计算机文化基础—计算机硬件系统
第2章 計算機硬件系統
本章內容
? ? ??信息工具——計算機
? ? ? 計算機的工作原理
? ? ? 微機系統及其主要指標
? ? ??嵌入式計算機系統
? ? ??計算機應用
?2.1 信息工具——計算機
? ? ??人類所使用的計算工具從簡單到復雜、從低級到高級的發展過程中，相繼出現了如算盤、計算尺、手搖機械計算機、電動機械計算機等。
1946年2月，世界上第一臺數字電子計算機“ENIAC（Electronic Numberical Integrate andCalculator）”在美國賓夕法尼亞大學誕生。“ENIAC”共使用了17468個電子管，占地170m2，功率174kw，重達30t，每秒進行5000次加法運算。它標志著計算機時代的到來。
2.1.1 計算機的發展
中國計算機的發展
1956開始研究，1958年研究出第一臺電子管計算機
1964年：晶體管計算機，1971年：集成電路計算機
1983年：“銀河Ⅰ”巨型機，運算速度每秒1億次
1997年：“銀河Ⅲ”巨型機，運算速度每秒130億次
1995年：“曙光1000”研制完成
2001年：中科院計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號正式面世
2008年：曙光5000A研制成功，繼美國后第二個成功研制浮點速度在百萬億次的超級計算機。
2010年：國際超級計算機大會公布中國超級計算機“星云”是世界第二快的計算機 ，僅僅排在美國克雷公司的“美洲豹XT5”之后。運算峰值達到每秒3000萬億次?。
2.1.2 計算機的工作的特點
1.高速性
計算機的運算部件采用的是電子器件，其運算速度遠非其他計算工具所能比擬，而且其運算速度還在以每隔幾個月提高一個數量級的速度在快速發展。
2.存儲性
計算機的存儲性是計算機區別于其他計算工具的重要特征。計算機的存儲器可以把原始數據、中間結果、運算指令等存儲起來以備隨時調用。存儲器不但能夠存儲大量的信息，而且能夠快速準確地存入或取出這些信息。存儲性是計算機能夠自動運算的前提和基礎。
3.通用性
通用性是計算機能夠應用于各種領域的基礎。任何復雜的任務都可以分解為基本的算術運算和邏輯操作集合，計算機程序員可以把這些基本的運算和操作按照一定規則（算法）寫成一系列操作指令，加上運算所需的數據，形成適當的程序就可以完成各種各樣的任務。
4.自動性
計算機內部的操作運算是根據人們預先編制的程序自動控制執行的。只要把包含一連串指令的處理程序和要處理的數據輸入計算機，計算機便會依次取出指令，逐條執行，完成各種規定的操作，直到得出結果為止。
5.精確性
計算機通常采用二進制運算，這使得計算機的狀態穩定，算術和邏輯運算規則簡單，可靠性很高，差錯率極低。一般來講，只在人工介入的地方才有可能發生錯誤，這就是計算機的精確性。
2.1.3 計算機的分類
1. 按信息表示形式和處理方式劃分
根據信息表示形式和處理方式的不同，計算機可分為模擬計算機和數字計算機兩大類。
模擬計算機的主要特點：參與運算的數值由不間斷的連續量表示，其運算過程是連續的。
數字計算機的主要特點：參與運算的數值用離散的數字量表示，其運算過程按數字位進行計算。目前主流的計算機都屬于數字計算機。
2. 按計算機的用途劃分
電子計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。
專用計算機與通用計算機在效率、速度、配置、結構復雜程度、造價和適應性等方面是有區別的。專用計算機針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經濟的特性，但它的適應性較差，不適于其他方面的應用。在導彈和火箭上使用的計算機很多是專用計算機。
通用計算機適應性很強，應用面很廣，但其運行效率、速度和經濟性依據不同的應用對象會受到不同程度的影響
3.按計算機的規模劃分
通用計算機按其規模、速度和功能等又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機及單片機。這些類型之間的基本區別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數據存儲容量、指令系統和設備、軟件配置等方面的不同。
一般來說，巨型計算機的運算速度很快，可達每秒幾百萬億條或更多指令，數據存儲容量很大，規模大，結構復雜，價格高昂，主要用于大型科學計算。它也是衡量一個國家科學實力的重要標志之一。單片機則只由一片集成電路制成，其體積小，重量輕，結構十分簡單。性能介于巨型機和單片機之間的就是大型機、中型機、小型機和微型機，它們的性能指標和結構規模則依次遞減。
2.1.4 計算機的應用
1. 數值計算
