大學(xué)IT第2章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng).ppt

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,第2章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng),本章內(nèi)容信息工具——計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的工作原理微機(jī)系統(tǒng)及其主要指標(biāo)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,,2.1信息工具——計(jì)算機(jī),2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展2.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2.1.3計(jì)算機(jī)的分類2.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用2.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢,,2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展,人類所使用的計(jì)算工具從簡單到復(fù)雜、從低級到高級的發(fā)展過程中，相繼出現(xiàn)了如算盤、計(jì)算尺、手搖機(jī)械計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)械計(jì)算機(jī)等。1946年2月，世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)“ENIAC（ElectronicNumbericalIntegrateandCalculator）”在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生?！癊NIAC”共使用了17468個(gè)電子管，占地170m2，功率174kw，重達(dá)30t，每秒進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。,,,,起止年份,代別,主要邏輯元件,軟件,電子管,機(jī)器語言、匯編語言,晶體管,高級語言（FORTRAN、BASIC）簡單操作系統(tǒng),中小規(guī)模集成電路,功能較強(qiáng)的操作系統(tǒng),大、超大規(guī)模集成電路,數(shù)據(jù)庫、語言編譯系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、C++及Java問世,,,,,1946-1957,1958-1964,1965-1970,1971-,一,二,三,四,,,,,,存儲(chǔ)器,水銀延遲線磁鼓、磁芯,磁芯、磁盤,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,,運(yùn)算速度,幾千~幾萬次,幾十萬次,幾十萬~幾百萬次,幾百萬~幾百億次,,,,2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展,大學(xué)IT（第六版）中國石油大學(xué)出版社,2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展,中國計(jì)算機(jī)的發(fā)展1956開始研究，1958年研究出第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)1964年：晶體管計(jì)算機(jī)，1971年：集成電路計(jì)算機(jī)1983年：“銀河Ⅰ”巨型機(jī)，運(yùn)算速度每秒1億次1997年：“銀河Ⅲ”巨型機(jī)，運(yùn)算速度每秒130億次1995年：“曙光1000”研制完成2001年：中科院計(jì)算所推出我國第一款通用CPU——“龍芯”芯片2004年：曙光公司研制出“曙光400OA”2005年：龍芯2號(hào)正式面世2008年：曙光5000A研制成功，繼美國后第二個(gè)成功研制浮點(diǎn)速度在百萬億次的超級計(jì)算機(jī)。2010年：國際超級計(jì)算機(jī)大會(huì)公布中國超級計(jì)算機(jī)“星云”是世界第二快的計(jì)算機(jī)，僅僅排在美國克雷公司的“美洲豹XT5”之后。2010年：經(jīng)過一年時(shí)間全面的系統(tǒng)升級后，“天河一號(hào)”在第36屆全球超級計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)排名中奪魁。實(shí)測運(yùn)算速度可達(dá)每秒2570萬億次。,2.1.2計(jì)算機(jī)的工作的特點(diǎn),1.高速性計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件采用的是電子器件，其運(yùn)算速度遠(yuǎn)非其他計(jì)算工具所能比擬，而且其運(yùn)算速度還在以每隔幾個(gè)月提高一個(gè)數(shù)量級的速度在快速發(fā)展。2.存儲(chǔ)性計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)性是計(jì)算機(jī)區(qū)別于其他計(jì)算工具的重要特征。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器可以把原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、運(yùn)算指令等存儲(chǔ)起來以備隨時(shí)調(diào)用。存儲(chǔ)器不但能夠存儲(chǔ)大量的信息，而且能夠快速準(zhǔn)確地存入或取出這些信息。存儲(chǔ)性是計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)運(yùn)算的前提和基礎(chǔ)。3.通用性通用性是計(jì)算機(jī)能夠應(yīng)用于各種領(lǐng)域的基礎(chǔ)。任何復(fù)雜的任務(wù)都可以分解為基本的算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作集合，計(jì)算機(jī)程序員可以把這些基本的運(yùn)算和操作按照一定規(guī)則（算法）寫成一系列操作指令，加上運(yùn)算所需的數(shù)據(jù)，形成適當(dāng)?shù)某绦蚓涂梢酝瓿筛鞣N各樣的任務(wù)。,2.1.2計(jì)算機(jī)的工作的特點(diǎn),,4.自動(dòng)性計(jì)算機(jī)內(nèi)部的操作運(yùn)算是根據(jù)人們預(yù)先編制的程序自動(dòng)控制執(zhí)行的。只要把包含一連串指令的處理程序和要處理的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)便會(huì)依次取出指令，逐條執(zhí)行，完成各種規(guī)定的操作，直到得出結(jié)果為止。5.精確性計(jì)算機(jī)通常采用二進(jìn)制運(yùn)算，這使得計(jì)算機(jī)的狀態(tài)穩(wěn)定，算術(shù)和邏輯運(yùn)算規(guī)則簡單，可靠性很高，差錯(cuò)率極低。一般來講，只在人工介入的地方才有可能發(fā)生錯(cuò)誤，這就是計(jì)算機(jī)的精確性。,2.1.3計(jì)算機(jī)的分類,1.按信息表示形式和處理方式劃分根據(jù)信息表示形式和處理方式的不同，計(jì)算機(jī)可分為模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)兩大類。模擬計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：參與運(yùn)算的數(shù)值由不間斷的連續(xù)量表示，其運(yùn)算過程是連續(xù)的。數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：參與運(yùn)算的數(shù)值用離散的數(shù)字量表示，其運(yùn)算過程按數(shù)字位進(jìn)行計(jì)算。目前主流的計(jì)算機(jī)都屬于數(shù)字計(jì)算機(jī)。2.按計(jì)算機(jī)的用途劃分電子計(jì)算機(jī)按用途可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。專用計(jì)算機(jī)與通用計(jì)算機(jī)在效率、速度、配置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、造價(jià)和適應(yīng)性等方面是有區(qū)別的。專用計(jì)算機(jī)針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經(jīng)濟(jì)的特性，但它的適應(yīng)性較差，不適于其他方面的應(yīng)用。