计算机系统组成（计算机组成原理 基础）
文章目录：
一：体系结构
1.系统组成
⼀个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成
1.1 硬件系统
定义：仅由硬件组成，没有软件的计算机称为裸机 裸机只能识别0、1组成的机器代码，⽤⼾难以直接使⽤ 没有硬件对于软件的⽀持，软件⽆法运⾏ 分类 主机：冯·诺依曼体系结构中，主机 = CPU + 内存 中央处理器：运算器（ALU）、控制器（CU） 内存储器：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、⾼速缓冲存储器（Cache） 外设：冯·诺依曼体系结构中，外设 = not 主机 输⼊设备：键盘、⿏标、扫描仪、话筒等 输出设备：显⽰器、打印机、绘图仪、⾳响等 外存储器：硬盘、光盘、U盘等
1.2 软件系统
定义：软件是在硬件设备上运⾏的各种程序及其相关⽂档和数据的总称 软件是计算机系统的灵魂，计算机的⼯作过程就是执⾏程序的过程 分类 系统软件：系统软件是指控制计算机的运⾏，管理计算机的各种资源的⼀类软件 系统软件也为应⽤软件提供⽀持和服务 说明 实际上，系统软件和应⽤软件的界限并不⼗分明显 数据库管理系统既可以算作系统软件，也可算作应⽤软件 分类 操作系统 WIndows 、Mac OS、UNIX、Linux 语⾔处理程序 C、C++、C#、Java、Python、Visual Basic等 实⽤程序：实⽤程序完成⼀些与管理计算机系统资源及⽂件有关的任务 包括 诊断程序，排错程序 系统设置和优化软件，如Windows优化⼤师等 系统服务程序，如磁盘清理、磁盘碎⽚整理程序等 压缩⽂件软件WinRAR，磁盘克隆软件Ghost等 应⽤软件：利⽤计算机的软硬件资源为某个专⻔的应⽤⽬的而开发的软件 通⽤应⽤软件：数据库管理系统、办公软件包、计算机辅助设计软件、Internet服务软件等 专⽤应⽤软件：如各单位的管理信息系统（MIS）等
2.工作原理
2.1 冯诺依曼体系
定义：核⼼思想是“存储程序”和“程序控制”，以此思想为基础的计算机统称为“冯·诺依曼机” 70多年来，我们所使⽤的主流计算机的体系结构基本没有发⽣改变，都属于冯·诺依曼机 存在⾮冯体系 哈弗结构 内存储器分为指令内存和数据内存，分别存放程序和数据 ⾼速缓存就采⽤哈弗结构，分为指令缓存和数据缓存 数据流机器 冯·诺依曼机属于控制流型，指令的顺序事先确定 数据流机器的指令执⾏顺序是动态的，可根据情况动态调整 数据流机器更便于实现并⾏计算 内容 ① 计算机的硬件系统由5⼤部分组成，包含运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备 ② 存储空间按顺序线性编址，每个地址唯⼀ ③ 程序和数据均以2进制编码表⽰ ④ 程序和数据以同等地位存放在同⼀个存储器中，并按地址访问 ⑤ 指令顺序执⾏，特定条件下，可以根据设定的条件改变执⾏顺序 核⼼：存储程序原理 计算机的基本原理是“存储程序”和“⾃动地执⾏程序” ① 计算机利⽤内存储器来存放所要执⾏的程序 ② CPU依次从存储器中取出程序中的每⼀条指令并加以分析和执⾏ ③ 直到完成该程序的全部指令
2.2 指令和指令系统
指令 概念 指令是能够被计算机识别并执⾏的⼆进制编码，⼜称为机器指令 不同的CPU中，指令的⻓度、操作码的位数和表⽰的操作类型、地址码中指令的格式，都不相同 当计算机在⼯作时，有两种信息在执⾏指令的过程中流动，即数据流和控制流 组成：⼀条指令由两部分组成：操作码和地址码，有些指令没有地址码，例如停机指令 操作码 告诉CPU应当执⾏何种操作 操作码的位数决定了操作指令的条数和功能 地址码 告诉CPU需要操作的数据在哪⾥ 地址码可以是⼀个存储在运算器中的数据，也可以是内存中某个单元的地址 指令系统 概念 指令系统指CPU所能执⾏的全部指令的集合，包含这个CPU能够识别并执⾏的所有机器语⾔ 不同计算机的指令系统包含的指令种类和数⽬不相同 类型 数据传送型 将数据在存储器之间、寄存器之间以及两者之间传送 数据处理型 对数据进⾏加减乘除等算术运算和与或⾮等逻辑运算 程序控制型 控制程序中指令执⾏的顺序，包括函数调⽤指令等 输⼊输出型 实现输⼊输出设备与主机之间的数据传递 硬件控制型 对计算机的硬件进⾏控制和管理 指令周期：计算机的基本⼯作原理就是程序⾃动执⾏的过程 取出并执⾏完成⼀条指令所需的全部时间 不同的指令完成的功能不同，因此不同指令的指令周期也不⼀样 过程 ① 取指令 通过指令寄存器（IR），按照程序计数器（PC）中的地址，从内存中取出第⼀条指令 ② 分析指令 通过指令译码器（ID）进⾏译码分析，然后交给运算器执⾏ ③ 执⾏指令 通过运算器从内存中取出数据进⾏指定的运算，然后把结果送到内存 ④ 回到① 程序计数器（PC）⾃增1或将转移地址码送⼊PC，继续重复执⾏下⼀条指令 流⽔线 pipeline，⼜称为指令流⽔线，是⼀种并⾏执⾏指令的⽅法 不同指令的各个步骤通过多个硬件处理单元重叠操作，实现指令的并⾏处理，以加速程序运⾏ 指令流⽔线技术的提出者不是冯·诺依曼，事实上，他本⼈反对指令的“并⾏处理”
