第3章 计算机基础知识.ppt
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1、第3章 计算机基础知识,3.1 计算机的基本组成及工作原理3.2 计算机硬件子系统3.3 计算机软件子系统3.4 数据表示3.5 数据存储3.6 多媒体技术基础,3.1 计算机的基本组成及工作原理,计算机的基本组成/硬件逻辑图,3.1 计算机的基本组成及工作原理,计算机的工作原理运算器(arithmetic unit):算术逻辑部件(Arithmetic Logical Unit, ALU)完成算术运算(加、减,乘、除)和逻辑运算(与、或、非、异或),以及移位(shift)、比较(cmp)、传送(mov)等运算。累加器、状态寄存器(accumulator)、通用寄存器组等组成,控制器(Cont
2、rol Unit):控制计算机各部分协调工作,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成。功能:它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。,3.1 计算机的基本组成及工作原理,计算机的工作原理存储器:存放数据和
3、程序。输入设备:将数据和程序输入计算机。输出设备:将运算结果输出。,分类:按存储介质半导体存储器:用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器:用磁性材料做成的存储器。按存储方式随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器:只能按某种顺序来存取,存取时间和存储单元的物理位置有关。按读写功能只读存储器(ROM):存储的内容是固定不变的,只能读出而不能写入的半导体存储器。随机读写存储器(RAM):既能读出又能写入的各存储器之间的关系 半导体存储器。按信息保存性非永久记忆的存储器:断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器:断电后仍能保存信息的存储器。按用途
4、根据存储器在计算机系统中所起的作用,可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。为了解决对存储器要求容量大,速度快,成本低三者之间的矛盾,通常采用多级存储器体系结构,即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。存储系统的分级结构 用途特点高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快,但存储容量小主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快,存储容量不大外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大,位成本低,3.2 计算机硬件子系统,中央处理器(主要包含运算器和控制器)内存储器外存储器输入设备输出设备主板总线,3.2.1 中央处理器,基本组成运算器
5、控制器寄存器芯片化的CPU称为微处理器,CPU的两大体系:RISC(Reduced Instruction Set Computer),其包括ARM/MIPS/PowerPC处理器。CISC(Complex Instruction Set Computer),其包括x86架构各种CPU,包括AMD,INTEL,CYRIX, VIA公司生产的各种CPU。,3.2.1 中央处理器,主要性能指标兼容性(Compatibility):运行在旧款CPU上的程序不用修改,就能直接在新款的CPU上运行,称为向下兼容。 字长(Word Size):CPU一次能够处理的数据的二进制位数,字长越长,运算速度就越快
6、。主频(Master Frequency):主频是指CPU的时钟频率,它决定了CPU每秒钟可以有多少个指令周期,可以执行多少条指令。主频越高,CPU的运算速度也就越快。,3.2.2 内存储器,主要特点断电后存储的数据丢失。用于存放要执行的程序和相应的数据。常用的内存种类随机存储器(RAM)只读存储器(ROM )高速缓存(Cache)存储容量表示1ZB=1024EB,1EB=1024PB,1PB=1024TB,1TB=1024GB 1GB=1024MB,1MB=1024KB,1KB=1024B,3.2.2 内存储器,随机存储器静态随机存储器(Static RAM,SRAM ) 在通电情况下,SR
