项目1计算机硬件选型与软件安装.docx
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项目1计算机硬件选型与软件安装
项目1计算机硬件选型与软件安装项目
1.计算机的发展及其应用；
2.计算机的系统组成和工作原理；
3.计算机的硬件选型及选型参考；
4.计算机系统软件和应用软件的安装。
1.掌握计算机的体系结构和工作原理；
2.了解计算机的硬件;
3.掌握计算机系统软件和应用软件的安装方法。
任务1计算机硬件选型
任务描述
计算机硬件选型是一个很细致的工作，它关系到所选的硬件组装到一起是否能正常工作。
本任务是通过计算机硬件基础知识的学习认识计算机的硬件，掌握计算机硬件的选型方法，完成计算机硬件的选型。
知识准备
一、计算机概述
计算机是一种能高速运算、具有内部存储能力、由程序控制其操作过程、自动运行的电子设备。
计算机诞生半个多世纪，它已经渗透到人类社会的各个领域，成为各行各业一种必不可少的基本工具，对人类社会和人们的生活产生越来越大的影响。
1计算机的发展简史
1）计算机的产生和发展
计算机作为一种计算工具，可追溯到我国的古代。
早在春秋战国时期人们就使用竹子制作算筹完成计算，唐代时出现算盘，宋朝已有算盘口诀。
到了17世纪，欧洲自然科学和机械制造业得到发展，制造出一台能帮助人进行计算的机器。
直到20世纪中叶，新兴的电子学和应用数学得到深入发展，第一台电子数字计算机推上了历史舞台，从此计算机对人类社会的发展和人们信息交流方式起了重大影响。
1946年在美国陆军总部的支持下，由宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台电子数字积分计算机——ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer），它使用了18000多个真空管，1500多只继电器，耗电150kW，重约30t，长达30m，占地170m2，造价48万美元。
它是世界上第一台真正能运转的大型电子计算机，该机字长12位，每秒可完成5000次加法运算，与以往的计算工具相比，计算速度提高了上千倍，主要用于计算弹道和氢弹的研究。
自第一台计算机问世以来，计算机在种类、性能、电路组成、制造工艺等方面都已发生了很大的变化，根据构成计算机硬件的逻辑电子元器件的不同，可将计算机的发展过程划分成四个时代。
（1）电子管计算机时代（1946—1958年）。
以电子管为主要元器件；主存储器采用汞延迟线或磁鼓；外存储器采用磁鼓和磁带；使用机器语言和汇编语言，主要用于科学及军事运算。
代表机型有EDVAC（第一台磁带计算机），UNIVAC-1（第一台商用计算机）。
（2）晶体管计算机时代（1958—1964年）。
以晶体管为主要元器件，使计算机体积缩小，重量减轻，成本下降，可靠性和速度明显提高；主存储器采用磁芯，外存储器采用磁鼓和磁带，后期也使用磁盘。
开始有系统软件，提出操作系统的概念，出现多种高级语言和编译程序，应用领域扩大到数据处理、事务管理、工业控制等方面。
代表机型有IBM-7090。
（3）集成电路计算机时代（1964—1972年）。
以中小规模集成电路为主要元器件，计算机体积更小，成本进一步降低，可靠性更高，功能更加强大。
主存储器采用半导体，外存储器采用磁盘和磁带等。
软件技术进一步成熟，并开始使用操作系统，出现了分时操作系统，使多用户可共享计算机资源。
在程序设计方面，采用结构化的程序设计，为研究更加复杂的软件提供了技术上的保证。
这一时期计算机主要用于系统模拟、系统设计、大型科学计算和科技工程诸领域。
代表机型有IBM-360（中型机）、IBM-370（大型机）、PDP-11（小型机）。
（4）大规模或超大规模集成电路计算机时代（1972年至今）。
由于采用大规模或超大规模集成电路构成的元器件，使计算机向微型化和巨型化发展，一方面出现微型计算机，另一方面巨型计算机也应运而生。
软件技术日趋完善，主存储器采用半导体，并具有虚拟存储能力。
这一代计算机存储容量之大、速度之快是前几代计算机不可比拟的。
计算机更新换代的特点是计算机的性能越来越增强，体积显著变小，价格急剧下降，应用领域更加广泛。
