计算机硬件系统
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大学计算机基础
清华大学出版社
第2章 计算机硬件系统
本章的学习目标： 了解计算机系统的组成与工作原理 了解计算机的硬件系统 了解计算机的软件系统 掌握计算机的组装方法
2016年2月29日
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2.1 计算机系统的组成与工作原 理
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2.1.1 计算机的组成 计算机由许多部件组成，总的来说，一个完整的计算机系统由两大部分组成 ，即硬件系统和软件系统，如图2-1所示。
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2016年2月29日
第10页
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2.2.3 存储器
存储器是计算机中具有记忆能力的部件，用来存放程序或数据。存储器容量 越大、存取速度越快越好。计算机的操作，大量需要CPU和与存储器之间交 换信息。存储器的工作速度比CPU的运算速度要低得多。存储器的工作速度 是制约计算机运算速度的主要因素之一。 目前计算机的存储系统由各种不同的存储器组成。通常至少有两级存储器： 一个是包含在计算机中的内存储器（简称内存），它直接和运算器、控制器 联系，容量小，但存取速度快，用于存放那些急需处理的数据或正在运行的 程序；另一个是外存储器（简称外存），它间接和运算器、控制器联系，存 取速度慢，但存取容量大，价格低廉，用来存放暂时不用的和永久性的数据 。
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2.2 计算机的软件系统
只有硬件，计算机还不能发挥其作用，还必须为计算机安装软件。计算机的 软件系统指的是在硬件设备上运行的各种程序、数据及有关的资料。它包括 系统软件和应用软件两种。系统软件为操作系统、语言处理系统、数据库系 统、分布式软件系统等。应用软件主要指的是针对某项工作专门开发的一组 程序，如Office系列软件等。
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2.1.2 计算机的工作原理
在介绍计算机的基本工作原理之前，先说明几个相关的概念。 所谓指令，是指挥计算机进行基本操作的命令，是计算机能够识别的一组二 进制编码。把能够完成某一任务的所有指令(或语句)有序地排列起来，就组 成程序。
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2. 外存储器 硬盘(Hard Disk)是计算机中不可缺少的存储设备,由一组大小相同、涂有磁 性材料的铝合金或玻璃片环绕一个共同的轴心组成。通常，硬盘盘片和驱动 装置合为一体，盘片完全密封在驱动器内，不可更换。每个磁盘的表面都装 有一个读写磁头，在控制器的统一控制下沿着磁盘表面径向同步移动。硬盘 的外观及内部结构如图2-7所示。
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2.2 计算机的硬件系统
计算机的硬件系统是整个计算机系统进行工作的基础，也是决定计算机性能 的主要因素。这些硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入和输出设 备等。下面将对计算机的主要硬件组成部分进行简要的介绍。 2.2.1 主板 主板又叫母板(Motherboard)，如图2-3所示。主板是整个计算机硬件系统中 最重要的部件之一，它是整个计算机系统平台的载体，也是系统中各种信息 交流的中心。主板的类型和档次决定着整个计算机系统的类型、档次和性能 。图2-4是电脑的各个组件图。
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(2) 在计算机内采用二进制的编码方式。 (3) 程序和数据一样，都存放在存储器中(即存储程序)。 (4) 计算机按照程序逐条取出指令加以分析，并执行指令规定的操作(即程序 控制)。
图2-2中，实线为数据和程序， 虚线为控制命令。
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② 读写时间 从存储器读一个字或向存储器写入一个字所需的时间为读写时间。两次独立 的读写操作之间所需的最短时间称为存储周期。本指标反映存储器的存取速 度，早期的存取周期有60ns、70ns、80ns等几种，目前的存取周期有7ns 、8ns、10ns等几种。
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现代计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。这一原理是美籍匈牙利 数学家冯· 诺伊曼于1946年提出的，因此，又称为冯· 诺伊曼原理。其主要思 想是： (1) 计算机硬件由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和 输出设备。