3.性能指标
性能指标 计算能⼒ MIPS：Millions Instruction Per Second，百万条指令数每秒 BIPS Billions Instruction Per Second，⼗亿条指令数每秒 1 BIPS = 1000 MIPS 稳定性MTBF Mean Time Between Failure，平均⽆故障时间 平均⽆故障时间越⻓，稳定性越⾼ 问题求解 所有领域 CPU的性能、内存的容量和存取速度、缓存的⼤小和命中率，对计算机解决所有问题的速度都有影响 特殊领域 3D设计、游戏：3D设计或3D游戏需要显卡的图形加速功能，因此与显卡的GPU和显存的性能有关 复杂计算问题：这类问题的特点是数据量小而计算量⼤，因此基本只跟主机的性能有关 海量数据处理：海量数据⽆法⼀次性全部装载⼊内存，因此处理速度跟硬盘的存取速度有关
二：硬件系统
1.主机
1.1 CPU
概念：Central Processing Unit，中央处理器，相当于计算机的“⼤脑”，是计算机的核⼼部分 功能 负责处理、运算计算机内部的所有数据 计算机上所有的其它设备在CPU的控制下，有序、协调地⼯作 组成 运算器 概念 运算器是计算机中进⾏数据加⼯的部件 运算器中的数据取⾃内存，中间结果存放在寄存器中，最终结果送回内存 构成 ALU：Arithmetic and Logic Unit，算术逻辑单元，执⾏运算器的主要功能 FPU：Floating Point Unit，浮点运算单元，提⾼浮点运算速度 寄存器 累加器AX，传输并保存操作数和运算的中间结果 累加器是⼀种通⽤寄存器，通⽤寄存器的位数等同于CPU的字⻓ 功能：执⾏指令，可以进⾏算术、逻辑、⽐较、移位等运算 控制器 概念 控制器是计算机的指挥中枢，⽤于控制计算机各个部件按照指令的要求协同⼯作 控制器的控制命令取⾃内存 构成 CU Control Unit，控制单元 控制电路 时序控制电路 ⽣成时序控制信号，协调在指令执⾏周期的各部件的⼯作 微操作控制电路 产⽣各种控制操作命令 寄存器 程序计数器（PC） 对程序中的指令进⾏计数，使得控制器能够依次读取指令 指令寄存器（IR） 在指令执⾏期间暂时保存正在执⾏的指令 指令译码器（ID） 识别指令的功能，分析指令的操作要求 产品 Intel 架构 智能处理器酷睿 Core i系列，其中Core i3为低端处理器，Core i7为⾼端处理器 还有两种应⽤在服务器和⼯作站上的Itanium（安腾）和Xeon（⾄强），都是64位CPU 智能处理器的新特性 采⽤睿频加速技术，按负载提升主频，⾼效节能 采⽤超线程技术，提升CPU的并⾏处理能⼒ 集成⾼清显卡，⼤幅提升3D性能 AMD AMD系列中的各个CPU在Intel中都能找到相对应的产品，性能基本⼀致 同级别的情况下，AMD的CPU浮点运算能⼒⽐Intel的稍弱，强项在于集成显卡 相同的价格情况下，AMD的配置更⾼、核⼼数量更多 国产 ⻰芯 Loongson，中国科学院计算所⾃主开发的通⽤CPU，具有⾃主知识产权 ⻰芯是RISC型的CPU，采⽤简单指令集 ⻰芯处理器主要应⽤于⾼性能计算机，应⽤在军事科学、国家安全和国⺠经济建设等领域 申威：申威26010，神威·太湖之光的CPU，国产⾃主设计 性能指标 主频 概念 主频指CPU的时钟频率，也是CPU的⼯作频率，单位是Hz（⽬前达到GHz） 说明 主频与功耗成指数关系，因此主频只能提⾼到⼀定程度，有个极限 ⼀般来说，主频越⾼，CPU的运算速度越快 CPU的运算速度还和CPU的其它性能指标（⾼速缓存、字⻓）有关，因此不能绝对 字⻓ 概念 字 Word，计算机处理数据时，CPU⼀次存取、加⼯和传送的数据单位 是指计算机中作为⼀个整体参与运算、处理和传送的⼀串⼆进制数 字⻓ Word Length，每个字的最⼤⼆进制位⻓度，单位是“位” 字⻓ = CPU的位数 = CPU中通⽤寄存器的位数 说明 字⻓是衡量计算机性能的⼀个重要指标，不同的计算机系统字⻓不同 字⻓越⻓，计算机⼀次处理的信息位就越多，精度就越⾼，整体性能就越好 ⽬前，通⽤处理器的字⻓都是64位的，专⽤处理器的字⻓可达到128位及以上 Cache 概念 Cache是位于CPU与内存之间的⾼速存储器，运⾏频率极⾼，⼀般是和CPU同频运作 有L1、L2、L3 Cache，L1最快但容量最小，L3最慢但容量最⼤ Cache的存取速度⼤⼤的快于DRAM，但是存取容量⼤⼤的小于DRAM 若CPU需要的数据能在Cache中找到，则不会再去内存中访问，因此提⾼了运⾏速度 Cache中存放CPU对内存读写频度最⾼的程序和数据 功能 ⽤于平衡CPU与内存之间的速度差异 Cache能减少CPU从内存读取指令或数据的等待时间 ⼤容量的Cache可以⼤幅度提升CPU内部读取数据的命中率，因此提⾼系统性能 