2）微型计算机诞生与发展
根据国际上流行的计算机分类方法，计算机可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等。
微型计算机以其体积小、耗电省、性能可靠、结构紧凑、使用灵活、价格便宜等特点，得到了迅速的发展。
在大规模和超大规模集成电路技术的支持下，1971年出现了微型计算机（简称微机），微型计算机升级换代的主要标志有两个，一个是微处理器，另一个是系统组成。
以微处理器的字长为主要特征可将微机的发展大概划分为以下五代。
第一代（1971—1973年）：
字长为4位微处理器发展阶段。
主要产品有Intel公司的4004、4040处理器，其特点是运算速度较慢，指令系统简单。
第二代（1973—1977年）：
字长为8位微处理器发展阶段。
与第一代比较集成度提高了1倍，速度提高了10倍左右，功能进一步得到了加强。
具有代表性的产品有Intel公司的Intel8080、Motorola公司的M6800和Zilog公司的Z80等。
第三代（1978—1981年）：
字长为16位微处理器发展阶段。
采用更先进的工艺制成的大规模、超大规模集成电路。
微处理器的性能与第二代比较提高了近10倍。
具有代表性的产品有Intel公司的Intel80286、Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000等。
第四代（1982—1992年）：
字长为32位微处理器发展阶段。
它们的集成度大多都在每片10万个晶体管以上，机器性能又比第三代提高很多。
具有代表性的产品有Intel公司的Intel386、Intel486等。
第五代（1992至现在）：
字长为64位微处理器发展阶段。
1992年美国Intel公司宣布推出第五代微处理器Pentium（奔腾）；1995年11月推出PentiumPro；1997年5月推出PentiumⅡ；1999年2月推出PentiumⅢ；2000年11月推出PentiumIV；2006年Intel推出了酷睿双核处理器；2007年Intel推出了酷睿四核处理器；2008年Intel推出了i7处理器；2010年Intel推出i3和i5处理器；2011年Intel推出了i3、i5和i7二代处理器，后来又有六核和多核处理器。
3）我国计算机的发展概况
1956年我国开始研制第一代计算机。
1958年组装调试成功了第一台电子管数字计算机103机，1959年研制成功大型通用电子管计算机104机，1960年研制成功了第一台自己设计的通用电子管计算机107机。
20世纪60年代初开始研制第二代计算机。
1963年研制成功第一台大型晶体管电子计算机109机，1965年研制成功109乙机，之后推出109丙机，该机在两弹试验中发挥了重要作用。
1965年开始研究第三代计算机。
1971年上海计算机厂研制成功第一台集成电路计算机TQ-16；1973年研制成功了集成电路的大型计算机150，主要用于石油、地质、气象和军事部门；1974年又研制成功了以集成电路为主要器件的DJS系列计算机。
20世纪70年代初开始研究第四代计算机。
1977年4月我国研制成功第一台微型计算机DJS-050，从此揭开了中国微型计算机的发展历史，如今已研制开发了长城系列、紫金系列、联想系列等微机并取得了迅速发展。
1983年12月，由国防科技大学研制成功每秒可做1亿次运算的“银河-Ⅰ”；1992年研制成功运算速度达10亿次的“银河-Ⅱ”；1997年研制成功“银河-Ⅲ”投入运行，速度为每秒130亿次，内存为9.15GB。
国家气象中心将“银河”系列巨型计算机应用到中长期数值天气预报业务，使我国成为当今世界少数几个能发布中长期数值天气预报的国家之一。
1999年，曙光2000-Ⅱ超级服务器问世，其峰值速度达到每秒1117亿次，内存高达50GB；1999年9月神威-I号并行计算机研制成功并投入运行，其峰值运算速度达到每秒3840亿次，它是我国在巨型计算机研制和应用领域取得的重大成果。
2001年2月，中科院计算所国家智能计算机研究开发中心研制成功4032亿次“曙光3000”大规模并行计算机系统，标志着我国的巨型计算机已迈入世界先进行列。