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(2) 内存的分类 ① 只读存储器ROM 存储在ROM中的数据理论上是永久的，即使在关机后保存在ROM中的数据 也不会丢失。因此，ROM中常用于存储微型机的重要信息，如主板上的 BIOS等。 ② 随机存取存储器(RAM) RAM主要用来存放系统中正在运行的程序、数据和中间结果，以及用于与外 部设备的信息交换。它的存储单元根据需要可以读出、也可以写入，但它只 能用于暂时存放信息，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失。随 机存储器就是通常所说的内存条。随机存储器又分为动态随机存储器 (DRAM)和静态随机存储器(SRAM)。目前比较常用的内存条有SDRAM和 DDR SDRAM等，如图2-6所示。
2016年2月29日Fra bibliotek第19页
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2.2.9 键盘和鼠标
图2-20(b) 手指击键分工
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表1-2
Windows标志键的用法
键 功
打开开始菜单 打开“资源管理器”，浏览“我的电脑” 最小化所有窗口，显示桌面 恢复窗口上一次的状态 打开“搜索”窗口，查找文件
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第22页
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2.3 计算机的常用外部设备
计算机的常用外部设备主要包括打印机、扫描仪、音箱、手写板、U盘和移 动硬盘等。
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4 组装计算机
. 2.4.1 在线模拟组装计算机 可登陆ZOL模拟攒机（网址/），进行组装计算机前的配 置选购。如图2-26所示。
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2.2.5 声卡
声卡也叫音频卡，是多媒体计算机中的重要部件，可以实现声波/数字信号的 相互转换，声卡是对送来的声音信号进行处理，然后再由声卡送到音箱进行 还原。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。 声卡主要由音效处理芯片、游戏/MIDI插口、线性输入输出插口、话筒输入插 口和内置声音输出接口组成。目前大部分主板都集成了音效处理芯片，用户 一般无须另外购置独立的声卡。图2-9所示为主板集成的音效处理芯片，图210所示为主板后部的集成声卡接口。
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③ 高速缓冲存储器
高速缓冲存储器是位于CPU和主内存DRAM之间的规模较小但速度很高的存 储器，通常由SRAM组成。依据程序访问的局部化性质，把在一段时间内一 定地址范围被频繁访问的信息集合，成批地从主存中读到一个能高速存取的 小容量存储器中存放起来，供程序在这段时间内随时采用，而减少或不再去 访问速度较慢的主存，就可以加快程序的运行速度。这个介于CPU和主存之 间的高速小容量存储器就称之为高速缓冲存储器，简称Cache。目前，CPU 一般设有一级缓存(L1 Cache)、二级缓存(L2 Cache)和三级缓存(L3 Cache) 。 在CPU需要数据的时候，遵循一级缓存→二级缓存→三级缓存→内存→外存 的顺序，从而尽量提高读取速度。 较高端的CPU中，还会带有三级缓存，它是为读取二级缓存后未命中的数据 设计的—种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约 5%的数据需要从内存 中调用，这进一步提高了CPU的效率。
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1. 内存储器
内存储器又称为主存储器，实质上是一组或多组具备数据输入输出和存储功 能的集成电路。内存储器的主要作用是用来存放计算机系统执行时所需要的 数据，存放各种输入、输出数据和中间计算结果，以及与外部存储器交换信 息时作为缓冲。内存储器存取速度较快，由于价格上的原因，一般容量较小 。 (1) 内存储器的主要技术指标 ① 存储器容量 在内存储器中含有大量存储单元，每个存储单元可存8位二进制信息(bit，b) ，这样的存储单元称为一个字节(Byte，B)。存储器容量是指存储器中包含 的字节数，通常以KB、MB、GB、TB作为存储器容量单位，其中：1B=8b ，1KB＝1024B，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB=1024GB。
2016年2月29日
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2.2.6 网卡
网卡(Network Interface Card)也称网络适配器，它是连接计算机与网络的 硬件设备，是计算机上网必备的硬件之一。网卡的主要作用是通过网线(双绞 线、同轴电缆等)或其他的媒介来实现与网络中的其他用户共享资源和交换数 据的功能。
能
Windows键 Windows +E键 Windows +D键 再次按Windows +D键 Windows +F键
Windows +R键
Windows +F1键 Windows +Pause键 Windows + Tab键 2016年2月29日
