项目一 认识和了解计算机

任何专业学习计算机，首先都要面对计算机这台机器。熟悉和了解计算机本身，然后才能更好地去使用它。本项目将介绍计算机的一些基本运行机制以及硬件组成。

学习目标

通过本项目的学习，读者将能够：

• 理解冯·诺依曼体系；

• 理解二进制的优点以及数据单位和数据编码；

• 掌握计算机系统的组成和硬件结构；

• 了解组成计算机的实际硬件设备；

• 了解计算机装机配置单；

• 能够用工具软件检测计算机硬件信息。

任务一 了解计算机的基本运行机制

任务描述

怎样的一台机器才能称之为计算机？作为一台计算机，它必须要能够实现哪些功能，必须要具备哪些基本的硬件？计算机的基本运行机制是什么？

在本任务中，我们将介绍一些计算机最基本的工作原理。

任务分析及实施

1．冯·诺依曼设计思想

世界上第一台计算机于1946年诞生于美国的宾夕法尼亚大学，名字叫ENIAC（埃尼阿克），如图1-1所示。

在ENIAC诞生之前，人类已经发明了很多计算工具来协助自己计算，如中国古代的算盘，欧洲的计算尺、差分机等，但为什么这些计算工具都没有被称为计算机，而是将世界上第一台计算机这顶桂冠授予了ENIAC呢？

再如在我们日常生活中所使用的计算器是否也可以称之为计算机？如果答案是否定的，那么到底怎样的一台机器才能被称为计算机呢？

计算机早期重要的设计者冯·诺依曼（见图1-2）就这个问题给出了答案，他就计算机的设计提出了三点非常重要的思想。

• 计算机内的所有信息都应采用二进制数表示。

• 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

• 可以将指令存储在计算机内部，由计算机自动执行。

任何一台符合上述特征的机器都可以称为计算机。事实上，从1946年冯·诺依曼提出上述理论至今，所有的计算机都是依据这三点思想设计制造的，所以我们也把目前使用的计算机统称为“冯·诺依曼机”。

冯·诺依曼的设计思想是计算机最重要的基础理论，下面针对其第一和第二点思想分别进行阐述。

2．计算机中的数据表示

（1）采用二进制数的必要性

我们在计算机中看到或听到的所有信息，包括电影、游戏、文字、歌曲等，在计算机内部其实都是一些数据。因为计算机作为一台机器，它无法理解那么多的信息，它所能理解和处理的只能是数据。

为什么在冯·诺依曼的设计中，要让计算机只能采用二进制数，而不是使用我们熟悉的十进制数？这是因为十进制数包括“0～9”共10个数字，这就要在计算机的电路设计中设计出10种不同的电路状态以分别来表示这10个数字。其实ENIAC在设计之初就是采用了十进制的体系结构，结果搞得电路超级复杂，计算机体积非常庞大，冯·诺依曼的三点设计思想也正是对此提出的改进。

二进制数在人类的数制中是数字个数最少的，只有“0”和“1”两个数字。相应地，在计算机中也只需要两种不同的物理状态就可以表示出这两个数字，而且稳定可靠，如磁化与未磁化、晶体管的截止与导通（表现为电平的高与低）等。所以采用二进制数可以大大地简化计算机内部的电路结构，同时也可以缩小计算机的体积。让计算机采用二进制数可谓是冯·诺依曼的天才设想。

（2）计算机中的数据单位

既然计算机中的所有信息都是一些二进制数据，那么必然得有一种统一的方法来计量和管理这些数据，这也就是计算机中的数据单位。

首先一个最基本的单位叫“位”，英文称作“bit（比特）”。1“位”其实就是二进制数的1个“0”或1个“1”，例如，“1010”这个二进制数就一共有4“位”。

为了便于管理和计算，计算机中的所有数据都是统一的8位长度，如果不够8位，则要在高位补0凑齐8位，例如，“1010”在计算机中就应以“00001010”的形式表示。像这样的一个8位的二进制数，就称为1“字节”，英文称作“Byte”，简写为“B”。

字节是计算机中信息存储的最基本单位，因为字节这个单位比较小，所以后来又发展出“KB”“MB”“GB”“TB”等较大的数据存储单位。我们通常所说的一个U盘的容量是8G，其实应该是8GB，最基本的数据存储单位还是字节。近几年，随着大数据技术的兴起，又出现了PB、EB等更大的存储单位，数据存储单位与字节之间的对应关系如下：