2003年3月推出了全球运算速度最快的商品化高性能计算机——曙光4000L，它采用2192个主频为2.4GHz的64位处理器，运算峰值达每秒十万亿次。
2008年8月曙光5000研制成功，标志着中国成为世界上即美国后第二个成功研制浮点速度在百万亿次的超级计算机。
近几年来，我国不仅高性能的计算机发展快，微型计算机的发展更为迅速。
2002年9月，我国首款可商业化、拥有自主知识产权的32位通用高性能CPU龙芯1号研制成功，标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了零的突破。
2005年4月，我国首款64位通用高性能微处理器龙芯2号正式发布，最高频率为500MHz，功耗仅为3～5W，已达到PentiumⅢ的水平。
我国的微型计算机生产近几年基本与世界水平同步，诞生了联想、长城、方正、同创、同方、浪潮等一批国产微机品牌，它们正稳步向世界市场发展。
4）计算机的发展趋势
计算机的发展速度是非常快的，至今经历了4个发展阶段，总的趋势朝着巨型化、微型化、网络化、智能化方向发展。
（1）巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、传输更快和功能更强。
为了满足尖端科学技术和智能计算机发展的需要，必须发展巨型计算机。
巨型计算机也是一个国家科技水平的重要标志。
（2）微型化是指计算机向体积更小、更实用、更便宜的方向发展，如笔记本电脑、平板电脑等。
另外，微型计算机已应用到仪器、仪表、机械设备的工业过程控制中，使仪器设备实现智能化。
（3）网络化是指将不同地理位置的具有独立功能的多台计算机通过通信设备和通信线路连接起来，在网络软件的支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享。
（4）智能化是指人工智能计算机系统能用自然语言、图形、图像和文件进行输入/输出；能用自然语言进行对话方式的信息处理；能处理和保存知识；能够自学和推理，帮助人类扩展自己的才能。
2.计算机的特点
计算机之所以能够渗透到人类社会的各个领域和国民经济的各部门，成为各行各业一种必备的基本工具，对人类社会和人们的生活产生了越来越大的影响，是因为计算机具有以下基本特点：
（1）计算机具有高速运算能力。
随着半导体技术和计算机技术的发展，计算机的运算速度已经从最初的每秒几千次提高到了每秒几十亿甚至几百亿次，计算机的高速运算是传统的计算工具无法比拟的。
（2）计算机具有很高的计算精度。
运算的精度主要取决于数据表示的有效位数，在计算机中与字长有关。
在许多科学计算和工程设计中，对精度的要求很高，一般的计算工具难以满足。
但使用计算机可以实现百亿分之一以上的计算精度，对一些特殊应用还可以用软件的方法增加精度。
（3）计算机具有超强的记忆能力。
可以把程序和原始数据、中间结果和最终结果信息存储起来，供需要时使用。
尤其是外存，存储容量更大，如一张普通的光盘有640MB，一个硬盘的容量可达TB级。
（4）计算机具有一定的逻辑判断能力。
计算机除了可以做普通计算工具所做的算术运算外，还具有逻辑运算功能，因此，计算机不仅可以用于科学计算，还可用于工业控制、数据处理、人工智能、辅助设计、通信等领域。
（5）计算机具有自动控制能力。
计算机的每一步操作都是由程序控制的。
由于计算机具有“记忆”和计算能力，可以把事先编好的程序存储在计算机的存储器中，数据处理和运算时基本上不需要人工干预就可完成，能够自动连续地进行工作，得到预期的工作目的。
3.计算机的分类
（1）计算机按处理数据的方式和结构原理,可分为数字计算机、模拟计算机和数字模拟混合计算机。
数字计算机是指用于处理数字数据的计算机，其特点是输入和输出的数据都是数字量，参与运算的数值用非连续的数字量表示，具有逻辑判断及关系运算等功能，目前广泛使用的计算机都是数字计算机；模拟计算机是指用于处理连续的模拟数据（如电压、温度等）的计算机，其特点是参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，由于受到元器件质量的影响，其计算精度较低，应用范围很窄；数字模拟混合计算机是指输入和输出既可以是数字数据，也可以是模拟数据的计算机，它将模拟技术与数字技术灵活地结合起来。