激活“运行”对话框
打开“Windows帮助”窗口 打开“系统特性”对话框 激活下一个任务栏按钮 第21页
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2016年2月29日
图2-26 在线模拟组装计算机
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2016年2月29日
图2-27 安装流程图
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2.4.6 制作装系统用u盘启动盘
下面介绍大白菜装机版一键制作启动u盘。 使用大白菜装机版制作u盘启动盘之前，需要准备一个存储空间大于2G的空 白u盘。 第一步：下载并且安装好大白菜装机版，打开安装好的大白菜装机版，插入 u盘等待软件成功读取到u盘之后，点击【一键制作启动u盘】进入下一步操 作。如图2-44所示。
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图2-44 大白菜软件界面
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2.2.2 中央处理器(CPU)
中央处理器也叫CPU（Central Processing Unit），是一块超大规模的集成 电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。主 要包括运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache ）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。CPU 的外观如图2-5所示。 CPU主要由基板、核心和针脚等3部分组成。
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首先，在控制器的作用下，计算所需的原始数据和计算步骤的程序指令通过 输入设备送入计算机的存储器中。 然后，控制器向存储器发送取指命令，存储器中的程序指令被送入控制器中 。控制器对取出的指令进行译码，接着向存储器发送取数指令，存储器中的 相关的运算数据被送到运算器中。控制器向运算器发送运算指令，运算器执 行运算，并得到结果，并把运算结果存入存储器中。控制器向存储器发出取 数指令，数据被送往输出设备。 最后，控制器向输出设备发送输出指令，输出设备将计算机结果输出。一系 列的操作完成以后，控制器再从存储器中取出下一条指令，进行分析，执行 该指令，周而复始地重复“取指令、分析指令、执行指令”的过程，直到程 序中的全部指令执行完毕为止。
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2.2.4 显卡
显卡是显示卡(Display Card)的简称，它的作用是控制计算机的图形输出， 是将CPU发送来的影像数据经过处理后，转换成数字信号或模拟信息，再将 其传输到显示器上显示。显卡的外观如图2-8所示。
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第2章 计算机硬件系统
本章的学习目标： 了解计算机系统的组成与工作原理 了解计算机的硬件系统 了解计算机的软件系统 掌握计算机的组装方法
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2.1 计算机系统的组成与工作原 理
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2.1.1 计算机的组成 计算机由许多部件组成，总的来说，一个完整的计算机系统由两大部分组成 ，即硬件系统和软件系统，如图2-1所示。
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2.2.3 存储器
存储器是计算机中具有记忆能力的部件，用来存放程序或数据。存储器容量 越大、存取速度越快越好。计算机的操作，大量需要CPU和与存储器之间交 换信息。存储器的工作速度比CPU的运算速度要低得多。存储器的工作速度 是制约计算机运算速度的主要因素之一。 目前计算机的存储系统由各种不同的存储器组成。通常至少有两级存储器： 一个是包含在计算机中的内存储器（简称内存），它直接和运算器、控制器 联系，容量小，但存取速度快，用于存放那些急需处理的数据或正在运行的 程序；另一个是外存储器（简称外存），它间接和运算器、控制器联系，存 取速度慢，但存取容量大，价格低廉，用来存放暂时不用的和永久性的数据 。
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2.2 计算机的软件系统
只有硬件，计算机还不能发挥其作用，还必须为计算机安装软件。计算机的 软件系统指的是在硬件设备上运行的各种程序、数据及有关的资料。它包括 系统软件和应用软件两种。系统软件为操作系统、语言处理系统、数据库系 统、分布式软件系统等。应用软件主要指的是针对某项工作专门开发的一组 程序，如Office系列软件等。
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2.1.2 计算机的工作原理
在介绍计算机的基本工作原理之前，先说明几个相关的概念。 所谓指令，是指挥计算机进行基本操作的命令，是计算机能够识别的一组二 进制编码。把能够完成某一任务的所有指令(或语句)有序地排列起来，就组 成程序。