在導(dǎo)彈和火箭上使用的計(jì)算機(jī)很多是專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)性很強(qiáng)，應(yīng)用面很廣，但其運(yùn)行效率、速度和經(jīng)濟(jì)性依據(jù)不同的應(yīng)用對象會(huì)受到不同程度的影響。,2.1.3計(jì)算機(jī)的分類,,3.按計(jì)算機(jī)的規(guī)模劃分通用計(jì)算機(jī)按其規(guī)模、速度和功能等又可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)及單片機(jī)。這些類型之間的基本區(qū)別通常在于其體積大小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、功率消耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)和設(shè)備、軟件配置等方面的不同。一般來說，巨型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度很快，可達(dá)每秒幾百萬億條或更多指令，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量很大，規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高昂，主要用于大型科學(xué)計(jì)算。它也是衡量一個(gè)國家科學(xué)實(shí)力的重要標(biāo)志之一。單片機(jī)則只由一片集成電路制成，其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)十分簡單。性能介于巨型機(jī)和單片機(jī)之間的就是大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)，它們的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)規(guī)模則依次遞減。,2.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,1.數(shù)值計(jì)算計(jì)算機(jī)最初是為解決科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中遇到的大量數(shù)學(xué)問題的數(shù)值計(jì)算而研制的計(jì)算工具，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)值計(jì)算在現(xiàn)代科學(xué)研究中的地位不斷提高，在尖端科學(xué)領(lǐng)域中尤為重要。例如，人造衛(wèi)星軌跡的計(jì)算，房屋抗震強(qiáng)度的計(jì)算，火箭、宇宙飛船的研究設(shè)計(jì)都離不開計(jì)算機(jī)的精確計(jì)算。2.數(shù)據(jù)處理（信息處理）在科學(xué)研究和工程技術(shù)中，會(huì)得到大量的原始數(shù)據(jù)，其中包括大量圖片、文字、聲音等。信息處理就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分類、排序、存儲(chǔ)、計(jì)算、傳輸和制表等操作。目前計(jì)算機(jī)的信息處理應(yīng)用已非常普遍，如人事管理、庫存管理、財(cái)務(wù)管理、圖書資料管理、商業(yè)數(shù)據(jù)交流、情報(bào)檢索和經(jīng)濟(jì)管理等信息處理是當(dāng)代計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)，是現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理的工作量占全部計(jì)算機(jī)應(yīng)用工作量的80%以上，大大提高了工作效率和管理水平。,3.自動(dòng)控制自動(dòng)控制是指通過計(jì)算機(jī)對某一過程進(jìn)行自動(dòng)操作，它不需人工干預(yù)，能按人預(yù)定的目標(biāo)和預(yù)定的狀態(tài)進(jìn)行過程控制。目前被廣泛用于鋼鐵、石油化工、醫(yī)藥工業(yè)等操作復(fù)雜的生產(chǎn)中。使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制可大大提高控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，提高勞動(dòng)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制還在國防和航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。例如，無人駕駛飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船等飛行器的控制都是靠計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的?？梢哉f計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代國防和航空航天領(lǐng)域的神經(jīng)中樞。,2.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,4.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助教學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，ComputerAidedDesign）：借助計(jì)算機(jī)的幫助，自動(dòng)或半自動(dòng)地完成各類工程設(shè)計(jì)工作。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM，ComputerAidedManufacturing）計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT，ComputerAidedTest）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI，ComputerAidedInstruction）：用計(jì)算機(jī)來輔助完成教學(xué)計(jì)劃或模擬某個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。CAI不僅能減輕教師的負(fù)擔(dān)，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)現(xiàn)代化高質(zhì)量人才提供了有效途徑。,2.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,5.人工智能方面的研究和應(yīng)用人工智能（AI，ArtificialIntelligence）是指計(jì)算機(jī)模擬人類某些智力行為的理論、技術(shù)和應(yīng)用。例如，用計(jì)算機(jī)模擬人腦的部分功能進(jìn)行思維學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和決策，使計(jì)算機(jī)具有一定“思維能力”。機(jī)器人是計(jì)算機(jī)人工智能的典型例子。6.多媒體技術(shù)應(yīng)用隨著電子技術(shù)，特別是通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有能力把文本、音頻、視頻、動(dòng)畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構(gòu)成一種全新的媒體——“多媒體”（Multimedia）。在醫(yī)療、教育、商業(yè)、銀行、保險(xiǎn)、行政管理、軍事、工業(yè)、廣播和出版等領(lǐng)域中，多媒體的應(yīng)用發(fā)展很快。,2.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,7.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)一步深入到社會(huì)的各行各業(yè)，通過高速信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的查詢，高速通信服務(wù)（電子郵件、電視電話、電視會(huì)議、文檔傳輸），電子教育，電子娛樂，電子購物（通過網(wǎng)絡(luò)選看商品、辦理購物手續(xù)、質(zhì)量投訴等），遠(yuǎn)程醫(yī)療和會(huì)診以及交通信息管理等。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將推動(dòng)信息社會(huì)更快地向前發(fā)展。