（2）计算机按用途和使用的范围，可分为通用计算机和专用计算机。
通用计算机适用于解决一般问题，如进行科学计算、数据处理和过程控制等，其适应性强、应用面广，具有很强的综合处理能力；专用计算机用于解决某一特定方面的问题，如在生产过程自动化控制、工业智能仪表等的专门应用，适用范围窄、结构简单。
（3）计算机按规模和处理功能，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机。
巨型计算机是指运算速度快、存储容量大。
这类计算机价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学的计算。
大/中型计算机是指通用性能好、外部设备负载能力强、处理速度快的一类计算机。
它有完善的指令系统，丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，并允许多个用户同时使用。
这类计算机主要用于科学计算、数据处理或作网络服务器。
小型计算机具有规模小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护和与外部设备连接容易等特点，是在20世纪60年代中期发展起来的一类计算机。
微型计算机又称个人计算机，简称微机，是以运算器和控制器为核心，由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口和系统总线构成，其体积小、价格低，是具有一定功能的计算机。
如果把这种计算机制作在一块印刷线路板上，就称为单板机。
如果在一块芯片中包含运算器、控制器、存储器和输入/输出接口，就称为单片机。
以微机为核心，再配以相应的外部设备（键盘、显示器、鼠标、打印机）、电源、辅助电路和控制微机工作的软件就构成了一个完整的微型计算机系统。
微型计算机是目前发展最快、应用最广泛的一种计算机。
目前，微型计算机与小型计算机乃至中、大型机之间的界限已经越来越模糊。
无论按哪一种方法分类，各类计算机之间的主要区别是以现今的运算速度、运算精度、存储容量及体积等。
4.计算机的应用
根据计算机应用的特点，可以将计算机的应用领域归纳为以下几个方面：
1）科学计算
利用计算机解决科研和工程设计等方面的数学计算，称为科学计算或数值计算。
在科研、军事和工程设计中，实现高次代数方程组、高阶微分方程组、含几百个未知数的线性方程组等运算。
2）数据处理
数据处理是指对各种数据进行收集、存储、加工和传输的一系列活动的总和。
数据处理的特点是原始数据量大，算术运算较简单，有大量的逻辑运算和判断，结果要求以表格或文件的形式存储或输出等。
如企业生产管理、财务管理、仓库管理、各种统计报表等。
3）实时控制
实时控制是指计算机及时地采集、检测被控对象运行情况的数据，并对这些数据进行分析处理，然后按照某种最佳的控制规律发出控制信号，控制对象的运行过程。
实时控制在工业控制和航空航天领域得到广泛的应用。
4）计算机辅助系统
计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助测试、辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统。
主要有以下几个方面：
（1）计算机辅助设计（CAD：
ComputerAidedDesign）是指利用计算机帮助设计人员完成具体设计任务，提高设计工作的自动化程度和质量的一门新技术。
CAD技术是近年来迅速发展的一个主要领域，广泛应用于机械、电子、建筑等行业的设计。
（2）计算机辅助教学（CAI：
ComputerAidedInstruction）是指教师为了提高教学效果，利用以计算机为中心的丰富的教学资源，改进传统教学方式，使学生通过与计算机交互对话进行学习的一种教学形式。
计算机辅助教学与传统教学模式相比，计算机辅助教学更能调动学生的积极性、主动性，教学内容有更强的针对性和灵活性，从而极大地提高了教学质量。