说明 Cache集成在CPU的内部，独⽴编址 Cache分指令缓存和数据缓存，程序和数据分别存储 多核CPU的每个核⼼都有⼀套独⽴的L1和L2 Cache，但所有核⼼共享L3 Cache 缓存的级数不是越多越好，实际上⼆级缓存以后，增加缓存的级数带来的命中率提⾼越少 新发展 睿频 睿频也称为睿频加速，是⼀种能⾃动超频的技术 当开启睿频加速后，CPU会根据当前的任务量⾃动调整CPU主频 重任务时提⾼主频发挥最⼤性能，轻任务时降低主频以节能 多核 概念 多核处理器集成了多个微处理器核⼼（内核，core），可并⾏执⾏程序代码 双核CPU的处理性能不⼀定能达到单核CPU的两倍 特点 每个物理核⼼包含⼀套完整的运算器和控制器，以及L1 Cache和L2 Cache 多核处理器具有较⾼的线程级并⾏性，可在特定的时间内执⾏更多任务 多核处理器⼀般需要⼀个控制器来协调多个核⼼之间的任务分配、数据同步 现状 ⽬前⼿机、个⼈电脑、服务器和超级计算机等计算机系统⼴泛采⽤多核技术 多核技术已经成为处理器体系结构发展的⼀种必然趋势 线程 概念 把⼀个物理核⼼虚拟成两个逻辑核⼼，每个逻辑核⼼可以单独运⾏⼀个线程 原理 控制器在读取和分析指令时运算器闲置 增加⼀个控制器，能独⽴进⾏指令读取和分析 即每个物理核⼼ = 1个运算器 + 2个控制器，每个物理核⼼ = 两个逻辑核⼼ 说明 需要操作系统和应⽤软件的⽀持 ⽬前，⼤部分软件并不能从超线程上得到好处 QPI总线 概念 Quick Path Interconnnect，⼜叫CSI（Common System Interconnect） ⽤于CPU内核与内核之间、内核与内存之间的总线，属于CPU的内部总线（⽚内总线） 特点 数据传输延时短，传输效率⾼ 每次传输16位（2B）有效数据，而且是全双⼯的（即发送的同时也可以接收） 带宽 QPI总线的带宽越⾼意味着CPU数据处理能⼒越强 QPI总线带宽 = 每秒传输次数（QPI频率）* 每次传输的有效数据 * 2 例如，QPI频率为6.4GT/s的总带宽=6.4GT/s*2B*2=25.6GB/s
1.2 内存
概念 内存储器简称内存或主存，⽤来存放执⾏中的程序和数据 CPU可以直接访问内存，从内存储器中存（写⼊）取（读出）信息 ⽤⼾编写的程序和数据需要⾸先通过输⼊设备送⼊内存单元，计算机才能执⾏ 种类 RAM 定义 Random Access Memory，随机存取存储器，既可以读取数据，⼜可以写⼊数据 通常所说的内存（内存条）主要就是指RAM（DRAM） 特点 随机访问，不管是SRAM还是DRAM，断电后保存的数据都会丢失 数据存储的最小单位是⼀个⼆进制位（bit，b），基本单位是⼀个字节（Byte，B） RAM是易失性的，断电后保存的数据丢失 性能 RAM的主要性能指标有两个：存储容量和存取速度 ⼀般而⾔，内存容量越⼤越好，存取速度越快越好 内存容量的上限受CPU位数和主板设计的限制 内存的容量⼤小和存取速度直接影响整个计算机系统的功能和⼯作效率 分类 DRAM，动态随机访问存储器；速度较慢，⽤于内存条 SRAM，静态随机访问存储器；速度较快，⽤于⾼速缓存 ROM 定义 Read Only Memory，只读存储器，主要⽤于存放计算机启动程序 计算机开机时，RAM中没有任何的程序和数据，此时执⾏的就是ROM中的程序（BIOS） 计算机的启动过程就是通过执⾏ROM中的启动程序，将外存中存放的操作系统内核装⼊RAM中的过程 特点 ⼀般情况下只读，断电后数据不丢失 分类 按字节存取 PROM 可编程只读存储器，⼀次性写⼊，之后⽆法修改 EPROM 可擦写可编程只读存储器，正常⼯作状态时只读，使⽤特殊设备可修改 EEPROM 电可擦写可编程只读存储器，正常⼯作状态时只读，提⾼电压即可修改 EEPROM可按字节读写，读取速度快但写⼊速度很慢 Flash ROM FLash ROM⼜称为RAM Non-volatile，分NOR型和NAND型 NOR型的⽤于主板上的BIOS芯⽚，属于内存，读写速度都⽐较快 按块存取：Flash ROM（NAND型），⽤于固态硬盘（SSD）、U盘、闪存卡等，属于外存 Cache：⾼速缓冲存储器，⽤于平衡CPU与内存之间的速度差异 CMOS：主板上的⼀个RAM芯⽚，⽤于存储⽇期时间、系统配置等信息 地址 内存单元：1个内存单元，就是指⼀个字节（B）的存储空间 内存地址 ⼀串⼆进制数字，⽤它来唯⼀地标识每⼀个内存单元的编号，从0开始编址 内存地址的范围由地址总线决定，称为"寻址空间"
2.外设
2.1 外存