利用通訊技術(shù)，可以將不同地理位置的計(jì)算機(jī)互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)世界范圍內(nèi)的信息資源共享，并能交互式地交流信息，這是傳統(tǒng)通信手段難以達(dá)到的。Internet的建立和應(yīng)用使世界變成了一個(gè)“地球村”，它正在深刻地改變著我們的生活、學(xué)習(xí)和工作方式。,2.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,未來的計(jì)算機(jī)將向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方向發(fā)展。1.巨型化巨型化是指發(fā)展高速的、大存儲(chǔ)量和強(qiáng)大功能的巨型計(jì)算機(jī)。巨型計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于天文、氣象、地質(zhì)、核技術(shù)、航天飛機(jī)和衛(wèi)星軌道計(jì)算等尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。巨型計(jì)算機(jī)的技術(shù)水平是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。2.微型化微型化是指利用微電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把計(jì)算機(jī)的體積進(jìn)一步縮小，價(jià)格進(jìn)一步降低。計(jì)算機(jī)的微型化已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要方向。各種筆記本式計(jì)算機(jī)和掌上計(jì)算機(jī)的大量面世和使用，是計(jì)算機(jī)微型化的一個(gè)標(biāo)志。,2.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢,3.網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的又一個(gè)趨勢。所謂計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化，是指用現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)把分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)互聯(lián)起來，組成一個(gè)規(guī)模更大、功能更強(qiáng)的可以互相通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化的目的是使網(wǎng)絡(luò)中的軟、硬件和數(shù)據(jù)等資源能被網(wǎng)絡(luò)上的用戶所共享。4.智能化智能化是指使計(jì)算機(jī)具有模擬人的感覺和思維過程的能力。智能計(jì)算機(jī)是目前正在研制的新一代計(jì)算機(jī)。智能化的研究包括模擬識(shí)別、物形分析、自然語言的生成和理解、博弈、定理自動(dòng)證明、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)和智能機(jī)器人等。目前已研制出多種具有人的部分智能的機(jī)器人，可以代替人在一些特定的工作崗位上工作。,2.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢,2.2計(jì)算機(jī)的工作原理,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu)2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟——CPU2.2.3存儲(chǔ)器2.2.4計(jì)算機(jī)的工作過程,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),1.計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),1）輸入設(shè)備輸入設(shè)備的主要功能是把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的二進(jìn)制代碼，通過輸入接口輸入到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，供CPU調(diào)用和處理。常用的輸入設(shè)備有鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀、數(shù)碼攝像機(jī)、條形碼閱讀器、數(shù)碼相機(jī)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）等。2）輸出設(shè)備輸出設(shè)備是指從計(jì)算機(jī)中輸出信息的設(shè)備。它的功能是將計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果等內(nèi)部二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成人們習(xí)慣接受的信息形式（如字符、圖形、聲音等），然后將其輸出。最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機(jī)，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備合起來稱為外部設(shè)備（I/O設(shè)備），簡稱外設(shè)。,,1.計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),1.計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)3）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用于存放程序和數(shù)據(jù)的部件。存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩大類。內(nèi)存儲(chǔ)器又稱為主存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器又稱為輔助存儲(chǔ)器。內(nèi)存是存取速度快而容量相對較小的一類存儲(chǔ)器；外存是存取速度較慢而容量相對較大的一類存儲(chǔ)器。4）運(yùn)算器運(yùn)算器包括算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器、標(biāo)志寄存器、寄存器組等。其工作過程如下：,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),大學(xué)IT（第六版）中國石油大學(xué)出版社,運(yùn)算器的工作過程,1）從RAM（隨機(jī)存取器）中取出數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到運(yùn)算器的寄存器中；2）從控制器發(fā)出控制信號(hào)，決定進(jìn)行何種運(yùn)算（算術(shù)運(yùn)算或邏輯算,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),3）運(yùn)算器執(zhí)行相應(yīng)操作，將結(jié)果存儲(chǔ)到累加器中；4）將最終運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)到RAM中，以備輸出。,1.計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)5）控制器定義：控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制中心，它指揮計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作，保證計(jì)算機(jī)按照預(yù)先規(guī)定的目標(biāo)和步驟進(jìn)行操作及處理。組成：控制器主要包括指令計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器和控制信號(hào)發(fā)生器，主要完成指令的翻譯，并產(chǎn)生片內(nèi)和片外的各種控制信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的指令。作用：控制器的作用是使整個(gè)計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地執(zhí)行程序，并控制計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)調(diào)一致地工作?？