随着多媒体技术的成熟，计算机网络的发展，远程教育已成现实。
（3）计算机辅助制造（CAM：
ComputerAidedManufacturing）是指利用计算机进行生产的规划、管理和控制产品制造的过程，使设计和制造作为一个整体来实现。
5）计算机通信
计算机技术和通信技术的结合，使计算机在通信技术领域得到广泛应用。
尤其是计算机网络的快速发展，国际互联网用户的迅速普及以及国际物联网的快速发展，已经使越来越多的人认识到计算机通信的重要性。
6）人工智能
人工智能是研究如何用人工的方法和技术来模仿、延伸和扩展人的智能，以实现某些“机器思维”或脑力劳动自动化的一门科学。
人工智能研究应用领域包括：
模式识别、自然语言的理解与生成、自动定理证明、联想与思维的机理、数据智能检索、专家系统、自动程序设计等。
如计算机模拟人脑的部分功能进行学习、推理、联想和决策；模拟医生给病人诊断病情的医疗诊断专家系统；以及机器人的出现等都是人工智能研究取得的成果。
二、计算机系统结构
1.计算机硬件结构
1945年，冯·诺依曼首先提出“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。
根据冯·诺依曼计算机体系结构原理构成的计算机，能够把需要的程序和数据送至计算机中；具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据的加工处理；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。
因此，计算机硬件由输入设备、存储器、运算器、控制器和输出设备五大部分组成，相互关系如图1-1所示。
图1-1计算机硬件结构
1）输入设备
输入设备是用来接收用户输入计算机的源程序、数据及各种信息，并把它们转换成计算机能够识别的二进制代码送给内存储器。
常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔和扫描仪等。
2）存储器
存储器是存放计算程序及参与运算的各种数据的部件，存储器分为内部存储器和外部存器两部分。
（1）内部存储器简称内存，又称主存。
在计算机运行时，内存一方面不停地给运算器提供数据；另一方面保存从运算器送回的计算结果，保存程序且不断地取出指令送给控制器。
内存主要采用半导体集成电路构成，它可以与CPU、输入设备和输出设备直接交换信息。
CPU需要的指令和数据必须从内存中读取，而不能从其他输入设备和输出设备中获得，因此内存是CPU和外部设备的枢纽。
内存根据工作方式的不同可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
计算机在工作过程中能够从只读存储器中读出数据，但不能向其中写入数据，断电后只读存储器中的数据仍能长期保存；而随机存储器则可以随时读出所存放的数据，又可以随时写入新的数据，但断电后其中的内容全部丢失。
（2）外部存储器简称外存，又称辅存，主要用来存储用户所需的大量数据。
其特点是存储容量大，可靠性高，价格低。
外存大多采用磁性材料、光学材料和电材料制成，如磁盘、光盘、U盘等。
3）运算器
运算器又叫算术逻辑单元，它接收由存储器送来的二进制代码，并对其进行算术运算和逻辑运算。
算术运算是指加、减、乘、除等四则运算；逻辑运算是指与、或、非、比较等运算。
通常由算术逻辑运算部件（ALU）、累加器及通用寄存器组成。
4）控制器
控制器用来控制和协调计算机各部件自动、连续地执行各条指令。
通常由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。
运算器和控制器是计算机的核心部件，这两部分合称中央处理单元（CPU）；通常将运算器和控制器集成在一块芯片上制成大规模集成电路，作为一个单独的器件，称为微处理器。
5）输出设备
输出设备是把内存储器中由计算机处理后的结果转换成人们能够识别的数字、字符、图形、声音等信息形式的设备。
常用的输出设备有显示器、打印机、音响设备等。
通常人们把外存储器、输入设备和输出设备等称为计算机的外部设备，简称为外设。