概念 CPU不能直接访问外存，外存⼀般只与内存进⾏数据交换 外存储器作为内存储器的辅助和必要补充，⽤来⻓期保存数据，在计算机中也是必不可少的 外存中的数据只有调⼊内存后，才能被CPU访问和处理，因此外存储器也叫辅助存储器 ------------------------------------------------------------------------------------ 硬盘 机械硬盘 概念 ⼜称硬磁盘（HD或HDD）、温切斯特盘，通常所说得硬盘就是指机械硬盘 采⽤磁介质作为存储介质，对震动敏感，因为读写头与盘⾯之间只有极小的空间 结构 读写头 ⼀张硬磁盘通常由n张盘⽚组成，每张盘通常双⾯可读写，每个读写⾯对应⼀个读写头 读写头与磁盘不接触 磁道 ⼀张盘⽚上由多个磁道组成多个同⼼圆，最外圈的磁道是0磁道，由外向内编号依次增⼤ 柱⾯ 不同盘⽚上编号相同的磁道组成⼀个虚拟的圆柱⾯，称为柱⾯ 柱⾯数=磁道数 扇区 每个磁道可划分为m个独⽴的扇区，每个扇区保存固定数量的数据 扇区是机械硬盘的基本读写单位，⼤小通常固定为512字节 指标：机械硬盘主要技术指标有两个：存储容量和转速 容量 ⽬前达到TB级 存储容量 = 读写头数*柱⾯数*每磁道扇区数*512B 速度：存取速度 = 寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间 转速 转速是指硬盘盘⽚每分钟转动的圈数，单位是rpm 主要有5400rpm、7200rpm、10000rpm等 转速越⾼，旋转等待时间越小，数据存取速度越快 接口：SATA2.0（300MBps）、SATA3.0（600MBps） 固态硬盘 概念 SSD，Solid State Disk 采⽤闪存（Flash Memory（NAND型））作为存储介质 写⼊寿命有限，故⼀般使⽤特殊⽂件系统（如exFAT） 相对于机械硬盘而⾔，存取速度快而容量较小 指标 存储容量：从64G~2T都有 数据传输率：⼤约在10Gbps左右 接口 硬盘接口的作⽤是在硬盘和主机内存之间传输数据 SATA2.0（300MBps）、SATA3.0（600MBps）、M.2（32Gbps） 双硬盘系统：⽬前微型计算机的硬盘配置⼀般采⽤固态硬盘和机械硬盘双硬盘的混合配置⽅式 固态硬盘：存放操作系统的系统⽂件，通过减少⽂件读取时间而提⾼操作系统的运⾏效率 机械硬盘：存放⾮系统⽂件，如重要的数据、⽂档等，可以⻓期保存 光盘 原理 在有机塑料基底上加上各种镀膜制作而成，数据通过激光刻在盘⽚上 由于烧录前后的反射率不同（有坑和光滑的平⾯反射率有差别），通过反射率的变化形成0与1信号 光盘驱动器的光学头在读写光盘时，与光盘的盘⽚是不接触的 特点 记录信息的光道与磁道不同，不是同⼼圆，而是阿基⽶德螺旋线 光盘和硬盘、优盘不同，其存储设备（光驱）和作为存储介质的光盘是分离的 体积小、容量⼤、易于⻓期保存 速度 读取速度是衡量光驱性能的主要指标 读取速度按“倍速”算：CD的1X是150KB/s；DVD的1X是1350KB/s，⼤约是CD的9倍 CD-ROM的最⾼倍速是64倍速，DVD的最⾼倍速20倍速，已接近光盘驱动器的极限 分类 CD：Compact Disk 容量：650MB 分类 CD-ROM 普通的只读光盘 CD-R 可⼀次性写⼊光盘 CD-RW 可重复擦写光盘 DVD：Digital Versatile Disk 或 Digital Video Disk 容量：标准4.7GB（双⾯9.4GB）、蓝光DVD的容量可达25GB（双⾯50GB） 分类 DVD-ROM 普通的只读DVD光盘 DVD-R 可⼀次性写⼊的DVD光盘 DVD-RW 可重复擦写的DVD光盘 接口：SATA2.0（300MBps）、SATA3.0（600MBps） 移动：常⻅的移动存储设备有Flash存储器和移动硬盘等 Flash 概念 Flash存储器是⼀种新型的半导体存储器 断电时也能⻓期保存数据，加电后很容易擦除和重写，有很⾼的存取速度 分类 Flash卡 Flash卡⼀般⽤作数码相机和⼿机的存储器，如SD卡 每种Flash卡需要相应接口的读卡器与计算机连接，才能进⾏读写 U盘 采⽤USB接口，读写装置的接口版本必须与U盘的接口类型⼀致才能达到最⾼传输速度 移动硬盘 通常是由⼀个笔记本电脑的机械硬盘和带有数据接口电路的外壳组成 移动硬盘的数据接口主要有USB接口和IEEE 1394接口 ------------------------------------------------------------------------------------ 存储器的功能 存储器主要⽤来存储程序和数据 对存储器的基本操作是按照指定位置（地址）取出（读）和存⼊（写）⼆进制信息 存储器的特性 存储器有“取之不尽、⼀冲就走”的特性 ⼀冲就走 把数据写⼊存储单元，该单元的原有内容就被覆盖 取之不尽 从存储单元读取其内容后，该单元仍然保存着原来的内容，可以重复读取 存储器的分类 按功能不同 内存储器 RAM SRAM、DRAM、Cache、CMOS ROM PROM、EPROM、EEPROM、FLash ROM 特点 存取速度快，容量小、价格贵 外存储器 固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HD）、光盘、U盘、软盘（FD）等 特点 存取速度慢，容量⼤、价格低 