刂破魇侵笓]和控制計(jì)算機(jī)各部件進(jìn)行工作的“神經(jīng)中樞”.,,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),控制器的工作過程1）控制器從主存中按順序取出程序中的一條指令，并存儲(chǔ)到指令寄存器中；2）指令計(jì)數(shù)器加1，指向下一條指令的地址；3）解釋該指令并形成數(shù)據(jù)地址，取出所需的數(shù)據(jù)；,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),4）向其他功能部件發(fā)出執(zhí)行該指令所需的各種時(shí)序控制信號(hào)；5）再按順序從主存中取出下一條指令執(zhí)行，如此循環(huán)，直到程序完成。,,2.采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令1）算術(shù)運(yùn)算規(guī)則加法規(guī)則：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10（向高位有進(jìn)位）減法規(guī)則：0-0=0；10-1=1（向高位借位）；1-0=1；1-1=0乘法規(guī)則：00=0；01=0；10=0；11=1除法規(guī)則：0/1=0；1/1=12）邏輯運(yùn)算規(guī)則邏輯與運(yùn)算（AND）：0∧0=0；0∧1=0；1∧0=0；1∧1=1邏輯或運(yùn)算（OR）：0∨0=0；0∨1=1；1∨0=1；1∨1=1邏輯非運(yùn)算（NOT）：1=0；0=1邏輯異或運(yùn)算（XOR）：0⊕0=0；0⊕1=1；1⊕0=1；1⊕1=0邏輯異或運(yùn)算即實(shí)現(xiàn)按位加的功能，只有當(dāng)兩個(gè)邏輯值不相同時(shí)，結(jié)果才為1。,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),3.采用存儲(chǔ)程序方式所謂存儲(chǔ)程序原理，就是把程序和處理問題所需的數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制編碼形式預(yù)先按一定順序存放到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器里，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)就能自動(dòng)、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令且執(zhí)行，直到完成預(yù)定的任務(wù)。這是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計(jì)算機(jī)功能的擴(kuò)展在很大程度上也體現(xiàn)為所存儲(chǔ)程序的擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)的許多具體工作方式也是由此派生的。馮諾依曼的上述思想奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，后人將采用這種設(shè)計(jì)思想的計(jì)算機(jī)稱為馮諾依曼型計(jì)算機(jī)。到目前為止，大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍沿用這一結(jié)構(gòu)。,,2.2.1馮諾依曼結(jié)構(gòu),2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,1.CPU簡介CPU也稱中央處理器（CentralProcessingUnit）或微處理器。第一個(gè)微處理器是1971年由美國Intel公司生產(chǎn)的。CPU內(nèi)核逐漸由單核向雙核、多核發(fā)展，主頻最高達(dá)到3GHz以上。目前Intel公司的主流產(chǎn)品有酷睿系列、賽揚(yáng)系列產(chǎn)品等，AMD公司目前的主流產(chǎn)品有羿龍、閃龍和速龍系列等。CPU是計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成指令讀出、解釋和執(zhí)行的重要部件，它主要由運(yùn)算器和控制器組成，有的還包含了高速緩沖存儲(chǔ)器。目前的CPU都通過高速線路將各部件集成在一個(gè)芯片上，稱為微處理器。CPU是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的心臟,,2.高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）(1)Cache技術(shù)的引入Cache即高速緩沖存儲(chǔ)器。隨著CPU主頻的提高，CPU對RAM的存取速度要求很快，而RAM的響應(yīng)速度慢，CPU大部分時(shí)間在等待從RAM傳輸數(shù)據(jù)，大大浪費(fèi)了CPU的資源，為了協(xié)調(diào)二者的速度，引入Cache技術(shù)。(2)實(shí)現(xiàn)方法通常采用與CPU速度相近的RAM。具體方法為：當(dāng)用戶啟動(dòng)一個(gè)任務(wù)時(shí)，計(jì)算機(jī)預(yù)測CPU可能需要執(zhí)行哪些程序或要處理哪些數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)復(fù)制到Cache，CPU在讀寫時(shí)，首先訪問Cache，如果Cache中有，CPU就從Cache中取數(shù)據(jù)而不到RAM中去取。(3)分類高速緩存分為一級緩存（即L1Cache，64~128KB）和二級緩存（即L2Cache,1~3MB）。,,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,,3.CPU執(zhí)行的指令1）指令計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令稱為指令。根據(jù)指令中操作數(shù)的不同，可分為：零地址：只有操作碼，而沒有地址碼。一地址：單操作數(shù)指令。二地址：指令常稱雙操作數(shù)指令，它有兩個(gè)地址碼，分別指明參與操作的兩個(gè)數(shù)在內(nèi)存中或運(yùn)算器通用寄存器的地址，其中前一個(gè)地址碼兼做存放操作結(jié)果的地址。除了上面介紹的之外，還有三地址指令。,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,3.CPU執(zhí)行的指令2）指令集指令集（指令系統(tǒng)）：一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素，格式與功能影響硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件及機(jī)器在適用范圍。系列計(jì)算機(jī)：基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計(jì)算機(jī)。向上兼容：新推出的機(jī)種指令系統(tǒng)一定包含所有舊機(jī)種的全部指令。舊機(jī)種上運(yùn)行的各種軟件不做任何修改便可在新機(jī)種上運(yùn)行，大大減少可軟件的開發(fā)費(fèi)用。,,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,3.CPU執(zhí)行的指令3)指令集的風(fēng)格根據(jù)指令集的不同可分成兩種類型的計(jì)算機(jī)。(1)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC，ComplexInstructionSetComputer）以VAX-11/780為代表，20世紀(jì)70年代后的各種微機(jī)均采用這種風(fēng)格，如Intel80 x86。其特點(diǎn)：指令系統(tǒng)復(fù)雜，絕大多數(shù)指令需要多個(gè)機(jī)器周期方可完成。(2)精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC，ReducedInstructionSetComputer）將那些不是最頻繁使用的指令由軟件來實(shí)現(xiàn)，加快執(zhí)行速度。其特點(diǎn)：指令有限，執(zhí)行速度很快。,,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,3.CPU執(zhí)行的指令4）指令周期指令周期是取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間。指令周期常常用若干個(gè)CPU周期數(shù)來表示。CPU周期（機(jī)器周期）通常用內(nèi)存中讀取一個(gè)指令字的最短時(shí)間來規(guī)定CPU周期，一個(gè)CPU周期時(shí)間包含若干個(gè)時(shí)鐘周期。通常取出和執(zhí)行任何一條指令所需的最短時(shí)間為兩個(gè)CPU周期。,,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,,4.CPU的主要性能指標(biāo)1）主頻、倍頻、外頻主頻是CPU的時(shí)鐘頻率。