微型计算机的硬件系统

1.1.1　微型计算机的硬件系统

微型计算机简称微机，具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、对使用环境要求不严格、价格低廉和易于成批生产等特点，是目前计算机中使用最广泛、市场占有率最高的一类计算机。

计算机的硬件系统一般是指构成计算机的物理实体，通常由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，不装有任何软件的计算机称为“裸机”。在计算机系统中，各部件通过地址总线、数据总线和控制总线联系到一起，并在中央处理器(central processing unit，CPU)的统一管理下协调一致地工作。各种原始数据、程序由输入设备输入内存储器存储；在控制器的控制下逐条从存储器中取出程序中的指令，依指定地址取出所需数据，送到运算器进行运算，并将运算结果存入内存储器，重复此过程，直到执行完所有指令为止；最终结果通过输出设备输出。在整个过程中，程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。计算机的运算过程及基本硬件系统各部分联系结构如图1-2所示。

图1-2　计算机的运算过程及基本硬件系统各部分联系结构示意图

1.主机

通常把主板、CPU、内存和输入/输出设备接口等组件构成的子系统称为主机，即主机中包含了输入/输出设备以外的所有电路部件，是一个能够独立工作的系统。主机箱一般由特殊的金属材料和塑料面板制成，具有防尘、防静电、防干扰等作用，是微机最重要的组成部分。主机箱内装配有主板、CPU、内存条、硬盘、光驱及电源等设备。主机箱的外观与内部结构分别如图1-3和图1-4所示。

1)主板

主板(main board)，又称为主机板、母板或系统板，是安装在主机箱内最大的一块方形电路板，上面安装有微机的主要电路系统。主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。在主板上安装有控制芯片组、BIOS芯片和各种输入/输出接口、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽等元件。CPU、内存条插接在主板的相应插槽中，驱动器、电源等硬件连接在主板上。主板上的接口扩充插槽用于插接各种接口卡，这些接口卡扩展了微机的功能。现在的主板已经集成了许多设备的接口卡，如音频接口卡(声卡)、显示接口卡(显卡)、网络接口卡(简称网卡)、内置调制解调器(Modem)等，使用这样的主板就没有必要再另配单独的接口卡了。但是，这种集成式的主板也存在一些诸如部分集成“卡”性能不高、容易损坏、不易升级等弊端。另外，在主板上还可以看到很多用铜线缠绕的线圈，这些线圈就是电感。电感主要分为磁芯电感和空芯电感两种。磁芯电感电感量大，常用于滤波电路；空心电感电感量较小，常用于高频电路。主板的外观结构如图1-5所示。

图1-3　主机箱的外观

图1-4　主机箱的内部结构

图1-5　主板的外观结构

2)中央处理器

中央处理器(central processing unit，CPU)通常也称为微处理器，安装在主板上的专用插槽内，是整个计算机系统的核心，也是系统最高的执行单位，所以常被人们称为计算机的心脏。CPU主要由运算器、控制器、寄存器和内部总线等构成，其外观如图1-6所示。

(1)运算器。运算器是计算机对数据进行加工处理的核心部件。其主要功能是对二进制编码进行算术运算(加、减、乘、除等)和逻辑运算(与、或、非、异或等)，所以也称为算术逻辑运算单元(arithmetic logic unit，ALU)。参加运算的数(称为操作数)由控制器控制，从存储器内取到运算器中。

图1-6　CPU的外观

(2)控制器。控制器是整个计算机系统的控制指挥中心，它主要负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，再根据指令的要求，按时间的先后顺序负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。

(3)寄存器。寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，是汇编程序员能直接使用的硬件资源之一，一般用来保存程序的中间结果，为随后的指令快速提供操作数，从而避免把中间结果存入内存，再读取内存的操作。

(4)内部总线。内部总线用于将处理器的所有结构单元内部相连。其宽度可以是8位、16位、32位或64位。目前比较流行的几种内部总线技术有I²C总线、SPI总线、SCI总线。

CPU的工作原理为：控制单元识别输入的指令后，先将其送到逻辑单元进行处理并形成数据，然后送到存储单元里，最后交给应用程序使用。

目前市面上的CPU线路集成度非常高，功率较大，因此在工作时会产生大量的热。为保证它正常工作，必须配置高性能的专用风扇降温。计算机工作时应该有较好的通风条件，否则，当散热不好时，CPU就会停止工作或者烧毁，出现“死机”现象。