按保存时间 易失性 Volatile，断电后保存的数据会丢失的存储器，⽤于临时性保存数据 所有类型的RAM，包括SRAM、DRAM、Cache、CMOS等 ⾮易失性 None Volatile，断电后保存的数据不会丢失的存储器，可⻓期保存数据 所有类型的ROM，以及所有的外存储器（辅助存储器） 按元件不同 半导体 所有的内存储器，固态硬盘（SSD）、U盘和Flash卡（如SD、Micro SD卡等） ⾮半导体 机械硬盘（磁介质）、软盘（磁介质）、光盘（有机塑料+⾦属薄膜） 存储器的层次 概念 为了解决存储器要求容量⼤、速度快、成本低三者之间的⽭盾，通常采⽤多级存储体系结构 其中，⾼速缓冲存储器存放当前使⽤最频繁的指令和数据 速度 原则：内存 > 外存 内存：寄存器（Register） > ⾼速缓存（Cache）>= SRAM > DRAM和ROM 外存：固态硬盘（SSD）> 机械硬盘（HD）> U盘 > 存储卡（SD卡） > 光盘 > 软盘（FD） 存储器的组成 任何⼀种存储技术都包括两个部分：存储设备和存储介质 存储设备 概念 存储设备⼜叫驱动器，是在存储介质上记录和读取数据的装置 有的与存储介质封装在⼀起，有的与存储介质分离 磁盘驱动器可作为输⼊设备（读盘时），也可作为输出设备（写盘时） ⼀体：硬磁盘、U盘 分离：软盘、光盘（CD/VCD/DVD） 存储介质 半导体 固态硬盘（SSD）、U盘 磁介质 机械硬盘（硬磁盘） 其它 光盘（塑料、⾦属薄膜），包括CD、VCD、DVD、DVD（蓝光）等
2.2 输入设备
概念 I/O设备中的I，即Input 接受⽤⼾输⼊的原始数据和程序，并将它们转换成计算机可以识别的形式（2进制数据），存⼊内存 分类 键盘 微型计算机必备的输⼊设备 通常连接在PS/2（紫⾊）接口或USB接口上，⽬前使⽤蓝⽛⽆线连接的键盘越来越多 ⿏标 微型计算机的基本输⼊设备 ⿏标有机械式的和光电式的，光电式的更精确、更耐⽤、更容易维护，是⽬前的主流 笔记本电脑中的轨迹球（TrackPoint）和触摸板（TouchPad）也是⽤来控制⿏标的 通常连接在PS/2（绿⾊）接口或USB接口上，⽬前使⽤蓝⽛⽆线连接的⿏标也越来越多 触摸屏 外屏:坐标定位 输⼊设备 内屏:⽤于显⽰ 输出设备 扫描仪 扫描仪是⼀种图形输⼊设备，⽤于输⼊图⽚资料 扫描仪和数码相机的核⼼设备都是CCD，它负责将光信号转换为电信号 配合适当的软件，还可以在扫描的过程中进⾏中英⽂⽂字的智能识别（OCR） 为保证图像质量，扫描时，应遵循“先⾼分辨率扫描，后转换其它分辨率使⽤”的原则 OCR Optical Character Recognition，光学字符识别 把图形化（栅格化）的⽂字转换为可编辑的⽮量化的⽂字 数码相机：数码相机是⼀种数字化成像设备 CCD CCD或CMOS的功能是把⾃然光转变成电信号，经过译码器转换成数字信号 CCD或CMOS的性能决定数码相机的画⾯清晰度和⾊彩还原度，是衡量⼀款数码相机质量的关键
2.3 输出设备
概念 I/O设备中的O，即Output ⽤于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为⽤⼾可接受的形式 分类 显⽰器 概念 显⽰器是微型计算机必备的输出设备 ⽬前常⽤的显⽰器是液晶显⽰器，以液晶作为显⽰元件，液晶有毒且不易挥发 指标 尺⼨：显⽰区域的对⻆线距离，单位是英⼨，并⾮越⼤越好 分辨率 显⽰器上能够显⽰的像素点的数量，以n*m的⽅式表⽰ 尺⼨⼀定的前提下，分辨率越⾼，显⽰的图像越精细 颜⾊质量 概念 显⽰⼀个像素所占⽤的位数，单位是位（bit） 颜⾊位数决定了颜⾊数量，位数越多，颜⾊数量越多 说明 实际上决定颜⾊深度的是显⽰适配器（显卡），显⽰器的对应指标叫⾊彩还原度 显⽰器采⽤RGB三基⾊，打印设备采⽤CMYK四基⾊ RGB R（Red，红⾊）、G（Green，绿⾊）、B（Blue，蓝⾊） CMYK C（Cyan，⻘）、M（Magenta，品红）、Y（Yellow，⻩）、K（blacK，⿊） 分类 8bits（256⾊） 16bits（⾼彩⾊） 2^16=65536⾊ 24bits（真彩⾊） 2^24=16777216⾊ 32bits（真彩⾊） 24位⾊彩通道 + 8位的alpha（透明度）通道 响应时间 屏幕上的像素由亮转暗或暗转亮所需要的时间，单位是毫秒（ms） 响应时间越短，显⽰器闪动就越少，在观看动态画⾯时不会有尾影 接口 VGA接口：传统的显⽰接口，15针，传输模拟信号，需要进⾏D/A转换 DVI 接口：早期的数字化的显⽰接口，传输数字信号 IEEE 1394：为了连接多媒体设备而设计的⼀种早期的⾼速串⾏接口标准，⽬前⽀持的设备不多 HDMI接口 High Definition Multimedia Interface，⾼清晰度多媒体接口，⽤于替代DVI 数字化的显⽰接口，可以同时传输视频和⾳频信号，最⾼数据传输率为18Gbps DP接口：Display