主頻越高，CPU的速度越快。外頻是系統(tǒng)總線的工作頻率。倍頻是CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。主頻=外頻倍頻2）內(nèi)存總線速度指CPU與二級高速緩存和內(nèi)存之間的通信速度。3）擴(kuò)展總線速度指安裝在微機(jī)上的局部總線（如PCI總線接口）的工作速度。4）工作電壓指CPU正常工作所需的電壓。,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,,4.CPU的主要性能指標(biāo)5）地址總線寬度地址總線寬度決定了CPU可以訪問的物理地址空間。如486微機(jī)系統(tǒng)，地址總線寬度為32位，直接訪問空間4096MB。（232=4G=4096MB）6）數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度決定了CPU與二級高速緩存、內(nèi)存以及輸入/輸出設(shè)備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘俊?）內(nèi)置協(xié)處理器含有內(nèi)置協(xié)處理器的CPU，可以加快特定類型的數(shù)值計(jì)算。,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,,4.CPU的主要性能指標(biāo)8）超標(biāo)量指在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)CPU可以執(zhí)行一條以上的指令。Pentium級以上CPU均具有超標(biāo)量結(jié)構(gòu)。9）L1高速緩存即一級高速緩存添加內(nèi)置高速緩存可以提高CPU的運(yùn)行效率。10）采用回寫結(jié)構(gòu)的高速緩存對讀和寫操作均有效，速度較快。采用寫通結(jié)構(gòu)的高速緩存，僅對讀操作有效。,2.2.2計(jì)算機(jī)的心臟—CPU,2.2.3存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中具有記憶能力的部件，它能根據(jù)地址接收并保存指令或數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的操作是一個(gè)不斷存入與取出的過程，我們把存入數(shù)據(jù)的操作稱為“寫”操作，把取出數(shù)據(jù)的操作稱為“讀”操作。存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器和輔存儲(chǔ)器兩大類。主存儲(chǔ)器簡稱主存或內(nèi)存，是計(jì)算機(jī)中用來存放指令和數(shù)據(jù)并能由中央處理器直接讀取的存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)工作時(shí)，整個(gè)處理過程中用到的數(shù)據(jù)和指令都存放在內(nèi)存中。輔助存儲(chǔ)器簡稱輔存或外存，是不直接向中央處理器提供指令和數(shù)據(jù)的各種存儲(chǔ)設(shè)備。它主要用來存放內(nèi)存中難以容納，但為程序執(zhí)行所需要的數(shù)據(jù)信息。常用作外存的有軟盤、硬盤、光盤和磁帶等。,2.2.3存儲(chǔ)器,1.隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）1）分類隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM，RandomAccessMemory）按半導(dǎo)體材料分為雙極型（TTL）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和金屬氧化物（MOS）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器兩種。根據(jù)存儲(chǔ)信息機(jī)構(gòu)的原理不同，又分為靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器（DRAM）。2）單位及單位換算字節(jié)是表示信息含義的最小單位，是存儲(chǔ)器容量的基本單位。1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB。,,隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）3）操作特點(diǎn)RAM在CPU運(yùn)行期間既可讀出信息又可寫入信息，主要用于臨時(shí)保存數(shù)據(jù)，便于CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。優(yōu)點(diǎn)：存取速度快、存儲(chǔ)體積小、可靠性高。缺點(diǎn)：斷電后所存的信息會(huì)丟失。RAM中的數(shù)據(jù)通過改變電容的狀態(tài)來改變。RAM的容量通常為1GB，2GB，4GB和8GB等。4）數(shù)據(jù)的存取方法數(shù)據(jù)的存取方法是按址存取。存儲(chǔ)單元地址：計(jì)算機(jī)為了區(qū)分存儲(chǔ)器的各存儲(chǔ)單元，把全部存儲(chǔ)單元按順序編號(hào)。,2.2.3存儲(chǔ)器,2.CMOS存儲(chǔ)器和BIOS1）CMOS的縮寫CMOS是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的縮寫（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片。2）CMOS存儲(chǔ)器的功能CMOS存儲(chǔ)器是指主板上一塊可讀寫的存儲(chǔ)芯片，它存儲(chǔ)了微機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘信息和硬件配置信息等。系統(tǒng)加電引導(dǎo)時(shí)，要讀取CMOS信息，用來初始化機(jī)器各個(gè)部件的狀態(tài)。CMOS存儲(chǔ)器用電池供電。保存的重要數(shù)據(jù)比RAM時(shí)間長久，不象ROM那樣不可改寫。當(dāng)改變了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)配置后，CMOS中的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行更新。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)時(shí)，按Del鍵進(jìn)入CMOS界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。,,2.2.3存儲(chǔ)器,2.CMOS存儲(chǔ)器和BIOS3）ROMBIOS存儲(chǔ)器的功能ROMBIOS是主板上存放微機(jī)基本輸入輸出程序的只讀存儲(chǔ)器，其功能是微機(jī)的上電自檢、開機(jī)引導(dǎo)、基本外設(shè)I/O和系統(tǒng)COMS設(shè)置。主板上的BIOS芯片貼有保護(hù)標(biāo)簽（避免紫外線照射）標(biāo)有“BIOS”字樣。P45圖2-9。,,2.2.3存儲(chǔ)器,,3.只讀存儲(chǔ)器（ROM）只讀存儲(chǔ)器（ROM，ReadOnlyMemory）中的數(shù)據(jù)或程序一般是在裝入計(jì)算機(jī)前事先寫好的。計(jì)算機(jī)在工作過程中只能讀出事先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，一般不能改寫。1）ROM的優(yōu)點(diǎn)具有不易丟失性，即使電源被切斷，ROM中的信息也不會(huì)丟失。ROM常用于存放固定的程序和數(shù)據(jù)。2）ROM的分類(1)掩模只讀存儲(chǔ)器。優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，集成度高，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：不能改寫。(2)一次編程只讀存儲(chǔ)器。分為PN結(jié)擊穿型（反向二極管）和熔絲燒斷（熔絲）型兩種。(3)多次編程只讀存儲(chǔ)器。EPROM，使用紫外線擦除其中的數(shù)據(jù)，再次寫入信息；EEPROM，使用電擦除其中的數(shù)據(jù)，再次寫入信息。,2.2.3存儲(chǔ)器,,4.虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)用虛擬內(nèi)存來動(dòng)態(tài)管理運(yùn)行時(shí)的交換文件。為了提供比實(shí)際物理內(nèi)存還多的內(nèi)存容量，Windows操作系統(tǒng)占用硬盤上的一部分空間作為虛擬內(nèi)存。當(dāng)CPU有要求時(shí)，首先會(huì)讀取內(nèi)存中的資料，當(dāng)內(nèi)存容量不夠用時(shí)，Windows就會(huì)將需要暫時(shí)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)寫入硬盤。