1KB=210B=1024B

1MB=210KB=1024KB

1GB=210MB=1024MB

1TB=210GB=1024GB

1PB=210TB=1024TB

1EB=210PB=1024PB

除了这些数据存储单位之外，在计算机中还会经常用到数据传输单位。例如，我们通常所说的上网带宽为100M。这个100M就是表示网络的传输速率，它所采用的应当是数据传输单位。

在计算机中表示数据传输速率时，通常都是以bit/s作为基本单位，因而100Mbit/s带宽就表示通过这种网络可以在每秒内传输100Mbit的数据。

从网上下载某个资源，在表示下载速率时所采用的数据单位又是不同的。由于网上的资源被下载下来之后会保存到计算机里，因而在表示下载速率时所采用的单位与数据存储单位一样是字节（B），如下载速率是1MB/s。

根据之前所介绍的单位换算关系，我们很容易计算出bit/s和B/s之间的对应关系：1B/s=8bit/s。因而对于一个带宽为100Mbit/s的网络，它所支持的最大下载速率应该为100Mbit/s÷8=12.5MB/s。

（3）计算机中的数据编码

有人可能会问：计算机中的所有信息都以二进制数表示，但我们平时打字的时候并没有向计算机中输入过二进制数啊？

没错，我们平常是直接向计算机中输入英文字母、标点符号以及汉字，但所有这些字符在被输入到计算机中以后，都要转换为相应的二进制数，否则计算机一个也识别不了。

为了便于计算机的识别，我们必须对这些信息进行编码，也就是为它们分别指定对应的二进制数。例如，字符“a”对应的二进制数是“01100001”，当在键盘上按下“a”键的时候，向计算机中输入的其实是“01100001”数码。

毫无疑问，世界上所有国家使用的编码方案必须是统一的，否则不同国家之间的信息将无法交流，也就不可能有今天的国际互联网——Internet。目前国际上通用的英文字符编码是“ASCII码（美国标准信息交换码）”。ASCII码对英文字母以及一些常用的符号进行编码，一共表示了128个字符。每个字符在计算机内部都对应了一个8位的二进制数，大小为1字节。

我们不妨做个实验，在计算机中利用记事本新建一个文本文档，在其中只输入一个字母“a”，将文件保存之后查看它的大小，发现正是1字节，如图1-3所示。

与英文字母相比，汉字的数量要多得多，所以汉字的编码方案也较为复杂，一般需要用2字节来表示1个汉字，所以如果在文本文件里输入1个汉字，可以发现文件大小为2字节。

另外需要说明一下的是标点符号的编码。ASCII对各种常用标点符号都进行了编码，每个标点符号占1字节，像这类采用ASCII码编码的标点符号称为“半角字符”。在汉字编码中对标点符号也重新进行了编码，每个标点符号占2字节，像这类采用汉字编码的标点符号称为“全角字符”。当我们在编辑一篇中文文档时，通常会采用全角字符，但如果是在进行编写程序代码或操作数据库这类专业应用时，则注意应采用半角字符。

总体来讲，字符在计算机中占用的存储空间非常小，所以有人说用一张普通的DVD光盘（容量为4.7GB）就能存放下一整座图书馆中所有的书籍，这绝非虚言。

3．计算机硬件系统的理论构成

根据冯·诺依曼的设计思想，计算机硬件系统在理论上应由五个部分组成，每个部分所要实现的功能分别如下。

• 运算器：计算机的数据处理中心，负责对所有的二进制数据进行运算。

• 控制器：计算机的神经中枢，负责指挥计算机中的各个部件自动、协调地工作。例如，运算器应从哪里获得运算的数据，数据运算结束之后的结果应保存到哪里，这些都要由控制器来负责控制。

• 存储器：计算机的记忆装置，用来保存数据。我们向存储器里面存放数据，称作“写入”，也可以从里面读出数据，称作“读取”。读取和写入是对存储器的基本操作。计算机正是因为有了存储器，才可以存放运算器运算所产生的中间和最终结果，以及向运算器提供运算所需的临时数据，从而实现自动计算。

• 输入设备：把数据和程序等信息转变为计算机可以接受的电信号送入计算机。

• 输出设备：把计算机的运算结果或工作过程以人们要求的直观形式表现出来。

任务二 了解实际组成计算机的硬件设备

任务描述

如果要组装一台台式计算机，应该具体选购哪些硬件设备？如果要选购一台笔记本电脑，哪些硬件设备决定和影响了这台计算机的整体性能？

在本任务中，我们将从实践的角度来介绍计算机中的硬件设备。

任务分析及实施

1．计算机硬件系统的实际构成

冯·诺依曼从理论的角度指出了计算机硬件系统所应具备的五大功能，而所有这些功能都要由具体的硬件设备来实现。

计算机的物理结构并不复杂，如图1-4所示，从外观来看，一台计算机主要由主机、显示器、键盘、鼠标和音箱等几部分组成。

个人计算机（PersonaI Computer, PC）系列的计算机都是根据IBM提出的开放式体系结构设计的。硬件系统的组成部件从接口、尺寸等方面大多遵循一定的标准，用户可以根据需要自由选择，灵活配置。打开一台计算机的机箱，可以发现里面主要包括各种板卡、电源线、数据线等，机箱内部结构如图1-5所示。