7、AM中存储的数据不会丢失,所以不需定时刷新,存取速度快。其不足是集成度较低、体积比较大、成本比较高,主要用于要求速度快、但容量较小的高速缓存。,3.2.2 内存储器,随机存储器动态随机存储器( Dynamic RAM,DRAM)DRAM存储单元需要定时刷新,否则存储的数据就会丢失,存取速度比较慢,但集成度高、体积小、成本低。常用的是同步动态随机存储器(Synchronous DRAM,SDRAM)单倍数据速率SDRAM (SDR-SDRAM)双倍数据速率SDRAM (DDR-SDRAM)四倍数据速率SDRAM (QDR-SDRAM),3.2.2 内存储器,只读存储器可编程只读存储器 (Prog
8、rammable ROM,PROM)可擦可编程只读存储器 (Erasable Programmable ROM,EPROM)电可擦可编程只读存储器 (Electrically Erasable Programmable ROM,EEPROM),快闪存储器:Flash Memory,是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器,数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位(注意:NOR Flash 为字节存储。),区块大小一般为256KB到20MB。闪存是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种,闪存与EEPROM不同的是,EEPROM能在字节水平上进行删除和
9、重写而不是整个芯片擦写,而闪存的大部分芯片需要块擦除。由于其断电时仍能保存数据,闪存通常被用来保存设置信息,如在电脑的BIOS(基本程序)、PDA(个人数字助理)、数码相机中保存资料等。,3.2.2 内存储器,高速缓存存储容量不大,存取速度很快直接集成在CPU内部用于存放部分正在运行的程序和数据由静态存储器构成,3.2.3 外存储器,主要特点断电后存储的数据不丢失。作为内存的后援设备,存放暂时不执行而将来要执行的程序和相应的数据。常用的外存种类软盘(Floppy Disk) 硬盘(Hard Disk) 固态硬盘(Solid State Disk)光盘(Compact Disc) U盘(USB接
10、口盘, Universal Serial Bus),3.2.3 外存储器,软盘内部是一种表面涂覆一层均匀磁性材料的软质圆形盘片。存储的数据是按一系列同心圆记录在其表面上的。软盘的存储容量计算公式: 盘面数每面磁道数每磁道扇区数每扇区字节数软盘的使用要有软盘驱动器的配合。,3.2.3 外存储器,硬盘一个硬盘可以有多张硬质镀磁盘片。硬盘的存储容量计算公式: 磁头数柱面数每磁道扇区数每扇区字节数硬盘与硬盘驱动器是封装在一起的。巨磁阻效应的发现催生了大容量的小体积硬盘。,3.2.3 外存储器,巨磁阻效应非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝
11、格尔分别独立发现此现象,二人共同荣获2007年度诺贝尔物理学奖。硬盘要向小体积高密度方向发展,势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小,这就导致了每个独立区域所能记录的磁信号也越来越弱。借助巨磁阻效应,人们能够制造出更加灵敏的数据读写头,将越来越弱的磁信号读出后因为电阻的巨大变化而转换成为明显的电流变化,使得大容量的小硬盘成为可能。,3.2.3 外存储器,固态硬盘用固态电子存储芯片阵列制成。存储介质分为两种,一种是采用闪存作为存储介质,另外一种是采用动态随机存取存储器作为存储介质。基于闪存的固态硬盘是目前的主流产品,其内部主体是一块印刷电路板(PCB),PCB上最主要的部件是控制芯片、
12、缓存芯片和闪存芯片阵列。控制芯片的主要作用是合理调配数据在各个闪存芯片上的存储及对外接口。缓存芯片辅助控制芯片进行数据处理。闪存芯片阵列用于存储数据。,3.2.3 外存储器,固态硬盘固态硬盘(Solid State Drives),简称固盘,固态硬盘(Solid State Drive)用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。相对于普通硬盘,固态硬盘的优点是读写速度快、防震动抗摔碰性能好、无噪音、更轻便,缺点是价格比较高、擦写次数有限制