計算機最初是為解決科學研究和工程設計中遇到的大量數學問題的數值計算而研制的計算工具，隨著現代科學技術的進一步發展，數值計算在現代科學研究中的地位不斷提高，在尖端科學領域中尤為重要。例如，人造衛星軌跡的計算，房屋抗震強度的計算，火箭、宇宙飛船的研究設計都離不開計算機的精確計算。
2. 數據處理（信息處理）
在科學研究和工程技術中，會得到大量的原始數據，其中包括大量圖片、文字、聲音等。信息處理就是對數據進行收集、分類、排序、存儲、計算、傳輸和制表等操作。目前計算機的信息處理應用已非常普遍，如人事管理、庫存管理、財務管理、圖書資料管理、商業數據交流、情報檢索和經濟管理等
信息處理是當代計算機的主要任務，是現代化管理的基礎。據統計，全世界計算機用于數據處理的工作量占全部計算機應用工作量的80%以上，大大提高了工作效率和管理水平。
3.自動控制
自動控制是指通過計算機對某一過程進行自動操作，它不需人工干預，能按人預定的目標和預定的狀態進行過程控制。目前被廣泛用于鋼鐵、石油化工、醫藥工業等操作復雜的生產中。使用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準確性，提高勞動效率、產品質量，降低成本，縮短生產周期。
計算機自動控制還在國防和航空航天領域中發揮著重要作用。例如，無人駕駛飛機、導彈、人造衛星和宇宙飛船等飛行器的控制都是靠計算機實現的。可以說計算機是現代國防和航空航天領域的神經中樞。
4. 計算機輔助設計和輔助教學
計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Design）：借助計算機的幫助，自動或半自動地完成各類工程設計工作。
計算機輔助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing）
計算機輔助測試（CAT，Computer Aided Test）
計算機輔助教學（CAI，Computer Aided Instruction）：用計算機來輔助完成教學計劃或模擬某個實驗過程。CAI不僅能減輕教師的負擔，還能激發學生的學習興趣，提高教學質量，為培養現代化高質量人才提供了有效途徑。
5.人工智能方面的研究和應用
人工智能（AI，Artificial Intelligence）是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術和應用。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行思維學習、推理、聯想和決策，使計算機具有一定“思維能力”。機器人是計算機人工智能的典型例子。
6.多媒體技術應用
隨著電子技術，特別是通信和計算機技術的發展，人們已經有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構成一種全新的媒體——“多媒體”（Multimedia）。在醫療、教育、商業、銀行、保險、行政管理、軍事、工業、廣播和出版等領域中，多媒體的應用發展很快。
7. 計算機網絡與通信
隨著網絡技術的發展，計算機的應用進一步深入到社會的各行各業，通過高速信息網實現數據與信息的查詢，高速通信服務（電子郵件、電視電話、電視會議、文檔傳輸），電子教育，電子娛樂，電子購物（通過網絡選看商品、辦理購物手續、質量投訴等），遠程醫療和會診以及交通信息管理等。計算機的應用將推動信息社會更快地向前發展。
利用通訊技術，可以將不同地理位置的計算機互聯，可以實現世界范圍內的信息資源共享，并能交互式地交流信息，這是傳統通信手段難以達到的。Internet的建立和應用使世界變成了一個“地球村”，它正在深刻地改變著我們的生活、學習和工作方式。
2.1.5 計算機的發展趨勢
未來的計算機將向巨型化、微型化、網絡化、智能化等方向發展。
1.巨型化
巨型化是指發展高速的、大存儲量和強大功能的巨型計算機。巨型計算機主要應用于天文、氣象、地質、核技術、航天飛機和衛星軌道計算等尖端科學技術領域。巨型計算機的技術水平是一個國家科學技術和工業發展水平的重要標志。
2.微型化
微型化是指利用微電子技術和超大規模集成電路技術，把計算機的體積進一步縮小，價格進一步降低。計算機的微型化已成為計算機發展的重要方向。各種筆記本式計算機和掌上計算機的大量面世和使用，是計算機微型化的
3.網絡化
網絡化是計算機發展的又一個趨勢。所謂計算機網絡化，是指用現代通信技術和計算機技術把分布在不同地點的計算機互聯起來，組成一個規模更大、功能更強的可以互相通信的網絡結構。網絡化的目的是使網絡中的軟、硬件和數據等資源能被網絡上的用戶所共享。
4.智能化
智能化是指使計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。智能計算機是目前正在研制的新一代計算機。智能化的研究包括模擬識別、物形分析、自然語言的生成和理解、博弈、定理自動證明、自動程序設計、專家系統、學習系統和智能機器人等。目前已研制出多種具有人的部分智能的機器人，可以代替人在一些特定的工作崗位上工作。