Port，数据传输率⽐HDMI更⾼，也可以同时传输⾳频和视频信号 雷电接口：Thunderbolt，3.0版的数据传输率可达40Gbps，与USB的Type-C接口外观相同 打印机 分类 针式打印机 概念 针式打印机是利⽤打印钢针按字符的点阵打印出⽂字和图形 常⻅有9针、16针或24针三种打印头，其中24针的印字效果相对最好 银⾏、超市打印票据时⼴泛使⽤ 优点：价格便宜，能进⾏多层打印 缺点：噪声较⼤，打印质量不好 喷墨打印机 概念 喷墨打印机将墨⽔通过精制的喷头喷到纸⾯上形成⽂字和图像 多基⾊墨盒⾥的墨⽔在打印数据的驱动下，由微压电⽚将墨滴从喷嘴压出 各基⾊墨滴在纸上混合，形成丰富的⾊彩组合 优点：打印机体积小、重量轻、噪声低、打印精度较⾼，特别是彩⾊印刷能⼒很强 缺点：打印成本较⾼，适于小批量打印 激光打印机 概念 激光打印机利⽤激光扫描主机送来的信息，将要输出的信息在磁⿎上形成静电 潜像，并转换成磁信号，使碳粉吸附在纸上，经加热定影后输出。 优点：最⾼的打印质量和最快的打印速度 缺点：打印机较昂贵，占地⾯积⼤ 3D打印机 3D打印是⼀种以计算机模型⽂件为基础，运⽤粉末状塑料或⾦属等可黏合材料，通过逐层打印的⽅式来构造物体的技术 3D打印是⼀种新型的快速成型技术，可以⽤数小时制造出传统上需要数天才能造出的模型 3D打印被⽤于模型制造和单⼀材料产品的直接制造，具有⼴泛的应⽤领域和前景 指标 打印速度 ppm，pages per minute，每分钟打印的⻚数（A4纸） 打印精度 也叫打印分辨率，单位是dpi，dots per inch，每英⼨点数，分辨率越⾼打印质量越⾼ 打印幅⾯ ⼀般以A4或A3幅⾯为主，A3幅⾯⽐A4⼤⼀倍 接口：通常使⽤USB接口，现在很多打印机也⽀持⽆线WiFi连接
2.4 适配器
显卡：显⽰适配器，负责图形图像信息的处理和图像输出 组成 GPU Graphics Processing Unit，图形处理单元 GPU是⼀种专⽤的微处理器，专⽤于处理图形图像数据，不能代替CPU（CPU是通⽤的） 显存 属于RAM，其容量⼤小决定了显⽰颜⾊数量的多少和分辨率的⾼低 指标：GPU的浮点数运算能⼒、显存的⼤小和速度 声卡：⾳频适配器，现在⼀般集成在主板上 功能 完成⾳频信号的A/D转换和D/A转换 利⽤声卡上的数字信号处理器（DSP）对数字化声⾳进⾏处理 ⾳频信号的输⼊、输出、⽴体声（Stereo）合成 指标 采样：即采样率，通常为44.1KHz，也有48Khz、96KHz等 量化：⼜称量化位数或采样精度，⽬前多数为16bit，也有24bit、32bit的⾼端产品 ⽹卡：NIC, Network Interface Card，⽹络接口卡，⽹卡 功能 是计算机和⽹络之间的物理接口，计算机通过⽹卡接⼊计算机⽹络 ⽬前所有的计算机都标配了⽹卡（通常集成在主板上），⽹卡的驱动程序也是⾃动安装的
3.主板
主板（Main board）也称为⺟版（Mother Board）
是微型计算机中最⼤的⼀块集成电路板，也是其它部件和设备的连接载体3.1 插槽
CPU插座、内存插槽、独⽴显卡（PCI-E×16）插槽
3.2 接口
概念：外设不能直接通过系统总线与CPU连接，必须通过⼀个称为接口的硬件电路把两者连接起来 分类硬盘（SATA）接口、RS232、PS/2、USB、RJ-45、3.5mm⾳频接口、HDMI接口等 串⾏总线接口 PCI-E：PCI Express，PCI扩展标准，是⼀种多通道的串⾏总线 每个PCI-E设备与控制器是点对点连接，因此数据带宽独享 PCI-E采⽤多通道传输机制，多个通道相互独⽴，共同组成⼀条总线 PCI-E X16表⽰16通道，通常⽤于连接超⾼速外部设备，例如显卡 PCI-E向下兼容，即PCI-E X4的设备可以连接在PCI-E X4或X8或X16接口上 PCI-E 3.0的带宽是1GBps，PCI-E X16的带宽是16GBps SATA 固态硬盘、机械硬盘、光驱 替代了早期的IDE（并⾏接口）、EIDE（并⾏接口） USB 概念 Universal Serial Bus，通⽤串⾏总线，是⼀种串⾏总线标准 其电功率⾜以直接驱动摄像头、步进电机、电⻛扇、LED照明灯等 特点 ⽀持热插拔、数据传输率较⾼，是⽬前外部设备的主流接口⽅式 USB向下兼容，即所有USB2.0的设备都可以直接在USB 3.0上使⽤ 版本 2.0 ⿊⾊，5V，500ma，480Mbps（bits per second） 3.0 蓝⾊，5V，900ma，5Gbps 3.1 5V，900ma，10Gbps 3.2 5V，900ma，20Gbps 4.0 只有Type-C接口，电功率可达20V，5000ma，40Gbps 替代了LPT(并⾏接口)、PS/2（串⾏接口）、RS232（串⾏接口），基本统⼀了外部接口标准 蓝⽛ BlueTooth，适合短距离⽆线传输 RS232 ⼀种9针的串⾏通信接口标准，早期⿏标等外设使⽤的接口 PS/2 RS232之后的⿏标、键盘接口；紫⾊接键盘，绿⾊接⿏标 并⾏总线接口：AGP、PCI、IDE、EIDE、LPT等 基本上已经被串⾏接口替代 PCI 概念 Peripheral Component Interconnect，外设组件互连标准 ⼀种32位的并⾏总线（可扩展为64位），总线频率为33Hz（可提⾼到66MHz） 最⼤数据传输率可达66MHz*64b/8=532MBps 优点：结构简单、成本低、设计容易 缺点：总线带宽有限，如果有多个设备，将共享总线带宽