3)内存储器

内存储器是直接与CPU相联系的存储设备，是计算机工作的基础。内存储器虽然容量不大，但运转速度非常快，CPU工作需要的数据事先都存放在内存储器中，然后根据需要不断地从中取用。从使用功能上分，内存储器有只读存储器(read only memory，ROM)、随机存储器(random access memory，RAM)和高速缓冲存储器(Cache)等三类。

(1)只读存储器。只读存储器，即只能读出数据，而不能写入数据的存储器。ROM中的数据是由设计者和制造商事先编制好固化在计算机内的一些程序，使用者不能随意更改。ROM中存储的程序主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出控制程序，如存储BIOS参数的CMOS芯片。只读存储器最大的特点是存储的程序数据不会因断电而丢失，将永久保存。

(2)随机存储器。随机存储器是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内。根据需要可以从随机存储器中读出数据，也可以将数据写入随机存储器。通常所说的内存大小指的就是RAM的容量。RAM有两大特点：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时，存储器中的内容才能更新；二是存储器中的信息会随着计算机的断电而消失。所以说，RAM是计算机处理数据的临时存储区，如果希望将数据长期保存起来，则必须将数据保存到外存储器中。为此，用户在操作计算机的过程中一定要养成将数据随时存盘的良好习惯，以免断电时丢失。

随机存储器可分为静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)和动态随机存取存储器(dynamic RAM， DRAM)两大类。DRAM的特点是集成度高，主要用于大容量内存储器；SRAM的特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。现在微机的内存储器都采用DRAM芯片构成的内存条，它可以直接插到主板的内存插槽上，内存条与插槽接触的部分称为“金手指”。微机中的动态存储器主要有同步动态随机存储器(synchronous dynamic RAM，SDRAM)、双倍速率同步动态随机存储器(double data rate SDRAM，DDR SDRAM)。其中，DDR SDRAM(简称DDR)占据了内存条的主流市场，而SDRAM因处理器前端总线的不断提高已无法满足新型处理器的需要，逐步被淘汰。SDRAM内存条和DDR内存条的外观如图1-7和图1-8所示。

图1-7　SDRAM内存条外观

图1-8　DDR内存条外观

(3)高速缓冲存储器。高速缓冲存储器是在CPU与内存之间设置一级缓存L1或二级缓存L2的高速小容量存储器，它集成在主板上。计算机工作时，系统先将数据通过外部设备读入RAM中，再从RAM读入Cache中，CPU则直接从Cache中取数据进行操作。由于CPU处理数据的速度比RAM快，所以为解决两者间数据处理的速度不匹配而专门设置了高速缓冲存储器。

4)驱动器

微型计算机的外存储介质常用的有软磁盘、硬磁盘、光盘、移动硬盘及U盘等。其中软磁盘、硬磁盘、光盘上数据信息的读/写必须通过磁盘驱动器或光盘驱动器才能实现。

磁盘驱动器(disc drive)是以磁盘作为记录信息媒体的存储设备，其读取、写入和存储信息是在软盘或硬盘的存储媒体上。磁盘驱动器由磁头、磁盘、读/写电路及机械装置等组成。磁盘驱动器既是输入设备又是输出设备，有软盘驱动器和硬盘驱动器两种。其中硬盘驱动器是封装在硬盘中的一个组件，硬盘驱动器是微机的主要部件之一。

光盘驱动器又称为光驱，英文名为CD-ROM，是读取光盘信息的设备。与磁盘驱动器不同，它没有读/写磁头，仅把激光光束凝聚成一个光点，进行阅读操作和写操作。光盘存储设备的容量比磁性介质的要高几十倍以上，甚至还可以增加密度来进一步增加存储容量。

光驱的结构主要包括激光头、旋转转盘、控制器和一组信号操作系统。光驱的接口一般分为IDE、EIDE、SCSI和并行口等四种，其中IDE已经被淘汰，EIDE是中低档驱动器采用的标准，SCSI是高档驱动器的接口，而外置式CD-ROM一般通过并行口与主机相连。光驱的外观如图1-9所示。