2.2 計算機的工作原理
2.2.1 馮·諾依曼結構
1.計算機的基本結構
1）輸入設備
輸入設備的主要功能是把原始數據和處理這些數據的程序轉換為計算機能夠識別的二進制代碼，通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中，供CPU調用和處理。常用的輸入設備有鼠標、鍵盤、掃描儀、數字化儀、數碼攝像機、條形碼閱讀器、數碼相機和模/數轉換器（A/D）等。
2）輸出設備
輸出設備是指從計算機中輸出信息的設備。它的功能是將計算機處理的數據、計算結果等內部二進制信息轉換成人們習慣接受的信息形式（如字符、圖形、聲音等），然后將其輸出。最常用的輸出設備是顯示器和打印機，輸入設備和輸出設備合起來稱為外部設備（I/O設備）
3）存儲器
存儲器是計算機中用于存放程序和數據的部件。存儲器分為內存儲器和外存儲器兩大類。內存儲器又稱為主存儲器，外存儲器又稱為輔助存儲器。內存是存取速度快而容量相對較小的一類存儲器；外存是存取速度較慢而容量相對較大的一類存儲器。
4）運算器
運算器包括算術邏輯單元（ALU）、累加器、標志寄存器、寄存器組等。其工作過程如下：
運算器的工作過程
1）從RAM（隨機存取器）中取出數據，存儲到運算器的寄存器中；
2）從控制器發出控制信號，決定進行何種運算（算術運算或邏輯算
3）運算器執行相應操作，將結果存儲到累加器中；
4）將最終運算結果存儲到RAM中，以備輸出。
5）控制器
定義：控制器是整個計算機系統的控制中心，它指揮計算機各部分協調工作，保證計算機按照預先規定的目標和步驟進行操作及處理。
組成：控制器主要包括指令計數器、指令寄存器、指令譯碼器和控制信號發生器，主要完成指令的翻譯，并產生片內和片外的各種控制信號，執行相應的指令。
作用：控制器的作用是使整個計算機能夠自動地執行程序，并控制計算機各功能部件協調一致地工作。控制器是指揮和控制計算機各部件進行工作的“神經中樞”.
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，并存儲到指令寄存器中；
2）指令計數器加1，指向下一條指令的地址；
3）解釋該指令并形成數據地址，取出所需的數據；
4）向其他功能部件發出執行該指令所需的各種時序控制信號；
5）再按順序從主存中取出下一條指令執行，如此循環，直到程序完成。
3.采用存儲程序方式
所謂存儲程序原理，就是把程序和處理問題所需的數據都以二進制編碼形式預先按一定順序存放到計算機存儲器里，計算機在運行程序時就能自動、連續地從存儲器中依次取出指令且執行，直到完成預定的任務。這是計算機能高速自動運行的基礎。計算機的工作體現為執行程序，計算機功能的擴展在很大程度上也體現為所存儲程序的擴展。計算機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代計算機的基礎，后人將采用這種設計思想的計算機稱為馮·諾依曼型計算機。到目前為止，大多數計算機仍沿用這一結構。
2.2.2 計算機的心臟—CPU
1. CPU簡介
CPU也稱中央處理器（Central Processing Unit）或微處理器。
第一個微處理器是1971年由美國Intel公司生產的。
CPU內核逐漸由單核向雙核、多核發展，主頻最高達到3 GHz以上。目前Intel公司的主流產品有酷睿系列、賽揚系列產品等，AMD公司目前的主流產品有羿龍、閃龍和速龍系列等。
CPU是計算機內部完成指令讀出、解釋和執行的重要部件，它主要由運算器和控制器組成，有的還包含了高速緩沖存儲器。目前的CPU都通過高速線路將各部件集成在一個芯片上，稱為微處理器。CPU是現代計算機的心臟
2. 高速緩沖存儲器（Cache）
(1)Cache技術的引入
Cache即高速緩沖存儲器。隨著CPU主頻的提高， CPU對?RAM的存取速度要求很快，而RAM的響應速度慢， CPU大部分時間在等待從RAM傳輸數據，大大浪費了CPU的資源，為了協調二者的速度，引入Cache技術。
(2)實現方法
通常采用與CPU速度相近的RAM。
具體方法為： 當用戶啟動一個任務時，計算機預測CPU可能需要執行哪些程序或要處理哪些數據，并將當前要執行的程序和數據復制到Cache，CPU在讀寫時，首先訪問Cache，如果Cache中有，CPU就從Cache中取數據而不到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L2 Cache,1~3MB）。
3. CPU執行的指令
1）指令
計算機執行某種操作的命令稱為指令。
根據指令中操作數的不同，可分為：
?零地址：只有操作碼，而沒有地址碼。?