目前，计算机配件品牌繁多，但都是按照国际标准生产的，用户只要掌握了计算机的组成，便可以组装自己需要的计算机。综合来看，在目前的台式计算机中普遍采用的基本硬件设备主要有13个：CPU、主板、内存、硬盘、显卡、显示器、声卡、音箱、网卡、机箱、电源、键盘和鼠标。笔记本电脑的硬件构成与台式计算机基本类似，只是将台式计算机的电源换成了电池加电源适配器，另外也没有了机箱。随着技术的不断发展，一些原本作为计算机标配的硬件设备如软驱、光驱，现在已经基本被淘汰了。

下面依次简单介绍一下这些硬件设备。

（1）CPU

中央处理器（CentraI Processing Unit, CPU），它负责实现运算器和控制器的功能，是计算机中最核心、最关键的硬件设备，如图1-6所示。CPU相当于是计算机的大脑。一台计算机当中的核心计算都是通过CPU来进行的，就像没有脑子的人不能生存一样，没有CPU的计算机也不能工作。

（2）主板

主板是一块矩形的电路板，上面焊接着各种芯片、插槽和接口等，如图1-7所示。计算机中所有的硬件设备都要安装或连接在主板上，主板负责协调各个部件之间的数据传输和控制信息的通信。主板是计算机的核心硬件设备之一，一块质量优良的主板能给系统带来更高的稳定性以及提升系统整体性能。

（3）内存

存储器在计算机的实际组成中被分作了内存储器和外存储器两类。其中内存储器用来存放当前正在运行的程序以及相关数据。这些数据都是临时存放在内存储器中，当程序运行结束之后，所有的数据都要从内存储器中清除掉。外存储器则被当作数据仓库，我们在计算机中安装的所有软件以及相关数据都是存放在外存储器中，存放在外存储器中的数据是永久性的。

CPU运算所需要的数据以及运算之后得到的结果都存放在内存储器中，相比外存储器，内存储器要更为重要。内存储器主要就是指内存，其容量和性能是计算机整体性能的一个决定性因素，它是计算机的核心硬件设备之一，如图1-8所示。

（4）硬盘

硬盘是计算机中最重要的外存储器，计算机中的绝大部分数据都存储在硬盘上。其特点是容量大，相对于内存，存取速度较慢。硬盘也是计算机的核心硬件设备之一，如图1-9所示。

（5）显卡

显卡完成输出设备的功能，其工作原理是负责完成计算机中的图像数据处理任务，并对计算机中的显示信息进行转换，然后向显示器发出转换后的信号，以控制显示器正确显示，如图1-10所示。

显卡决定了计算机图像处理性能的强弱，随着人们对计算机视觉效果的要求越来越高，显卡的技术更新和产品换代速度也特别快，显卡也是计算机的核心硬件设备之一。

（6）显示器

显示器是计算机中最重要的输出设备，经过计算机处理过的数据信息通过显示器显示出来。显示器是用户与主机沟通的主要桥梁。目前常见的显示器主要是液晶显示器（LCD），如图1-11所示。

（7）网卡

网卡，即网络适配器，用于网络通信，负责完成冯·诺依曼五大基本功能中所没有的网络功能。随着网络的普及，网卡也已成为计算机中必备的部件，如图1-12所示。

（8）声卡和音箱

声卡和音箱（或耳机）也负责实现输出设备的功能，但相比显卡和显示器，它们在计算机中的地位是次要的，如图1-13所示。

（9）机箱和电源

计算机中的电源实际上是一个多功能的变压器，普通的交流电通过它的转换，即可变成适合计算机硬件设备正常工作所需的直流稳压电流。电源是计算机的动力系统，它的功率必须要能够满足所有硬件设备的需求，另外电源的质量优劣也直接关系到计算机的整体运行是否稳定。