图1-9　光驱的外观

随着多媒体计算机的兴起，光驱的需求越来越大，品种也越来越多，一般主要有以下几种类型。

(1)CD-ROM(compact disk read only memory，CD光盘只读型光驱)。CD-ROM只能读取光盘上的数据，它最重要的性能指标之一是光驱的“倍速”，该指标指的是光驱传输数据的速度。“单倍速”是指每秒从光驱读取150MB数据，目前光驱已经达到52倍速甚至百倍速。

(2)DVD-ROM(数字视频光驱)。DVD-ROM用于读取DVD光盘上的数据，并且它可以兼容读取CD光盘上的数据。

(3)CD-R刻录机。CD-R不仅能读光盘而且可以刻写光盘，但是刻盘后盘中的数据不可更改，光盘也是一次性的。

(4)CD-RW刻录机。CD-RW不仅能读光盘而且可以刻写光盘，并可在同一张可擦写的光盘上进行多次数据擦写操作。

(5)DVD刻录机。DVD刻录机包括DVD-R刻录机和DVD-RW刻录机两种，既可以读取DVD/CD碟片，也可以刻写DVD碟片。

5)各种接口

图1-10所示为主机箱后面提供的一组标准接口，用于连接各种标准设备。下面分别进行简单介绍。

图1-10　各种I/O接口

(1)键盘、鼠标接口(PS/2接口)。键盘、鼠标接口是专用接口，二者形状完全相同，但连接时绝对不能混淆。通常用紫色表示键盘接口，用绿色表示鼠标接口。目前，键盘和鼠标的接口多为USB接口。

(2)并行接口。并行接口通常用于连接打印机等设备，具有较高的数据传输速率。“并行”是指8位数据同时通过并行线进行传输，数据传输速率可大大提高，但并行传输的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，所以运行时容易出错。常用的并行接口有LPT1、PRN接口，有些计算机还配有多个并行接口。

(3)串行接口。外置调制解调器通常连接在串行接口中，它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去的。这样，其传输速率相对于并行接口来说要低一些，但传送距离较并行接口的更长，因此长距离的通信应使用串行接口。

(4)USB接口。USB接口是近几年由Microsoft、Intel、IBM等大公司共同推出的一种新型接口，具有速度快、即插即用等特点。现在符合USB接口的设备越来越多，如喷墨打印机、扫描仪、键盘、鼠标、数码相机、移动硬盘、手机充电器等都设计为该类接口。

(5)音频接口。音频接口是集成了音频适配器(声卡)的主板所提供的接口。这种声卡通常为AC’97，提供三个接口，分别用于音频输出、音频输入和麦克风输入。

(6)硬盘接口。硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，其作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行速度的快慢和系统性能的好坏。从整体角度上看，硬盘接口分为IDE、SCSI、SATA和光纤通道等四种。IDE接口的硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器；SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场；光纤通道只用在高端服务器上，价格昂贵；SATA是一种新生的硬盘接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。

(7)电源。电源是为计算机中所有的部件提供电能的装置。质量差的电源不仅不能保证整个计算机系统的稳定性，而且会影响其他部件的使用寿命。电源的外观如图1-11所示。

(8)风扇。风扇用于解决主机箱的散热问题，以免因温度过高而损坏CPU。风扇的外观如图1-12所示。

2.输入设备

外部信息与计算机的接口称为输入设备。输入设备用于将程序和数据输入到计算机的内存。目前常用的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪、触摸屏、数码相机和数码摄像机等。

图1-11　电源的外观

图1-12　风扇外观

1)键盘

键盘是实现人机对话最基本的输入设备，同时也是计算机与外界交换信息的主要途径，知名度较好的键盘品牌有微软、罗技等。

按照键盘键数可分为101键键盘和104键键盘。

按照键盘内部结构可分为机械式键盘和电容式键盘。机械式键盘的按键全为触点式，每个按键就像一个按钮式的开关，按下去后，金属片就会和触点接触而连通电路。其优点是较易维修，缺点是击键响声大、手感差、磨损快、故障率较高。电容式键盘利用电容器电极间的距离变化来产生电容的电量变化，实现非接触的电流变化来对应不同的按键，是目前使用较广泛的一种键盘。其优点是按键开关采用封闭式包装、击键声音小、手感较好、使用寿命长，工作过程中不会出现接触不良等问题，灵敏度高、稳定性强；缺点是不易维修。