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2. 外存储器 硬盘(Hard Disk)是计算机中不可缺少的存储设备,由一组大小相同、涂有磁 性材料的铝合金或玻璃片环绕一个共同的轴心组成。通常，硬盘盘片和驱动 装置合为一体，盘片完全密封在驱动器内，不可更换。每个磁盘的表面都装 有一个读写磁头，在控制器的统一控制下沿着磁盘表面径向同步移动。硬盘 的外观及内部结构如图2-7所示。
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2.2 计算机的硬件系统
计算机的硬件系统是整个计算机系统进行工作的基础，也是决定计算机性能 的主要因素。这些硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入和输出设 备等。下面将对计算机的主要硬件组成部分进行简要的介绍。 2.2.1 主板 主板又叫母板(Motherboard)，如图2-3所示。主板是整个计算机硬件系统中 最重要的部件之一，它是整个计算机系统平台的载体，也是系统中各种信息 交流的中心。主板的类型和档次决定着整个计算机系统的类型、档次和性能 。图2-4是电脑的各个组件图。
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(2) 在计算机内采用二进制的编码方式。 (3) 程序和数据一样，都存放在存储器中(即存储程序)。 (4) 计算机按照程序逐条取出指令加以分析，并执行指令规定的操作(即程序 控制)。
图2-2中，实线为数据和程序， 虚线为控制命令。
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② 读写时间 从存储器读一个字或向存储器写入一个字所需的时间为读写时间。两次独立 的读写操作之间所需的最短时间称为存储周期。本指标反映存储器的存取速 度，早期的存取周期有60ns、70ns、80ns等几种，目前的存取周期有7ns 、8ns、10ns等几种。
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现代计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。这一原理是美籍匈牙利 数学家冯· 诺伊曼于1946年提出的，因此，又称为冯· 诺伊曼原理。其主要思 想是： (1) 计算机硬件由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和 输出设备。
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(2) 内存的分类 ① 只读存储器ROM 存储在ROM中的数据理论上是永久的，即使在关机后保存在ROM中的数据 也不会丢失。因此，ROM中常用于存储微型机的重要信息，如主板上的 BIOS等。 ② 随机存取存储器(RAM) RAM主要用来存放系统中正在运行的程序、数据和中间结果，以及用于与外 部设备的信息交换。它的存储单元根据需要可以读出、也可以写入，但它只 能用于暂时存放信息，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失。随 机存储器就是通常所说的内存条。随机存储器又分为动态随机存储器 (DRAM)和静态随机存储器(SRAM)。目前比较常用的内存条有SDRAM和 DDR SDRAM等，如图2-6所示。
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2.2.9 键盘和鼠标
图2-20(b) 手指击键分工
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表1-2
Windows标志键的用法
键 功
打开开始菜单 打开“资源管理器”，浏览“我的电脑” 最小化所有窗口，显示桌面 恢复窗口上一次的状态 打开“搜索”窗口，查找文件
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2.3 计算机的常用外部设备
计算机的常用外部设备主要包括打印机、扫描仪、音箱、手写板、U盘和移 动硬盘等。
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4 组装计算机
. 2.4.1 在线模拟组装计算机 可登陆ZOL模拟攒机（网址/），进行组装计算机前的配 置选购。如图2-26所示。
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2.2.5 声卡
声卡也叫音频卡，是多媒体计算机中的重要部件，可以实现声波/数字信号的 相互转换，声卡是对送来的声音信号进行处理，然后再由声卡送到音箱进行 还原。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。 声卡主要由音效处理芯片、游戏/MIDI插口、线性输入输出插口、话筒输入插 口和内置声音输出接口组成。目前大部分主板都集成了音效处理芯片，用户 一般无须另外购置独立的声卡。图2-9所示为主板集成的音效处理芯片，图210所示为主板后部的集成声卡接口。
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③ 高速缓冲存储器