一地址：單操作數指令。
二地址：指令常稱雙操作數指令，它有兩個地址碼，分別指明參與操作的兩個數在內存中或運算器通用寄存器的地址，其中前一個地址碼兼做存放操作結果的地址。
除了上面介紹的之外，還有三地址指令。?
2）指令集
指令集（指令系統）：一臺計算機中所有機器指令的集合，是表征一臺計算機性能的重要因素，格式與功能影響硬件結構、系統軟件及機器在適用范圍。
系列計算機：基本指令系統相同、基本體系結構相同的一系列計算機。
向上兼容：新推出的機種指令系統一定包含所有舊機種的全部指令。舊機種上運行的各種軟件不做任何修改便可在新機種上運行，大大減少可軟件的開發費用。
3) 指令集的風格
根據指令集的不同可分成兩種類型的計算機。
(1)復雜指令集計算機（CISC，Complex Instruction?? SetComputer）
以VAX-11/780為代表，20世紀70年代后的各種微機均采用? 這種風格，如Intel 80x86。
其特點：指令系統復雜，絕大多數指令需要多個機器周期方可完成。
(2)精簡指令集計算機（RISC，Reduced Instruction Set Computer）
將那些不是最頻繁使用的指令由軟件來實現，加快執行速度。其特點：指令有限，執行速度很快。
4）指令周期
指令周期是取出并執行一條指令的時間。
指令周期常常用若干個CPU周期數來表示。
CPU周期（機器周期）通常用內存中讀取一個指令字的最短時間來規定CPU周期，一個CPU周期時間包含若干個時鐘周期。
通常取出和執行任何一條指令所需的最短時間為兩個CPU周期。
4. CPU的主要性能指標
1）主頻、倍頻、外頻
主頻是CPU的時鐘頻率。主頻越高，CPU的速度越快。外頻是系統總線的工作頻率。倍頻是CPU外頻與主頻相差的倍數。
主頻=外頻×倍頻
2）內存總線速度
指CPU與二級高速緩存和內存之間的通信速度。
3）擴展總線速度
指安裝在微機上的局部總線（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。
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微機系統，地址總線寬度為32位，直接訪問空間4096MB。（232=4G=4096MB）
6）數據總線寬度
數據總線寬度決定了CPU與二級高速緩存、內存以及輸入/輸出設備之間一次數據傳輸的信息量。
7）內置協處理器
含有內置協處理器的CPU，可以加快特定類型的數值計算。
8）超標量
指在一個時鐘周期內CPU可以執行一條以上的指令。Pentium級以上CPU均具有超標量結構。
9）L1高速緩存即一級高速緩存
添加內置高速緩存可以提高CPU的運行效率。
10）采用回寫結構的高速緩存
對讀和寫操作均有效，速度較快。采用寫通結構的高速緩存，僅對讀操作有效。
2.2.3 存儲器
存儲器是計算機中具有記憶能力的部件，它能根據地址接收并保存指令或數據。存儲器的操作是一個不斷存入與取出的過程，我們把存入數據的操作稱為“寫”操作，把取出數據的操作稱為“讀”操作。存儲器可分為主存儲器和輔存儲器兩大類。
主存儲器簡稱主存或內存，是計算機中用來存放指令和數據并能由中央處理器直接讀取的存儲器。計算機工作時，整個處理過程中用到的數據和指令都存放在內存中。
輔助存儲器簡稱輔存或外存，是不直接向中央處理器提供指令和數據的各種存儲設備。它主要用來存放內存中難以容納，但為程序執行所需要的數據信息。常用作外存的有軟盤、硬盤、光盤和磁帶等。
1. 隨機存儲器（RAM）
1）分類
隨機存儲器（RAM，Random Access Memory）按半導體材料分為雙極型（TTL）半導體存儲器和金屬氧化物（MOS）半導體存儲器兩種。根據存儲信息機構的原理不同，又分為靜態MOS存儲器（SRAM）和動態MOS存儲器（DRAM）。
2）單位及單位換算
字節是表示信息含義的最小單位，是存儲器容量的基本單位。