按照功能可将键盘分为功能键区、主键盘区、编辑控制键区和副键盘区四个大区，另外在键盘的右上方还有三个指示灯，如图1-13所示。

图1-13　键盘的外观

功能键区由位于键盘上部的一排按键组成。从左到右分别是：Esc键，一般起退出或取消作用；F1～F12共12个功能键，一般用做“快捷键”；Print Screen键，在DOS环境下，其功能是打印整个屏幕信息，在Windows环境下，其功能是把屏幕的显示作为图形存到内存中，以供处理；Scroll Lock键，在某些环境下可以锁定滚动条，在右边有一盏Scroll Lock指示灯，亮着表示锁定；Pause Break键，用于暂停程序或命令的执行。

主键盘区主要由字母键、数字键、符号键和制表键等键组成，其按键数目及排列顺序与标准英文打字机的基本一致，在通过主键盘区可以输入各种命令，但一般和编辑控制键区一起用于文字的录入和编辑。

编辑控制键区主要用于控制光标的移动。

副键盘区又称小键盘区或数字键区，是为提高数字输入的速度而增设的，由打字键区和编辑控制键区中最常用的一些键组合而成，一般被编制成适合右手单独操作的布局。只有一个Num Lock键较为特别，它是数字输入和编辑控制状态之间的切换键。当Num Lock键指示灯亮着的时候，表示副键盘区正处于数字输入状态；反之，则表示处于编辑控制状态。

计算机键盘中几种键位的功能说明如表1-1所示。

表1-1　计算机键盘中几种键位的功能说明

2)鼠标

鼠标是图形界面的操作系统中不可缺少的输入设备，可以代替键盘的大部分功能。鼠标对应于显示器屏幕上一个特定的标识，当在桌面上平移鼠标指针时，屏幕上的标识也会跟着移动，这个标识在屏幕的不同区域会有不同的形状，用户可通过定位、移动、单击、双击、拖曳等操作控制计算机完成相应的工作。

鼠标的工作原理是将鼠标移动方向、位移和键位信号编码后输入计算机，以确定屏幕上光标的位置，实现对计算机的操作。

从工作原理来分，鼠标有光电鼠标和机械式鼠标等两大类。光电鼠标具有定位准确、不易脏、寿命长等优点，适用于图形环境，但是价位较高。鼠标还有双键和三键之分。目前市场上又出现了一些比较新颖的鼠标，如无线鼠标、3D鼠标等。知名度较好的鼠标品牌有罗技、双飞燕等。各种鼠标的外观如图1-14所示。

图1-14　各种类型的鼠标外观

3)扫描仪

扫描仪是计算机为输入图片和文字而使用的一种输入设备，它内部有一套光电转换系统，可以将彩色图片、印刷品等各种图片信息自动转换成计算机图像数据，并传送给计算机，再由计算机进行图像处理、编辑、存储、打印输出或传送给其他设备。扫描仪的外观如图1-15所示。

4)其他输入设备

其他各种输入设备的外观如图1-16所示。

图1-15　扫描仪的外观

图1-16　其他各种输入设备的外观

(1)手写笔。手写笔一般是使用一支专门的笔，或者用手指在特定的区域内书写文字来进行文字输入。手写笔通过各种方法将笔或者手指走过的轨迹记录下来，然后识别为文字。对于不喜欢使用键盘或不习惯使用中文输入法的人来说这是非常有用的，因为它不需要学习输入法。手写笔还具有鼠标的作用，可以代替鼠标操作Windows，并用于精确制图，如可用于电路设计、CAD设计、图形设计、自由绘画，以及文本和数据的输入等。

(2)摄像头。摄像头可以作为数码摄像机的另一种形式，使用时需直接与计算机连接，将摄像结果即时保存到计算机中去。利用摄像头可以和远隔万里的朋友进行面对面的交流，也可以组建可视电话网络等，把自己或者目前的情况传给计算机另一端的朋友。