13、、硬盘损坏后数据难以恢复。,3.2.3 存储器,光盘:根据激光照射后反射的不同表示不同信息。CD(Compact Disc)。 CD-ROM(CD- Read Only Memory,只读光盘)。CD-R (CD-Recordable,一次写入型光盘)。CD-RW(CD-ReWriteable,可重复写光盘)。VCD(Video CD):可存储70分钟的MPEG-1影视节目。,3.2.3 外存储器,光盘:根据激光照射后反射的不同表示不同信息。DVD(Digital Versatile Disk,数字通用光盘)。 DVD-Video:用于观看电影和其他可视娱乐节目。DVD-ROM:用于存储数据。
14、DVD-R:可供用户写入一次数据。DVD-RAM:能随机存取并可以重写100000次。DVD-RW:能顺序存取并可以重写1000次。DVD Audio:用于存储高质量音质的音频数据。光盘的使用要有光盘驱动器的配合。,3.2.3 外存储器,U盘/优盘通过USB接口与计算机相连,传输速度快/使用方便/支持热插拔/连接灵活。 是一种基于闪存技术的移动存储设备,用Flash EPROM芯片来存储数据 。广泛应用于MP3/MP4/数码相机/数码摄像机/手机/个人数字助理的各种闪存卡都是基于闪存技术的存储设备。,3.2.3 外存储器,存储器的层次结构存储器的指标主要有存取速度、存储容量和单位价格。存取速度
15、快、单位价格高的存储器容量少一些。存取速度慢、单位价格低的存储器容量多一些。存储容量从小到大形成如下层次: 寄存器。高速缓存。主存储器/内存。 辅助存储器/外存。,3.2.4 输入设备,键盘鼠标扫描仪跟踪球 触摸屏,3.2.4 输入设备,3.2.4 输入设备,键盘最常用的输入设备。通过键盘,可以向计算机输入数据,也可以输入命令控制计算机的运行。在DOS作为主流操作系统的时代,83键的键盘为主流产品。Windows取代DOS成为主流操作系统后,83键键盘被101键和104键键盘取代。在104键键盘之后出现的是新兴多媒体键盘,对于收发电子邮件、打开浏览器和启动多媒体播放器等都只需要按一个特殊按键即
16、可,使微型机的操作进一步简化。,3.2.4 输入设备,鼠标鼠标的使用给人们操作各种图形界面软件带来了极大的方便,省却了记忆各种操作命令的烦扰。鼠标的发明人是美国人恩格尔巴特,因此发明获得1992年度的IEEE-CS计算机先驱奖和1997年度的ACM图灵奖。目前常用的光电式鼠标的内部有红外光发射和接收装置,它利用光的反射来确定鼠标的移动,是目前常用的一种鼠标。鼠标上一般有两个按键,左键用作确定操作,右键用作弹出菜单等特殊功能。滚轮鼠标是在原有两键鼠标的基础上增加了一个滚轮键,手指轻轻滑动滚轮就可以使页面上下翻动,对于翻页比较多的操作非常有效。,3.2.4 输入设备,扫描仪是一种将图像信息输入计算
17、机的输入设备,它将大面积的图像分割成条或块,逐条或逐块依次扫描,利用光电转换元件转换成数字信号并输入计算机。利用扫描仪可以输入图像和图片,也可以输入文字。跟踪球看上去像一个倒置的鼠标,功能类似于鼠标。跟踪球常被附加在或内置于键盘上,特别是笔记本键盘上。优点是它比鼠标需要的桌面空间要小,用手指触摸跟踪球就可完成相应的鼠标操作。,3.2.4 输入设备,触摸屏是一种用手指或笔触及屏幕上所显示的选项来完成指定操作的人机交互式输入设备。由三个部分组成,一是传感器,把手指或笔触及的地方检测出来; 二是控制卡,触及信号经过模数转换器形成位置数据,经接口送入计算机; 三是驱动程序,即相应的管理软件。触摸屏是平
18、板计算机的主要输入设备,触摸屏还广泛应用于手机、自动售票、交通信息查询、旅游景点介绍等设备上。,3.2.5 输出设备,显示器打印机3D打印机绘图仪,3.2.5 输出设备,显示器:用来显示字符与图形图像信息 。CRT (Cathode Ray Tube,CRT)显示器。液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)。,3.2.5 输出设备,CRT显示器 是一种使用阴极射线管(CRT)的显示器,其基本原理是使用电子枪发射高速电子,经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度,最后高速电子击打屏幕上的荧光物质使其发光,通过电压来调节电子束的功率,就会在屏幕上形成明暗不同的光点以
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