3.3 芯片
控制芯⽚ 概念 ⼜叫芯⽚组，是主板的灵魂，决定了主板的结构及CPU的使⽤ 芯⽚组必须与CPU配套，新发布的CPU都有相应的芯⽚组来⽀持 是整个系统的⼼脏，计算机系统的整体性能和功能再很⼤程度上由芯⽚组决定 组成 传统 两个芯⽚组，即北桥芯⽚组和南桥芯⽚组 北桥芯⽚：主要⽤于管理CPU、内存和显卡等⾼速设备的数据交换 南桥芯⽚：主要⽤于管理其它低速外部设备的数据交换 ⽬前 只有⼀个芯⽚组，即平台控制芯⽚组PCH（Platform Controller Hub） 北桥芯⽚的⼤部分功能，集成在CPU中 北桥的部分功能和南桥的全部功能，集成在PCH芯⽚组中 BIOS芯⽚ 概念 ⽤于存储BIOS（Basic Input/Output System，基本输⼊输出系统）系统的ROM芯⽚ ⽬前通常使⽤EEPROM或Flash ROM 功能 ①开机⾃检 POST（Power On Self Test） 功能是检查硬件是否正常，正常则执⾏第②步，异常则报警提⽰错误 ⾮致命异常会显⽰异常信息，致命异常⽤声⾳报警，不同⼚商对不同故障约定的报警声不同 ②引导系统 当POST正常完成，则启动硬盘上的操作系统的引导程序 流程 开机——>自检——>执行ROM中的启动程序——>加载操作系统——>执行操作系统 CMOS芯⽚：⽤于存储系统时间或BIOS中需要使⽤的⽤⼾参数等数据 注意 CMOS芯⽚是⼀种RAM，因此是易失性媒体 需要使⽤⼀块纽扣电池供电 CMOS电池在主板完全断电的前提下可以使⽤2~3年 集成芯⽚ ⼜称板载功能，包括主板上的集成声卡、集成⽹卡和IEEE 1394卡等 原来主板上的集成显卡现在集成在CPU的内部，称为CPU的显⽰核⼼
3.4 总线
概念 在计算机系统中，总线（Bus）是各部件之间传输数据的公⽤通道 CPU与内存直接与总线连接，其它外设通过I/O接口与总线连接 分类 按所在位置 ⽚内总线 CPU内部的总线，如CPU内部各寄存器之间、寄存器与ALU之间都使⽤⽚内总线连接 系统总线 系统总线是CPU、内存和外部设备（通过I/O接口）之间的信息传输总线 系统总线是微型计算机系统中最重要的总线，不特指的前提下，所谓总线就是指系统总线 为了实现“即插即⽤（PnP）”，系统总线的设计要求有统⼀的标准，与CPU的型号⽆关 按传输⽅式 串⾏总线 ⼀次发送⼀位⼆进制数据，常⻅的有RS232、PS/2、USB等 并⾏总线 ⼀次发送多位⼆进制数据，常⻅的如PCI等 按总线功能 地址总线：AB，Address Bus，对内存中的内存单元进⾏定位 地址总线的位宽决定计算机的寻址空间，寻址空间决定计算机内存的最⼤容量 地址总线是单向的，即只从CPU→内存 控制总线：CB，Control Bus，传输控制信号和时序信号 控制总线的位宽决定CPU对其它设备的控制能⼒ 控制总线是双向的 数据总线：DB，Data Bus，传输数据 数据总线的位宽决定CPU的字⻓ 数据总线是双向的 指标 位宽 总线位宽是指总线能够同时传送的⼆进制数的位数 位宽越宽，总线带宽越⼤ 频率 即总线的⼯作频率，以Hz为单位 ⼯作频率越⾼，总线⼯作速度越快，总线带宽越⼤ 带宽 概念 模拟信号：最⾼频率与最低频率之差 数字信号：单位时间内总线上传送的数据量，反映了总线的数据传输速率 计算公式：总线的带宽 = 单位时间内的传输次数*总线的⼯作频率*位宽/8 ⼯作频率的单位是Hz，位宽的单位是bit，带宽的单位B/s（Bps，Bytes Per Second） 不特指的前提下，单位时间的传输次数默认为1（QPI总线的传输次数为2） 发展 各设备共享总线的带宽，连接设备较多时每个设备的有效传输速率⽐较低 为了提⾼设备的传输率，现在的计算机系统中开始⼴泛采⽤点对点的传输⽅式 在点对点的传输⽅式中，每⼀个设备独享带宽
三：软件系统
1.软件的定义
定义：软件是指程序、程序运⾏所需要的数据以及开发、使⽤和维护这些程序所需要的⽂档的集合 软件 = 程序 + 数据 + ⽂档 程序 = 指令的有序集合 指令 = CPU能够识别并执⾏的最基本操作
2.程序设计语言
程序设计语⾔是⼈与计算机交流的⼯具，是⽤来书写计算机程序的⼯具
2.1 分类