所以，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存大小等于實(shí)際物理內(nèi)存容量加上“分頁文件（交換文件）”的大小。虛擬內(nèi)存不僅解決了存儲(chǔ)容量和存取速度之間的矛盾，而且也是管理存儲(chǔ)設(shè)備的有效的方法。設(shè)置方法：“控制面板——系統(tǒng)——高級——性能——設(shè)置”,2.2.3存儲(chǔ)器,,5.外存外存儲(chǔ)器最常用的有磁盤、磁帶和光盤。磁盤又可分軟盤和硬盤。軟盤和硬盤都是利用磁存儲(chǔ)原理來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。1）硬盤(harddisk)硬盤精度高、容量大、速度快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。它由鋁合金制成，兩面都鍍有磁性材料，多個(gè)圓盤片固定在同一根驅(qū)動(dòng)軸上，隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，盤片兩面都有可移動(dòng)的磁頭，從上讀取信息。硬盤和硬盤驅(qū)動(dòng)器固結(jié)在一起，安裝在主機(jī)箱內(nèi)。容量從幾百GB到數(shù)TB不等，現(xiàn)在微機(jī)的硬盤容量一般在250GB以上。硬盤的各個(gè)盤面也分成一系列的磁道，所有盤面上同一半徑的磁道稱為柱面。存取信息時(shí)可在同一柱面上按磁盤的順序進(jìn)行。柱面從外向里依次編號(hào)，即0、1、2、3等。常見的硬盤的盤面為3.5英寸。p47圖2-14,2.2.3存儲(chǔ)器,,2）磁帶存儲(chǔ)器在磁帶中存儲(chǔ)信息也是利用磁存儲(chǔ)原理，其工作原理和錄音機(jī)或錄像機(jī)使用錄音帶或錄像帶相同。磁帶存儲(chǔ)器由磁帶機(jī)和磁帶兩部分組成。磁帶又分為開盤式磁帶和盒式磁帶兩種，開盤式磁帶主要用于大中型計(jì)算機(jī)，而盒式磁帶主要用于微型機(jī)。與磁盤相比，磁帶主要用于數(shù)據(jù)備份領(lǐng)域。磁帶是線性存儲(chǔ)設(shè)備，不利于高速存取，但其單位存儲(chǔ)成本低，容量擴(kuò)展靈活方便，介質(zhì)尺寸小，可靠性高且易于保存，所以適用于對數(shù)據(jù)備份有需求的用戶。,2.2.3存儲(chǔ)器,,3）光盤CD-ROMCD-ROM是CompactDisk-Read-OnlyMemory的縮寫，意思是“密集盤-只讀存儲(chǔ)器”，它是由音頻CD發(fā)展而來的一種外存儲(chǔ)器。光盤的容量很大，一張光盤盤片可存放650~700MB的信息，且保存時(shí)間長，可靠性高。光盤是一種比軟盤更好的外存儲(chǔ)器。CD-ROM光盤盤片只能讀取，不能寫。CD-ROM上的數(shù)據(jù)通過激光在介質(zhì)表面燒蝕出凸凹來記錄，邊界代表“1”，平面代表“0”使用光盤驅(qū)動(dòng)器讀出其上的信息。光驅(qū)分為單、2、4、8、12倍速等。單倍速是指數(shù)據(jù)的傳輸速率是150KB/s。單倍速與音頻CD相同，不能邊續(xù)播放VCD。一次寫入型光盤（WORM，WriteOnceReadManydisk）。可擦寫光盤（EO，ErasableOpticaldisk）。,2.2.3存儲(chǔ)器,,數(shù)字多功能光盤（DigitalVersatileDisc）簡稱DVD，是一種光盤存儲(chǔ)器，通常用來播放高清晰度的電影，高質(zhì)量的音樂與作大容量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用途。DVD與CD的外觀極為相似，它們的直徑都是120毫米左右。單面單層DVD的資料容量約為VCD的7倍。用于DVD讀寫的DVD光驅(qū)和DVD刻錄機(jī)，基本取代了傳統(tǒng)的光盤光驅(qū)和光盤刻錄機(jī)。,2.2.3存儲(chǔ)器,,4）USB、U盤和閃存USB是UniversalSerialBus的縮寫，意思是通用串行總線。這是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接外圍設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等）的輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn)。在USB方式下，所有的外設(shè)都在機(jī)箱外連接，連接外設(shè)不必再打開機(jī)箱；外設(shè)允許熱插拔。USB采用“級聯(lián)”方式，即每個(gè)USB設(shè)備可以用一個(gè)USB插頭連接到一個(gè)外設(shè)的USB插座上，而其本身又能提供一個(gè)USB插座供下一個(gè)USB外設(shè)連接用。通過這種連接方式，一個(gè)USB控制器可以連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。U盤又稱優(yōu)盤，是用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)的，可反復(fù)存取數(shù)據(jù)，不需另外的硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)備，使用時(shí)只要插入計(jì)算機(jī)中的USB插口即可。目前U盤的容量小的1GB，大的已達(dá)數(shù)百GB，USB2.0標(biāo)準(zhǔn)理論最高數(shù)據(jù)讀取速度可達(dá)480Mb/s，存取時(shí)可靠性高，數(shù)據(jù)保存可達(dá)10年。常用的閃存卡還有CF卡，SD卡（SD、SDHC、MINISD、TF（micro-SD）），記憶棒，SM卡，XD卡等，經(jīng)常應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機(jī)乃至手持式GPS等。,2.2.3存儲(chǔ)器,2.2.4計(jì)算機(jī)的工作過程,(1)控制器控制輸入設(shè)備或外存將數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)存。(2)控制器指揮從內(nèi)存取出指令送入控制器。(3)控制器分析指令，指揮相關(guān)設(shè)備執(zhí)行規(guī)定操作。(4)運(yùn)算結(jié)果由控制器控制存儲(chǔ)器保存或送輸出設(shè)備輸出。(5)返回第二步，如此反復(fù)，直到程序結(jié)束。,2.3微機(jī)系統(tǒng)及其主要指標(biāo),2.3.1微機(jī)分類2.3.2微機(jī)的主要性能指標(biāo)2.3.3微機(jī)的常見外部設(shè)備,2.3.1微機(jī)分類,按其性能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)等可分為：1.單片機(jī)將微處理器、一定容量的存儲(chǔ)器以及I/O接口電路等集成在一個(gè)芯片上，就構(gòu)成了單片機(jī)。一般用于控制儀表、家用電器中。2.單板機(jī)將微處理器、存儲(chǔ)器以及I/O接口電路安裝在一塊電路板上，就構(gòu)成了單板機(jī)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、微機(jī)教學(xué)或?qū)嶒?yàn)。3.PC機(jī)配置有顯示器、鍵盤、硬盤、打印機(jī)、光驅(qū)以及機(jī)箱和接口插槽等。4.便攜式微機(jī)包括筆記本和個(gè)人數(shù)字助理、智能手機(jī)等。,,2.3.2微機(jī)的主要性能指標(biāo),1.內(nèi)核和流水線多核心處理器就是在一塊CPU機(jī)板上集成兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。單處理器只有一個(gè)CPU，在執(zhí)行指令時(shí)是以串行方式執(zhí)行的，即一個(gè)時(shí)刻只執(zhí)行一條指令。使用流水線技術(shù)，處理器就可以在完成上一條指令前開始執(zhí)行另外一條指令。流水線技術(shù)可以加快CPU的處理速度。2.字長計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，一次存取、加工、和傳送的一組二進(jìn)制位。它的長度叫字長。字長決定CPU的寄存器和總線的寬度。3.時(shí)鐘頻率（主頻）CPU每秒平均執(zhí)行的速度，它決定了計(jì)算機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)能夠執(zhí)行的指令數(shù)，是衡量微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的一個(gè)重要指標(biāo)。,4.內(nèi)存容量內(nèi)存中能存儲(chǔ)信息的總字節(jié)數(shù)。5.