薄膜式/电容式）；工作原理：按键使开关闭合/断开，键盘内的单片机扫描判定键位并送出扫描码；接口 PS/2→USB→无线/蓝牙；字符输入主设备
  • 鼠标：机械式（滚球摩擦带动光栅）→ 光电式（LED 光源+光学传感器捕捉桌面位移成像定位，主流）；接口同上；性能指标 dpi（分辨率）
  • 笔输入设备：手写板/手写笔（电磁感应）、触控笔；应用于签名、绘图
  • 扫描仪：将图纸/照片→数字图像；核心指标：分辨率（dpi，每英寸点数）、色彩位数（位）；平板式/滚筒式/手持式；配合 **OCR（光学字符识别）**可把扫描图像转文字 ★★★
  • 数字摄像头：CMOS/CCD 感光；指标：分辨率、帧率；视频采集、监控

1.6 常用输出设备 ★★

  • 显示器：
    • CRT（阴极射线管，已淘汰）→ LCD 液晶（主流）→ LED 背光/OLED
    • 性能指标 ★★：分辨率（水平×垂直像素，如 1920×1080）、点距、刷新率（Hz）、响应时间（ms）、亮度、可视角度、尺寸
    • 接口：VGA（模拟）→ DVI/HDMI/DP（数字）
  • 打印机：
    • 击打式：针式打印机（点阵针击打色带；可打多联票据；噪音大）
    • 非击打式：喷墨打印机（墨滴喷射，彩色便宜，耗材贵）、激光打印机（静电成像+碳粉+定影，速度快质量高，办公主流；原理=复印机）
    • 指标：打印分辨率 dpi、打印速度（ppm）
  • 绘图仪：大幅面图形输出（工程图纸），平板式/滚筒式
  • 音箱/耳机：声音输出；投影仪：大屏显示

1.7 外存储器 ★★★

  • 硬盘（HDD，机械硬盘）：
    • 结构：盘片（磁性材料）+ 磁头 + 主轴电机；信息存储于磁道（盘片同心圆）→ 扇区（磁道等分，磁盘读写的基本单位，通常 512B/4KB）→ 柱面（各盘面同半径磁道集合）；数据分布：文件以**簇（若干连续扇区，分配的基本单位）**为单位存储，文件在 FAT/NTFS 表中记录分布位置
    • 性能指标：转速（rpm，7200 转/分等）、平均寻道时间、平均等待（延迟）时间、数据传输率、容量📐
    • 接口：SATA；容量计算 📐：总容量 = 磁头数×柱面数×每磁道扇区数×每扇区字节数
  • 固态硬盘（SSD）：Flash 闪存存储，无机械结构——速度快、抗震、无噪音、贵（⚠ 考"闪存"关键字）
  • 光盘：激光读写；类型与容量 ★★：CD（650MB~700MB）/ CD-ROM 只读、CD-R 一次写、CD-RW 可擦写；DVD（4.7GB 单面单层，双层 8.5GB）；BD 蓝光（25GB 单层，高清影片）
  • 移动存储：U 盘（Flash + USB 接口）、存储卡（SD/TF/Micro SD，Flash 工艺）、移动硬盘
  • ⚠ 外存与内存关系：程序必须调入内存才能被 CPU 执行；外存断电保留数据

1.8 信息在计算机中的表示 ★★★（计算题密集区）

信息表示单位★★★：

  • 位（bit，b）：最小单位，一个二进制位；字节（Byte，B）= 8 bit；字（Word）= CPU 一次处理的位数（字长）
  • 换算：1B=8b；1KB=1024B=2¹⁰B；1MB=1024KB=2²⁰B；1GB=2³⁰B；1TB=2⁴⁰B
  • 传输速率单位：bps（b/s，比特/秒）、Kbps、Mbps（⚠ 速率用小 b=bit，容量用大 B=Byte，1MB/s=8Mbps）★

进制及转换📐★★★（二进制 B / 八进制 O(Q) / 十进制 D / 十六进制 H）：

  • 十进制→R 进制：整数部分除 R 取余、逆序排列；小数部分乘 R 取整、顺序排列
  • 二进制↔十六进制：4 位一分组（如 1010 1111 = AF）；二进制↔八进制：3 位一分组
  • 任意 R 进制→十进制：按权展开求和（如 1011.1B = 8+2+1+0.5 = 11.5）
  • 常用 2 的幂：2⁴=16、2⁶=64、2⁸=256、2¹⁰=1024、2¹⁶=65536

数值编码（机器数）📐★★★（8 位为例）：

  • 原码：最高位符号位（0 正 1 负）；表示范围 8 位：-127 ~ +127；有 +0/-0 两个零
  • 反码：正数同原码；负数=符号位不变、数值位按位取反；范围同原码
  • 补码：正数同原码；负数=反码 + 1；8 位范围 -128 ~ +127；零唯一；减法可转加法（计算机采用补码存储/运算的原因）★★★
  • 真值（带正负号的实际值）vs 机器数（机器中编码后的数）
  • 数据溢出：运算结果超出表示范围（补码运算中同号相加得异号→溢出）
  • 实数表示：浮点表示 = 阶码（指数，决定范围）+ 尾数（有效数字，决定精度）；标准 IEEE 754（float 32 位/1+8+23、double 64 位）★
  • BCD 码（8421 码）★：每位十进制数用 4 位二进制表示（如 25 → 0010 0101）；⚠ 与二进制表示不同（25D=11001B）

比特位逻辑运算📐★：与 ∧（全 1 出 1）/ 或 ∨（有 1 出 1）/ 非（取反）/ 异或 ⊕（相同 0 相异 1）——按位运算，无进位（1010∧1100=1000；1010⊕1100=0110）

字符编码（理论卷文本部分也涉及，见第 4 章文本）：

  • ASCII★★★：7 位编码、128 个字符；'0''9'=4857，'A'=65，'a'=97，空格=32；大写+32=小写；存储占 1 字节（最高位 0）
  • 汉字编码流程 ★★：输入码（外码）→ 国标码（GB2312-80，两个字节，最高位 0）→ 机内码（内码，每字节最高位置 1）→ 字形码（点阵/矢量，输出）；⚠ 汉字机内码 2 字节、GB2312 收录 6763 个汉字；Unicode/UTF-8：统一字符集，UTF-8 变长编码