低级语⾔ 机器语⾔ 概念 机器语⾔由0和1⼆进制代码按⼀定规则组成，是能被机器直接理解和执⾏的指令集合 实际上，机器语⾔就是CPU的指令系统（指令集），由2进制代码组成 优点 计算机唯⼀能直接识别并执⾏的语⾔，不需要翻译 相对其它语⾔，占⽤空间最少，执⾏速度最快 缺点 编程⼯作量⼤，难学、难记、难修改，只适合专业⼈员使⽤ ⾯向机器，不同机器的指令系统不同，因此随机而异，通⽤性差 汇编语⾔ 概念 机器语⾔的助记符 将机器指令的代码⽤英⽂助记符来表⽰，所以⼜称为符号语⾔ 在程序设计中，对实时性要求较⾼的地⽅，如过程控制等，仍经常采⽤汇编语⾔ 优点 ⼀定程度上克服了机器语⾔难读、难改的缺点 同时保持了变成质量⾼、占据空间少、执⾏速度快的特点 缺点 ⾯向机器，通⽤性差，不具有可移植性 维护和修改困难，同样只适合专业⼈员使⽤ 转换 汇编语⾔编写的程序需要转换成机器语⾔才能被计算机识别并执⾏ 过程 汇编语⾔源程序 →【汇编程序】→ 机器语⾔程序 ⾼级语⾔：从根本上改变低级语⾔的缺陷，使计算机脱离机器、更接近于⾃然语⾔ ⾼级语⾔是⼀种接近⾃然语⾔和数学公式的程序设计语⾔，可以极⼤地提⾼编程效率 程序语⾔的发展⽬标是让计算机直接理解⼈的⾃然语⾔，不需要计算机语⾔，但整个过程是漫⻓的 ⾯向过程 典型的有FORTRAN，COBOL、Pascal，Basic，C/C++等 FORTRAN：1954年由IBM公司推出，是世界上最早出现的⾼级语⾔ COBOL：1959年推出的⾯向商业的通⽤语⾔，随着数据库管理系统的普及，使⽤越来越少 BASIC 1964年提出的初学者语⾔，解释型，运⾏速度慢 VB Visual Basic，1991年推出，可视化、基于对象 Pascal 1968年推出的结构化程序设计语⾔，随着C语⾔的流⾏逐渐衰落 ⽬前，基于Pascal的Delphi，使⽤⾯向对象与软件组件的概念，⽤于开发商⽤软件 C C语⾔虽然形式上是⾼级语⾔，但却具有与机器硬件打交道的底层处理能⼒ C语⾔集⾼级语⾔和低级语⾔的功能于⼀体，因此也称为“中级语⾔” ⾯向对象：典型的有C++/C#，Java，VB.NET，Python等 Java 1995年推出的⼀种新型的跨平台的⾯向对象设计语⾔，是Internet上的重要编程语⾔ 采⽤Java虚拟机（JVM）技术，可在任何环境下运⾏，有“写⼀次，跑到处”的跨平台优点 执⾏过程既包含编译⼜包含解释 ① “.java”（源程序）→“.class”（Java字节码） ② “.class”⽂件再被JVM解释执⾏，因此具备跨平台性 Python Python是⼀种⾯向对象的解释型语⾔ 常被昵称为胶⽔语⾔，能够把其它语⾔制作的各种模块轻松地联结在⼀起 C++ C++是C语⾔中加⼊⾯向对象的概念而成，与C语⾔兼容 C++是应⽤最⼴的⾯向对象程序设计语⾔之⼀ C# 由C/C++衍⽣出来的⾯向对象程序设计语⾔，是.NET开发平台的⾸选语⾔ VB.NET Visual Basic.NET，完全⾯向对象，功能强⼤ ⾯向问题：4GL ⼜称为第四代程序设计语⾔，典型的如SQL、Delphi等
2.2 执行方式
解释 过程：解释⽅式的翻译⼯作由解释程序完成，如同“同声翻译” 对源程序进⾏逐句分析 ⽆错误 翻译为机器指令并执⾏ 有错误 ⽴即停⽌，报错并提⽰ 特点：逐句转换，不⽣成⽬标⽂件 优点 边解释边执⾏的⽅式特别适合于⼈机对话 对初学者有利，便于查找错误的语句⾏和修改 缺点：执⾏速度慢 ① 每次执⾏，必须要重新解释 ② 如果错误在后⾯，则前⾯的运⾏是⽆效的 ③ 解释程序只看到⼀条语句，⽆法对整个程序优化 代表：Basic、Java、Python 编译 过程 说明 编译⽅式的翻译⼯作由编译程序完成，如同“笔译”，在纸上记录翻译后的结果 编译程序对整个源程序进⾏编译处理，产⽣⼀个与源程序等价的⽬标程序 ⽬标程序不能直接执⾏，需要经过连接程序将⽬标程序和其它程序库组合成完整的可执⾏程序 产⽣的可执⾏程序可以脱离编译程序和源程序独⽴存在并反复使⽤ 总结 源⽂件 →【编译程序】→ ⽬标⽂件 →【连接程序】→ 可执⾏⽂件 例如，“.c” → “.obj” → “.exe” 特点 整体转换，会⽣成⽬标⽂件 优点：编译⼀次可重复执⾏多次、执⾏速度快 缺点：不够灵活，每次修改源程序，都必须重新编译 代表：⼤多数⾼级语⾔都采⽤编译⽅式，例如Pascal、C语⾔、C++语⾔
2.3 总结
程序设计语⾔ 低级与⾼级：低级语⾔⾯向机器，⾼级语⾔脱离机器 越⾼级，则 可读性、兼容性、开发效率越⾼ 存储空间的需求越⼤、执⾏效率越低 越低级，则 可读性、兼容性、开发效率越低 存储空间的需求越小、执⾏效率越⾼ 语⾔处理程序 概念 在所有的程序设计语⾔中，只有直接⽤机器语⾔编写的程序能被计算机直接识别并运⾏ 语⾔处理程序就是将其它语⾔编写的程序转换为机器语⾔程序的⼯具 不同的程序设计语⾔，其翻译程序互不通⽤ 分类 汇编程序 将汇编语⾔编制的源程序整体翻译成机器语⾔程序（⽬标程序）的⼯具 编译程序 编译程序⼜叫编译器 将⾼级语⾔编制的源程序整体翻译成机器语⾔程序（⽬标程序）的⼯具 解释程序 解释程序⼜叫解释器 将⾼级语⾔编制的源程序逐句翻译成机器语⾔代码并执⾏的⼯具 解释执⾏的⽅式不⽣成⽬标程序
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