2.基本工作原理
计算机的工作过程就是执行程序的过程，程序存储在内存中，程序中的每一个操作步骤都是指示计算机做什么和怎样做的命令，这些用来控制计算机、告诉计算机进行怎样操作的命令称为计算机指令。
只要这些指令能被计算机理解，计算机就能自动按程序取出指令，根据指令的要求控制机器各个部分运行，也称之为“存储程序”原理。
在计算机中，计算程序及数据是用二进制代码表示的，计算机只能存储并识别以二进制代码表示的计算程序和数据。
1）计算机执行程序过程
计算机执行程序过程又分为取指令、分析指令和执行指令三个步骤。
即从内存中取出要执行的指令并送到CPU中，分析指令要完成的动作，然后执行操作，直到结束运行程序的指令为止。
程序执行过程如图1-2所示。
2）计算机工作过程
从程序的执行过程可见，在计算机工作中有三种信息在流动：
数据信息、指令信息和控制信息。
数据信息是指各种原始数据、中间结果和源程序等。
这些信息由输入设备送到外存中。
在运算过程中，数据从外存读入内存，由内存到CPU的运算器进行运算，运算后将计算结果再存入外存，或经输出设备输出。
指令信息是指挥计算机工作的具体操作命令。
控制信息是由全机的指挥中心控制器发出的，根据指令向计算机各部件发出控制命令，协调计算机各部分的工作。
计算机工作过程如图1-3所示。
图1-2程序执行过程图1-3计算机工作过程
3.微型计算机主要硬件系统组成
微型计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的。
组成计算机物理实体的系统称为计算机硬件系统，是计算机工作的基础。
指挥计算机协调工作的各种程序的集合系统称为计算机软件系统，是计算机的灵魂，是控制和操作计算机工作的核心。
没有软件的计算机称为裸机，裸机是无法工作的。
硬件系统和软件系统在计算机系统中相辅相成、缺一不可，它们的有机结合才是一个完整的计算机系统。
一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统，如图1-4所示。
图1-4微型计算机系统
微型计算机（简称微机）是以微处理器为核心，配有存储器、主板和输入/输出设备的总线结构的计算机。
1）微处理器—CPU
CPU（CentralProcessingUnit），即中央处理器，是整个计算机系统的核心，它能进行各种运算和指令分析，并产生相应的操作和控制信息。
CPU的性能可代表计算机的档次和水平。
常见厂家CPU如图1-5所示。
图1-5常见厂家CPU
CPU的主要参数有字长、运算速度、主频、倍频、外频、高速缓存Cache、工作电压、系统总线等。
（1）字长是指CPU可以同时处理的二进制数据的位数。
微处理器按字长可分为8位、16位、32位、64位。
（2）运算速度是指用每秒钟能执行多少条指令，单位为百万条指令/秒（MIPS）（MilionofInstructionsPerSecond百万条指令/秒）。
（3）主频也称内频，是指CPU的内部时钟频率，也就是CPU的工作频率。
主频越高，CPU速度也就越快。
外频是指CPU系统总线的时钟频率，简称总线频率。
外频越高，CPU与外部Cache和内存之间的交换数据的速度越快。
倍频是指CPU主频与外频的倍数。
三者的关系为主频＝外频×倍频。
（4）高速缓存Cache。
CPU内置L1Cache和L2Cache，由静态RAM组成，可以大大提高CPU的运行效率，结构较复杂。
（5）工作电压是指CPU正常工作所需的电压。
早期CPU的工作电压一般为5V，随着CPU的制造工艺与主频的提高，近年来CPU的工作电压已降至1.2V以下，以解决发热过高的问题。
（6）系统总线按功能可分为地址总线、数据总线和控制总线等三种，它们分别传送地址、数据和控制信号。
地址总线用于选择信息传送的设备。
地址总线宽度决定CPU可以访问的物理空间，也就是CPU能够使用多大容量的内存。
386DX至Pentium4的地址总线宽度为32位，可以访问的地址空间为4GB（232B），现在地址总线宽度已到64位，可以访问的地
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