(3)麦克风。麦克风的作用就是采集声音信息，送入声卡。

(4)录音笔。录音笔是一种声音录入设备。它可以采集声音并存储成声音文件，其作用类似于数码照相机，只是采集对象不同。

(5)数码相机。数码相机是集光学、机械、电子于一体的产品。它集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有即时拍摄、图片数字化存储、简便浏览、与计算机交互处理等特点。数码相机的核心是成像感光器件，当感光器表面受到光线照射时，能把光线转换成电荷，通过模/数转换芯片转换成数字信号，所有感光器产生的信号叠加在一起，就构成一幅完整的画面，数字信号经过压缩后由相机内部的闪存和内置硬盘卡保存。

除以上提到的常用输入设备外，也可以把游戏手柄、游戏摇杆等设备当做计算机的输入设备。

3.输出设备

利用输出设备可将计算机处理后的结果信息转换成外界能够识别和使用的数字、字符、声音、图形、图像等信息形式，常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响设备等。当然，有些设备既可以作为输入设备，又可以作为输出设备，如软盘驱动器、硬盘、磁带机等。

1)显示器

计算机的显示系统由显示器与显示控制适配器两部分组成。显示器是计算机中重要的输出设备，其作用是将电信号转换成可以直接观察到的字符、图形或图像。用户通过它可以很方便地查看送入计算机的程序、数据、图形等信息及经过计算机处理后的中间结果和最后结果。

显示器按其显示内容可分为图形显示器、图像显示器和文字显示器；按显示色彩的颜色可分为单色显示器和彩色显示器(分辨率高)；按显示设备所用的显示器件的不同可分为阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)和发光二极管显示器(LED)等类型；按其扫描方式可分为光栅扫描显示器和随机扫描显示器；按分辨率高低可分为高分辨率显示器、低分辨率显示器和中分辨率显示器；根据显示管对角线的尺寸分有17 in、19 in等，尺寸越大，显示的有效范围就越大。生产显示器的著名制造商有LG、飞利浦等。各类显示器的外观如图1-17所示。

图1-17　各种类型的显示器外观

随着人们对环保和健康的要求越来越高，近年来，液晶显示器凭借节能和辐射少等优势在家用领域成为了首选。

2)打印机

如果要把显示的内容输出到纸张上，就必须使用打印机。打印机可以把计算机处理的信息，包括文本、图像等输出到纸张或其他介质上，以便保存与传播。所以，打印机也是计算机的重要输出设备。常见的打印机品牌有EPSON、Canon、HP和联想等。

打印机作为重要的计算机输出设备，其种类繁多。根据不同的分类标准，打印机的分类情况描述如下。

根据工作原理分类，有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等三种，如图1-18所示。

图1-18　各种类型的打印机外观

　针式打印机是较早的一类打印机，其工作原理是用一排针头把色带上的颜色按点阵图模式击打在纸上形成文字或图案。其优点是耗材便宜，可使用连续纸张；缺点是噪声大、速度不够快。针式打印机按打印头上的针的多少可分为9针式和24针式等类型。

　喷墨打印机的工作原理类似于针式打印机，只要把针式打印机的打印头换成喷墨头、色带换成墨盒，按点阵图模式在纸张上喷出图案墨点后烘干就可以了。这种打印机价格低廉，但是速度慢、耗材贵，适合于打印量不多的家庭使用。喷墨打印机基本都属于单页式打印机。

　激光打印机采用静电原理将墨粉烫印在纸张上，因此对纸的质量要求比较高。它的优点是速度快，打印效果非常好；缺点是价格高，特别是彩色激光打印机。

根据色彩分类，有彩色和单色之分。目前常见的针式打印机和激光打印机基本上都是单色(黑色)打印机，在办公室中普及率高。在家庭中使用较多的是彩色喷墨打印机。

根据打印纸张宽度和纸张大小分类，针式打印机有宽行和窄行之分。若使用专用纸，针式打印机可连续打印达几十米长的文字图案。根据打印纸张大小分类，常见的是A4幅面打印机，此外还有A3幅面和专业单位使用的A1、A2及更大幅面的打印机。