運(yùn)算速度運(yùn)算速度是一項(xiàng)綜合性的性能指標(biāo)，其單位是MIPS（MillionInstructionsPerSecond，每秒106條指令，簡稱MIPS）和BIPS（BillionInstructionsPerSecond，每秒109條指令，簡稱BIPS）。一般主頻越高，運(yùn)算速度越快；字長越長，運(yùn)算速度越快；內(nèi)存容量越大，運(yùn)算速度越快；存取周期越小，運(yùn)算速度越快。衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)很多，除上面列舉的4項(xiàng)主要指標(biāo)外，還應(yīng)考慮機(jī)器的兼容性，系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)的可維護(hù)性，機(jī)器允許配置的外部設(shè)備的最大數(shù)目，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功能等。另外，性能/價(jià)格比也是一項(xiàng)綜合性評價(jià)計(jì)算機(jī)性能的指標(biāo)。,2.3.2微機(jī)的主要性能指標(biāo),2.3.3微機(jī)的常見外部設(shè)備,最常見的外設(shè)有外部存儲(chǔ)器（U盤、磁帶機(jī)、光盤等）和打印機(jī)、繪圖儀、掃描儀、鍵盤、鼠標(biāo)等輸入/輸出設(shè)備。1.鼠標(biāo)現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，最常用的是鍵盤和鼠標(biāo)器。鼠標(biāo)按照所采用的內(nèi)部構(gòu)造的不同大致可分為：1）機(jī)械式鼠標(biāo)機(jī)械式鼠標(biāo)是早期使用較多的一種。機(jī)械式鼠標(biāo)下面有個(gè)圓形小球，當(dāng)在平面上移動(dòng)時(shí)，小球與平面摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鼠標(biāo)的兩個(gè)光盤轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生脈沖，測出X-Y方向上的相對位移量，從而反映出屏幕上的鼠標(biāo)的位置。2）軌跡球鼠標(biāo)軌跡球鼠標(biāo)的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實(shí)與機(jī)械式鼠標(biāo)類似，只是改變了滾輪的運(yùn)動(dòng)方式，其球座固定不動(dòng)，直接用手撥動(dòng)軌跡球來控制鼠標(biāo)箭頭的移動(dòng)。,2.3.3微機(jī)的常見外部設(shè)備,3）光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，通過它發(fā)出的光線，可以照亮光電鼠標(biāo)底部表面（這是鼠標(biāo)底部總會(huì)發(fā)光的原因）。此后，光電鼠標(biāo)經(jīng)底部表面反射回的一部分光線，通過一組光學(xué)透鏡后，傳輸?shù)揭粋€(gè)光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。這樣，當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，被光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）分析處理。該芯片通過對這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。4）無線鼠標(biāo)無線鼠標(biāo)利用數(shù)字、電子、程序語言等原理，內(nèi)置微型遙控器，以電池為能源，可以遠(yuǎn)距離控制光標(biāo)的移動(dòng)。這種新型無線鼠標(biāo)與電腦主機(jī)之間無須用線連接，操作人員可在1米左右的距離自由遙控，并且不受角度限制，所以這種鼠標(biāo)有較明顯的優(yōu)點(diǎn)。,2.3.3微機(jī)的常見外部設(shè)備,2.顯示器和打印機(jī)顯示器和打印機(jī)是最常見的輸出設(shè)備。1）顯示器顯示器主要有陰極射線管（CRT）顯示器和平面顯示器。顯示器的主要指標(biāo)之一是分辨率。分辨率是指顯示屏單位距離上像素點(diǎn)的數(shù)目，常用整個(gè)屏幕能顯示的像素點(diǎn)陣（水平垂直）來表示。顯示器是通過顯示適配器（顯卡）與主板相連的，應(yīng)與顯卡配套使用。平面顯示器有液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器等。液晶顯示器已成為目前微機(jī)的主流顯示器。與傳統(tǒng)的CRT顯示器相比，液晶顯示器的最大優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕，可以為用戶節(jié)省許多的空間。,,2.3.3微機(jī)的常見外部設(shè)備,2）打印機(jī)打印機(jī)一般常用的有擊打式打印機(jī)和非擊打式打印機(jī)兩大類。在擊打式打印機(jī)中，最常用的是點(diǎn)陣針式打印機(jī)。點(diǎn)陣針式打印機(jī)由打印頭、走紙裝置和色帶組成。打印時(shí)有較大噪聲。非擊打式打印機(jī)可分為噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)等。與擊打式打印機(jī)相比，它們都具有打印速度快、打印質(zhì)量高、沒有機(jī)械噪聲等優(yōu)點(diǎn)。噴墨打印機(jī)類似于點(diǎn)陣針式打印機(jī)，但它用很細(xì)的墨水噴頭代替打印頭，將墨水噴在紙上印出字符或圖形。體積小，重量輕，打印時(shí)無噪聲，很容易實(shí)現(xiàn)彩色打印，價(jià)格也較低廉。激光打印機(jī)的工作原理比較復(fù)雜，它綜合了復(fù)印機(jī)、計(jì)算機(jī)和激光技術(shù)。激光打印機(jī)打印速度快，打印質(zhì)量高，無噪聲，但價(jià)格較高。,2.3.3微機(jī)的常見外部設(shè)備,3.掃描儀和數(shù)碼相機(jī)掃描儀（Scanner）是文字和圖片輸入的主要設(shè)備之一。依靠光學(xué)掃描結(jié)構(gòu)和有關(guān)的軟件，如識(shí)別字符的OCR、識(shí)別圖像的ImageProcessingSystem等，把大量的文字或圖片信息掃描到計(jì)算機(jī)中，以便對這些信息進(jìn)行識(shí)別、編輯、顯示和打印等處理。根據(jù)掃描儀的形狀可分為臺(tái)式和手持式兩種。數(shù)碼相機(jī)（DigitalCamera）是一種采用光電子技術(shù)攝取靜止圖像的照相機(jī)。分辨率是數(shù)碼相機(jī)最重要的性能指標(biāo)。數(shù)碼相機(jī)的分辨率用圖像的絕對像素?cái)?shù)來衡量。數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像的絕對像素?cái)?shù)取決于相機(jī)內(nèi)CCD芯片上光敏元件的數(shù)量，數(shù)量越多則分辨率越高，所拍圖像的質(zhì)量也就越高。目前家用數(shù)碼相機(jī)的分辨率一般在500萬～1200萬像素之間。,,2.4嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2.4.1嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)2.4.2嵌入式系統(tǒng)的組成2.4.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,,2.4.1嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí),1.嵌入式系統(tǒng)的定義目前國內(nèi)普遍認(rèn)同的一個(gè)定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適合于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的定義，可從以下幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)。(1)嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力，才更具有優(yōu)勢。(2)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。(3)嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。,,2.4.1嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí),2.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)已有30多年的歷史?？v觀嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。