高速缓冲存储器是位于CPU和主内存DRAM之间的规模较小但速度很高的存 储器，通常由SRAM组成。依据程序访问的局部化性质，把在一段时间内一 定地址范围被频繁访问的信息集合，成批地从主存中读到一个能高速存取的 小容量存储器中存放起来，供程序在这段时间内随时采用，而减少或不再去 访问速度较慢的主存，就可以加快程序的运行速度。这个介于CPU和主存之 间的高速小容量存储器就称之为高速缓冲存储器，简称Cache。目前，CPU 一般设有一级缓存(L1 Cache)、二级缓存(L2 Cache)和三级缓存(L3 Cache) 。 在CPU需要数据的时候，遵循一级缓存→二级缓存→三级缓存→内存→外存 的顺序，从而尽量提高读取速度。 较高端的CPU中，还会带有三级缓存，它是为读取二级缓存后未命中的数据 设计的—种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约 5%的数据需要从内存 中调用，这进一步提高了CPU的效率。
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1. 内存储器
内存储器又称为主存储器，实质上是一组或多组具备数据输入输出和存储功 能的集成电路。内存储器的主要作用是用来存放计算机系统执行时所需要的 数据，存放各种输入、输出数据和中间计算结果，以及与外部存储器交换信 息时作为缓冲。内存储器存取速度较快，由于价格上的原因，一般容量较小 。 (1) 内存储器的主要技术指标 ① 存储器容量 在内存储器中含有大量存储单元，每个存储单元可存8位二进制信息(bit，b) ，这样的存储单元称为一个字节(Byte，B)。存储器容量是指存储器中包含 的字节数，通常以KB、MB、GB、TB作为存储器容量单位，其中：1B=8b ，1KB＝1024B，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB=1024GB。
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2.2.6 网卡
网卡(Network Interface Card)也称网络适配器，它是连接计算机与网络的 硬件设备，是计算机上网必备的硬件之一。网卡的主要作用是通过网线(双绞 线、同轴电缆等)或其他的媒介来实现与网络中的其他用户共享资源和交换数 据的功能。
能
Windows键 Windows +E键 Windows +D键 再次按Windows +D键 Windows +F键
Windows +R键
Windows +F1键 Windows +Pause键 Windows + Tab键 2016年2月29日
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打开“Windows帮助”窗口 打开“系统特性”对话框 激活下一个任务栏按钮 第21页
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2.4.6 制作装系统用u盘启动盘
下面介绍大白菜装机版一键制作启动u盘。 使用大白菜装机版制作u盘启动盘之前，需要准备一个存储空间大于2G的空 白u盘。 第一步：下载并且安装好大白菜装机版，打开安装好的大白菜装机版，插入 u盘等待软件成功读取到u盘之后，点击【一键制作启动u盘】进入下一步操 作。如图2-44所示。
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2.2.2 中央处理器(CPU)
中央处理器也叫CPU（Central Processing Unit），是一块超大规模的集成 电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。主 要包括运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache ）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。CPU 的外观如图2-5所示。 CPU主要由基板、核心和针脚等3部分组成。
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首先，在控制器的作用下，计算所需的原始数据和计算步骤的程序指令通过 输入设备送入计算机的存储器中。 然后，控制器向存储器发送取指命令，存储器中的程序指令被送入控制器中 。控制器对取出的指令进行译码，接着向存储器发送取数指令，存储器中的 相关的运算数据被送到运算器中。控制器向运算器发送运算指令，运算器执 行运算，并得到结果，并把运算结果存入存储器中。控制器向存储器发出取 数指令，数据被送往输出设备。 最后，控制器向输出设备发送输出指令，输出设备将计算机结果输出。一系 列的操作完成以后，控制器再从存储器中取出下一条指令，进行分析，执行 该指令，周而复始地重复“取指令、分析指令、执行指令”的过程，直到程 序中的全部指令执行完毕为止。
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显卡是显示卡(Display Card)的简称，它的作用是控制计算机的图形输出， 是将CPU发送来的影像数据经过处理后，转换成数字信号或模拟信息，再将 其传输到显示器上显示。显卡的外观如图2-8所示。
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