3)音箱

音箱是将音频信号变换为声音的一种设备。最为传统的音箱设计使用两个外形完全相同的立方体箱体，其中一个内置功放电路，称为主箱，另一个则称为副箱，两个箱体使用分频设计(即一个高音扬声器和一个中低音扬声器)，由主箱对音频信号进行放大处理后发出声音。音箱的外观如图1-19所示。

图1-19　音箱的外观

4. 外存储器

计算机的存储器由内存储器和外存储器两部分组成。内存储器最突出的特点是存取速度快，存储容量小；外存储器的特点是存取速度慢，存储容量大。内存储器用于存放当前要用的程序和数据；外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。需要指出的是，外存储器只能与内存储器交换信息，不能被计算机系统的其他任何部件直接访问。外存储器也称为辅助存储器，用于长期存放数据信息和程序信息。外存储器分为磁介质型存储器和光介质型存储器两种，磁介质型存储器常指硬盘和软盘，光介质型存储器则指光盘。

1)软盘

软磁盘存储器简称软盘，是一种在软质基片上涂有氧化铁磁层的记录介质，并封装在方形保护套内。软盘驱动器的磁头与盘面是在接触状态下工作的，转速很低，目前基本已被淘汰。3.5 in软盘的外形结构如图1-20所示。

软盘具有以下一些技术指标。

面数(side)。只能用一面存储信息的软盘称为单面软盘，且称此面为第0面。可用两面存储信息的软盘称为双面软盘，两面分别称为第0面和第1面。

磁道(track)。磁道是以盘片中心为圆心的一些同心圆轨道，每一圆周称为一个磁道，各磁道与中心的距离不等，如图1-21所示。数据是存储在软盘盘片的磁道上的。3.5 in软盘有80个磁道，磁道的编号从0开始，即0～79道。

图1-20　3.5 in软盘的外形结构

图1-21　软盘上的磁道与扇区

扇区(sector)。将每个磁道分成若干个区域，每一个区域称为一个扇区。扇区是软盘的基本存储单位。计算机进行数据读/写操作时，无论数据多少，总是读/写一个完整的扇区或几个扇区。每个磁道上的扇区数可为8、9、15或18，扇区编号从1开始。每个扇区容量为512个字节。图1-21所示为3.5 in双面高密软盘上磁道分布情况的示意图，图中有80个磁道，每个磁道有18个扇区，总的存储容量为1.44MB。

存储容量。存储容量指软盘所能存储的数据字节总数，常用千字节(KB)、兆字节(MB)或吉字节(GB)来表示。软盘存储容量可用下式计算：

存储容量=(字节数/扇区)×(扇区数/道)×(磁道数/面)×面数

例如，一张双面软盘，有80个磁道，18个扇区/道，其格式化存储容量为

512×18×80×2B=1474 560B≈1.44MB

2)硬盘

硬盘是计算机中利用磁记录技术在涂有磁记录介质的旋转圆盘上进行数据存储的辅助存储器。操作系统、各种应用软件和大量数据都存储在硬盘上。硬盘是磁存储器，不会因为关机或停电丢失数据。它具有容量大、数据存取速度快、存储数据可长期保存等特点，是各种计算机安装程序、保存数据的最重要存储设备。

(1)硬盘的信息存储结构。

硬盘驱动器和硬盘是作为一个整体密封在防尘盘盒内的，不能将硬盘从硬盘驱动器中取出，硬盘的外观如图1-22所示。硬盘是由若干张质地较硬的涂有磁性材料的金属圆形盘片叠加而成的，单一硬盘盘片是表面涂有磁性材料的无磁性的合金或塑料材料制成的，呈圆盘状，像一个表面极为光亮的金属盘。磁盘上有上千个磁道，呈同心圆排列。磁道由外至内编号为0号磁道、1号磁道、2号磁道、……，每个磁道构成一个密闭圆环，并被平均分为若干个扇区。一个扇区存储数据为512字节。扇区也有编号，称为1扇区、2扇区、……