第一階段：以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。第二階段：以嵌入式微處理器（嵌入式CPU）為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)第四階段：以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。,,2.4.1嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí),3.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1）面向特定應(yīng)用2）知識(shí)密集3）嵌入式系統(tǒng)功耗低、體積小、集成度高、成本低、系統(tǒng)內(nèi)核小4）高實(shí)時(shí)性和高可靠性5）開發(fā)需要專用開發(fā)工具和環(huán)境6）具有較長的生命周期,,2.4.2嵌入式系統(tǒng)的組成,1.嵌入式系統(tǒng)的硬件1）嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。嵌入式微控制器(EMCU，EmbeddedMicrocontrollerUnit)嵌入式微處理器(EMPU，EmbeddedMicroprocessorUnit)嵌入式DSP處理器(EDSP，EmbeddedDigitalSignalProcessor)嵌入式片上系統(tǒng)(ESoC，EmbeddedSystemonChip),,,,1.嵌入式系統(tǒng)的硬件2）存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)需要存儲(chǔ)器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含Cache、主存和輔助存儲(chǔ)器。3）通用設(shè)備接口和I/O接口嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口）、I/O等，外設(shè)通過接口來實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。,2.4.2嵌入式系統(tǒng)的組成,,,,1.嵌入式系統(tǒng)的硬件4）電源嵌入式系統(tǒng)中的電源是系統(tǒng)組成的重要部分，它已經(jīng)不再是由電池或交流穩(wěn)壓器構(gòu)成的簡單電源，而是集成了電源管理和電源保護(hù)功能的復(fù)雜集成系統(tǒng)。目前有很多成型的產(chǎn)品，它們使用方便，功能強(qiáng)大，由單片集成電路就可以完成電源系統(tǒng)的全部功能。,2.4.2嵌入式系統(tǒng)的組成,,2.嵌入式系統(tǒng)的軟件1）嵌入式操作系統(tǒng)（EOS，EmbeddedOperatingSystem）目前主要有兩種類型的商用嵌入式操作系統(tǒng)，一類是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如VxWorks、eCOS、PalmOS和uC/OSII等，第二類為由傳統(tǒng)操作系統(tǒng)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特性進(jìn)行改進(jìn)而得到的操作系統(tǒng)，如微軟的WinCE以及各種嵌入式Linux系統(tǒng)。2）應(yīng)用軟件及開發(fā)工具開發(fā)工具獨(dú)立于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之外。開發(fā)工具一般包括語言編譯器、連接定位器、調(diào)試器等。Kdevelop就是一套功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，整合了開發(fā)程序所需的編譯器、連接器、除錯(cuò)工具、版本控制工具等，可以用Kdevelop快速地建立各式各樣的應(yīng)用程序。,2.4.2嵌入式系統(tǒng)的組成,,2.4.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,工業(yè)控制智能儀表交通管理信息家電消費(fèi)電子電子商務(wù)環(huán)境工程機(jī)器人物聯(lián)網(wǎng),,,,2.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,2.5.1計(jì)算機(jī)應(yīng)用的社會(huì)意義2.5.2計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輸入與輸出2.5.3計(jì)算機(jī)硬件的安裝,,,,2.5.1計(jì)算機(jī)應(yīng)用的社會(huì)意義,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)與其他學(xué)科相結(jié)合，改進(jìn)了這些學(xué)科的研究工具和研究方法，促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，常常產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，從而引起產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、經(jīng)營管理和服務(wù)方式等方面的重大變革。計(jì)算機(jī)還是人們的學(xué)習(xí)工具和生活工具?？傊?，計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用已不僅是一種科學(xué)技術(shù)現(xiàn)象，而且是一種政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)現(xiàn)象。,,,,2.5.2計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輸入與輸出,計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主機(jī)是計(jì)算機(jī)的心臟和大腦，常見的有臥式和立式兩種，正面有Reset按鈕、電源開關(guān)和CD-ROM驅(qū)動(dòng)器等。后面裝有電源（電源也可能裝在機(jī)箱正面或側(cè)面）及連接鍵盤、顯示器、網(wǎng)線、打印機(jī)等外設(shè)的插口。主機(jī)包括主板、硬盤驅(qū)動(dòng)器、CD-ROM驅(qū)動(dòng)器、電源、風(fēng)扇及各種外設(shè)的適配器（接口板）等。主板上裝有組成電腦的主要電路系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心。主板上集成有擴(kuò)充插槽、BIOS芯片、I/O控制芯片、CPU插槽、控制芯片組、內(nèi)存插槽、跳線開關(guān)、鍵盤接口、鼠標(biāo)接口、指示燈接口、主板電源插座、USB接口、硬盤IDE接口、串行/并行接口和系統(tǒng)總線等。,,,,2.5.2計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輸入與輸出,2.輸入與輸出1）擴(kuò)展槽2）適配器（Adapter）3）擴(kuò)展接口4）常用外設(shè)的連接顯示器的連接鍵盤的連接鼠標(biāo)的連接打印機(jī)的連接軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)與主機(jī)的連接,,,,2.5.3計(jì)算機(jī)硬件的安裝,一般可按照以下步驟進(jìn)行：（1）準(zhǔn)備安裝所要用到的硬件設(shè)備及安裝工具；（2）在主板上安裝CPU及風(fēng)扇；（3）在主板上安裝內(nèi)存條；（4）在機(jī)箱底板上固定主板；（5）連接主板電源線及CPU風(fēng)扇電源線；（6）安裝軟盤驅(qū)動(dòng)器（當(dāng)前計(jì)算機(jī)一般不再安裝）；（7）安裝硬盤驅(qū)動(dòng)器；（8）安裝光驅(qū)；（9）連接各部件的電源插頭及數(shù)據(jù)線；,,,,2.5.3計(jì)算機(jī)硬件的安裝,（10）安裝連接串、并接口；（11）安裝各類適配器，如顯卡等；（12）連接顯示器；（13）連接鍵盤、鼠標(biāo)等外部設(shè)備；（14）連接主板與機(jī)箱面板上的開關(guān)、指示燈和電源開關(guān)等；（15）最后檢查；（16）開機(jī)運(yùn)行BIOS設(shè)置程序，設(shè)置系統(tǒng)CMOS參數(shù)。,,本章小結(jié),計(jì)算機(jī)是數(shù)字設(shè)備，能以極快的速度處理大量的信息，完成復(fù)雜的工作；計(jì)算機(jī)以數(shù)字電子電路為基礎(chǔ)，集成電路在其中起著重要的作用；計(jì)算機(jī)雖然很復(fù)雜，但大多數(shù)構(gòu)件是簡單的插接式的，計(jì)算機(jī)的性能不僅取決于構(gòu)件的性能，更多的是由體系結(jié)構(gòu)所決定的。,