机箱负责为所有的硬件设备提供安置的空间，并起着保护计算机设备和屏蔽电磁辐射的作用。机箱和电源如图1-14所示。

（10）键盘和鼠标

键盘和鼠标是最常用的输入设备，如图1-15所示。

我们只要有了这13种硬件设备，就可以组装出一台计算机了。另外，随着技术的不断发展，越来越多的硬件设备被集成到了一起，如声卡和网卡目前基本都已经集成到了主板上，也就是说我们只要购买了一块主板，它本身就具备了声卡和网卡的功能。所以在实际选购组装计算机时，并不需要对每个设备都精挑细选，而是只要抓住重点就可以了。

在所有这些硬件设备中，CPU、主板、内存、显卡、硬盘尤为关键，它们基本可以决定一台计算机的整体性能，所以这几个核心硬件无论在实际应用，还是今后的学习中都是需要重点掌握的设备。

2．装机配置单

常见的计算机装机配置单，一般都是围绕CPU、主板、内存、显卡、硬盘这5大核心硬件设备做出的具体配置。

表1-1和表1-2是两份典型的台式计算机装机配置单。由于计算机中最核心的硬件CPU主要是由Intel和AMD两家公司生产的，每家公司的产品互不兼容，所以相应地计算机整机也就分作Intel和AMD两大平台。需要注意的是，每个平台中的CPU和主板这两个硬件必须要搭配一致，不能混用。

笔记本电脑的配置与台式计算机类似，不过由于笔记本电脑中的硬件设备在设计和制作等方面都与台式计算机不同，笔记本电脑中的硬件与台式计算机不能通用，所以相应的产品型号也不一样。典型的笔记本电脑配置单如表1-3所示。

这几份配置单里列出的都是一些计算机核心硬件设备的品牌型号和主要性能参数，读者目前可能还无法完全理解其中所包含的一些信息，但随着本书内容的深入，能够阅读和制作这种装机配置单，将是必备的基本技能。

任务三 检测计算机硬件信息

任务描述

在对计算机进行维护操作时，经常需要检测出计算机的硬件配置信息。在本任务中将介绍一些常用的检测计算机硬件配置的方法。

任务分析及实施

1．查看系统信息

在操作系统中可以查看到一些主要硬件的配置信息。

在Windows 10系统的“此计算机”上单击右键，在弹出的快捷菜单中选择“属性”，在“系统”栏中可以查看到CPU和内存的相关信息，如图1-16所示。

2．利用工具软件进行检测

前面介绍的方法只能查看到计算机的部分硬件配置信息，如果要查看所有硬件的全面信息，推荐使用工具软件对计算机进行检测。能够检测计算机硬件信息的工具软件有很多，这里推荐鲁大师和CPU-Z。

（1）鲁大师

鲁大师是一款免费国产软件，如果系统中已经安装了“360安全卫士”，可以直接在“360安全卫士”的“功能大全/系统工具”中安装鲁大师，如图1-17所示。当然也可以从网上单独下载安装，鲁大师的官网是“www.Iudashi.com”。

鲁大师的使用方法很简单，运行之后可以自动检测计算机硬件信息，检测结果如图1-18所示。

除了检测硬件配置信息之外，鲁大师还可以对计算机的综合性能进行评测，通过评测结果可以进一步了解计算机的整体性能，如图1-19所示。

（2）CPU-Z

CPU-Z是一款国外的免费软件，可以从官网“https://www.cpuid.com”下载到中文版本，下载时建议选择“SETUP.CHINESE（32 and 64-bit version）”，如图1-20所示。

CPU-Z的安装过程非常简单，安装完成后运行软件，它也会自动检测计算机的硬件信息。与鲁大师不同的是，CPU-Z只检测CPU、主板、内存、显卡这些核心硬件的信息，但检测结果相比鲁大师要更为专业，可以显示出这些硬件的详细性能参数，如图1-21所示。

思考与练习

一、填空题

1．中央处理器（CPU）是计算机系统的核心，主要包括__________和__________两个部件。

2．目前国际上统一使用的英文字符编码是___________。

3．按照冯·诺依曼的理论，计算机硬件理论上应该由五部分组成，分别是____________、____________、____________、____________和____________。

4．在实际组成计算机的硬件设备中，5个最核心的硬件是____________、____________、____________、____________和____________。

5．计算机中数据存储的基本单位是____________，一些更大的数据存储单位还包括____________、____________和____________等。

二、简答题

1．请简述计算机采用二进制数的必要性。

2．以前经常使用的软盘，容量只有1.44MB，计算一下，在这样的软盘中如果以纯文本方式存放汉字，共能存放多少个汉字。

3．列出组成计算机的13个硬件设备，并注明它们所负责完成的硬件系统功能。

三、操作题

找一台计算机，用工具软件检测出计算机的硬件配置信息。