图1-22　硬盘的外观

硬盘上若干个扇区构成簇，簇包含扇区个数的多少视硬盘大小而定。硬盘容量大则扇区个数多，反之就少。簇是一个重要的概念，是信息物理存储的单位。在对硬盘进行写操作时，只有上一个簇写满了，才能写下一个簇。所用磁道相同编号的扇区构成一个扇形，起始部分处于盘片的同一条半径上，结束部分也处于盘片的同一条半径上。硬盘中的多个磁盘片像一摞光盘一样放置，上下盘片相同的编号磁道和扇区必须重合，都串在主轴上，形成一个圆柱体，如图1-23所示。每个盘片上下表面都能存储信息，每面都有自己的磁头，读/写硬盘时，磁头在磁盘上来回移动，通过改变磁盘的磁性来进行数据的读取与写入，如图1-24所示。磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面，所有的磁头同步运动，某一时刻都处于对应盘片的相同编号的磁道和相同编号扇区。硬盘是按柱面号、磁头号和扇区存取信息的，数据在硬盘上的位置通过柱面号、磁头号和扇区号三个参数来确定。

图1-23　多个磁盘片

图1-24　硬盘驱动器与硬盘存储器的内部结构

根据盘片的以上排列规律，可以按下列公式计算出硬盘的总容量：

总容量=磁头数(盘片数×2)×磁道数×扇区数×每扇区字节数(512 B)

(2)硬盘的性能指标。

硬盘容量。硬盘容量是指在一块硬盘中可以容纳数据的容量。硬盘作为计算机最主要的外部存储器，其容量是第一性能指标。硬盘容量通常以吉字节为单位。硬盘的容量发展很迅速，已经从过去的几百兆字节发展到现在的几百吉字节。目前主流硬盘容量有120 GB、160 GB和500 GB等。

硬盘转速。硬盘转速指硬盘的电动机旋转的速度，它的单位是r/min，即每分钟多少转。硬盘转速是决定硬盘内部传输率的因素之一，它的快慢决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。目前，硬盘的转速主要有7 200 r/min和10 000 r/min两种。转速越快，硬盘的性能就越好，较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读/写时间。

高速缓存。硬盘数据传输率可以分为内部数据传输速率和外部数据传输速率，通常所说的数据传输速率是指外部数据传输速率，数据传输速率越高，硬盘性能越好。由于硬盘内部传输速率与硬盘外部传输速率目前还不能一致，必须通过缓存来缓冲，因此，高速缓存是计算机缓解数据交换速度差异使之同步的必备设备，高速缓存的大小对硬盘速度有较大影响。目前主流硬盘的高速缓存主要有2 MB和8 MB等，其类型是EDO DRAM或SDRAM，一般以SDRAM为主。硬盘高速缓存的工作方式是：读盘时，系统检查数据是否在高速缓存中，如果存在，则直接读取数据；写盘时，系统首先将数据写入高速缓存，直到磁盘空闲时才把高速缓存中的数据写入磁盘。

平均寻道时间。平均寻道时间是指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到移动至数据所在的磁道所花费时间的平均值，它在一定程度上体现了硬盘读取数据的能力，是影响硬盘内部数据传输速率的重要参数，单位为ms。不同品牌、不同型号的产品其平均寻道时间也不一样，但平均寻道时间越低，则产品性能越好，主流的硬盘产品平均寻道时间约在9 ms。

硬盘驱动器接口。硬盘驱动器接口是指连接硬盘驱动器和计算机的专用部件，它对计算机的性能以及扩充系统时计算机连接其他设备的能力有着很大影响。不同类型的接口往往制约着硬盘的容量，更影响硬盘速度的发挥。按接口来划分，硬盘接口主要有IDE接口、SCSI接口和SATA接口。

(3)硬盘的分区与格式化。硬盘在使用前需进行低级格式化，这一般由制造商完成。只有当硬盘出现严重问题或被病毒感染时，用户才需要对硬盘重新进行低级格式化。进行低级格式化必须使用专门的软件。

一块刚买的新硬盘是无法立即投入使用的，必须对它进行逻辑分区和格式化后才可以使用。因为硬盘的容量太大，存放的数据日积月累会非常庞大，此时查找某个文件必然会花费很多时间。解决办法就是对硬盘进行分区，即把一块物理硬盘按柱面划分成若干个分区(区域)，每个分区就可以当成一块独立的硬盘来用，用户可以把不同类型的数据存放在不同的分区内。在一个硬盘被划分成若干个分区后，第一个分区称为主分区，余下的部分称为扩展分区，扩展分区再次划分后，形成若干个逻辑分区。主分区和每个逻辑硬盘都有各自对应的一个盘符，硬盘的盘符总是从“C”开始，按顺序分配。有时，一台计算机也可以配备多个物理硬盘，每个硬盘划分分区的方法都相同，使用时Windows会自动给它们分配盘符。

3)光盘

光盘是注塑成形的碳粉化合物圆盘，其上涂了一层铅质的薄膜，最外面又涂了一层透明的聚氯乙烯塑料保护层。光盘是以激光束记录数据和读取数据的数据存储媒体，是一种新型的大容量辅助存储器，需要有光盘驱动器配合使用。与软盘和硬盘一样，光盘也能以二进制数据(由“0”和“1”组成的数据模式)的形式存储文件和数据信息。要在光盘上存储数据，首先必须借助计算机将数据转换成二进制，然后用激光按数据模式灼刻在扁平的、具有反射能力的盘片上。激光在盘片上刻出的小坑代表“1”，空白处代表“0”。

(1)光盘的种类。

光盘的种类很多，但其外观尺寸是一致的。一般光盘尺寸统一为直径12cm，厚度1mm。按读/写方式，光盘存储器大致可分为CD-ROM、CD-R、CD-RW和DVD等四种类型。

(2)光盘的特点。

　高容量。存入的信息可以是程序、操作的数据、图形和声音信息。

　标准化。光盘广泛应用的原因之一是产品的标准化，可在任一光盘驱动器中进行操作。

　持久性。一般来说，光盘的寿命长达数十年，甚至一百年。这是因为光盘在光驱中操作时是以非接触方式进行的，无磨损问题，也不会感染病毒。

　经济实用。目前，光盘驱动器与光盘价格逐步降低，光盘信息所覆盖的领域不断扩大，各种光盘出版物的种类及发行量大增。

此外，光盘还具有读取速度快、数据可靠性高、便于保存和携带、对保存环境要求不高等特点，是最适合保存多媒体数据的载体。

(3)光盘的保养。

光盘必须放在专用的容器内保存，而不能把它们堆放或叠放在一起。当需要把光盘放入光盘驱动器中进行阅读时，要用手指托住光盘的里、外边缘以避免指印，并且使标记面朝上，然后放入光盘驱动器的托盘中。此外，还要保护光盘不受强光照射，避免将光盘存放在过热、过冷或潮湿的地方。如果光盘变脏，则可用水或酒精清洗。注意不要使用玻璃清洁剂或溶剂，因为这些溶剂会使聚碳酸酯变模糊，甚至会侵入聚碳酸酯。用一块软布从中心向边缘轻轻擦拭，不能沿圆形轨边擦拭。

4)可移动存储器

除了以上几种辅助存储器外，现在还能见到U盘、移动硬盘等可移动存储设备。

(1)U盘。

U盘即USB盘的简称，而优盘只是U盘的谐音称谓。U盘是闪存的一种，因此也叫闪盘或者闪存盘，是采用闪存(flash memory)存储介质和通用总线接口以电擦写方式存储数据、制造的移动存储器。自1999年深圳朗科公司发明了U盘，开创了全球U盘行业以来，U盘就以其轻巧精致、容量大、速度快、使用与携带方便、即插即用、数据存储安全稳定、价格低等优点而很快流行起来，很多人已把U盘作为软盘的替代品。U盘一般接在USB接口上，U盘的外观如图1-25所示。部分品牌型号的U盘还具有加密功能。 U盘的使用寿命主要取决于存储芯片的寿命，通常情况下，闪存芯片至少可擦写100万次。U盘采用USB接口。对于操作系统是Windows 2000/Windows XP/Windows 2003/Windows Vista的系统或是苹果机系统，将U盘直接插到机箱前面板或后面的USB接口上，系统就会自动识别。

(2)移动硬盘。

移动硬盘(mobile hard disk)是以硬盘为存储介质、便携性的存储设备，其数据的读/写模式与标准IDE硬盘是相同的，其外观如图1-26所示。移动硬盘具有容量大、传输速率快、使用方便、可靠性强等特点。

图1-25　U盘的外观

图1-26　移动硬盘的外观