1KB=1024B?????1MB=1024KB??? 1GB=1024MB
3）操作特點
RAM在CPU運行期間既可讀出信息又可寫入信息，主要用于臨時保存數據，便于CPU對數據進行處理。
優點：存取速度快、存儲體積小、可靠性高。
缺點：斷電后所存的信息會丟失。
RAM中的數據通過改變電容的狀態來改變。RAM的容量通常16 MB、32 MB、64 MB、128 MB、256 MB等。
4）數據的存取方法
數據的存取方法是按址存取。
存儲單元地址：計算機為了區分存儲器的各存儲單元，把全部存儲單元按順序編號。
2. CMOS存儲器和BIOS
1）CMOS的縮寫
CMOS是互補金屬氧化物半導體的縮寫（Complementary MetalOxide Semiconductor），是指制造大規模集成電路芯片用的一種技術或用這種技術制造出來的芯片。
2）CMOS存儲器的功能
CMOS存儲器是指主板上一塊可讀寫的存儲芯片，它存儲了微機系統的時鐘信息和硬件配置信息等。系統加電引導時，要讀取CMOS信息，用來初始化機器各個部件的狀態。CMOS存儲器用電池供電。保存的重要數據比RAM時間長久，不象ROM那樣不可改寫。當改變了計算機的系統配置后， CMOS中的數據必須進行更新。啟動計算機時，按Del鍵進入CMOS界面進行相關參數的設置。
3）ROM BIOS存儲器的功能
ROM BIOS是主板上存放微機基本輸入輸出程序的只讀存儲器，其功能是微機的上電自檢、開機引導、基本外設I/O和系統COMS設置。主板上的BIOS芯片貼有保護標簽（避免紫外線照射）標有“BIOS”字樣。
3.只讀存儲器（ROM）
只讀存儲器（ROM，Read Only Memory）中的數據或程序一般是在裝入計算機前事先寫好的。計算機在工作過程中只能讀出事先存儲的數據，一般不能改寫。
1）ROM的優點
具有不易丟失性，即使電源被切斷，ROM中的信息也不會丟失。 ROM常用于存放固定的程序和數據。
2）ROM的分類
(1)掩模只讀存儲器。
優點：可靠性高，集成度高，價格便宜；缺點：不能改寫。
(2)一次編程只讀存儲器。分為PN結擊穿型（反向二極管）和熔絲燒斷（熔絲）型兩種。
(3)多次編程只讀存儲器。EPROM，使用紫外線擦除其中的數據，再次寫入信息；EEPROM，使用電擦除其中的數據，再次寫入信息。
4. 虛擬內存
操作系統用虛擬內存來動態管理運行時的交換文件。為了提供比實際物理內存還多的內存容量，Windows操作系統占用硬盤上的一部分空間作為虛擬內存。
當CPU有要求時，首先會讀取內存中的資料，當內存容量不夠用時，Windows就會將需要暫時儲存的數據寫入硬盤。 所以，計算機的內存大小等于實際物理內存容量加上“分頁文件（交換文件）”的大小。
虛擬內存不僅解決了存儲容量和存取速度之間的矛盾，而且也是管理存儲設備的有效的方法。
設置方法：“控制面板——系統——高級——性能——設置”
5. 外存
外存儲器最常用的有磁盤、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原理來存儲數據的。
1）軟盤（floppy disk）
(1)構成
軟盤是兩面涂有磁性氧化物的聚酯薄膜圓片。
(2)規格
軟盤的大小有5.25英寸和3.5英寸兩種，目前常用3.5英寸軟盤。
(3)磁道、扇區、簇
磁道：盤片上分成的若干個同心圓。磁道號從外向里依次為0、1、2……。
扇區：每個磁道被分為若干個弧段，每一個弧段為一個扇區。扇區長度不等，可存放相同數量的信息。（512字節）
簇：包括一個或數個扇區。
1）軟盤（floppy disk
(4) 磁盤容量
(5)軟盤驅動器的工作原理
軟盤驅動器用來對軟盤進行讀寫操作。
當插入軟盤后，啟動軟盤驅動器。此時主軸帶動盤片旋轉，使轉速達到一個額定值（普通軟驅為300~600轉/分），隨即啟動磁頭定位裝置，使用磁頭移動并將其前隙定位于0磁道上，驅動器進入準備狀態。當軟驅上的控制器接到主機的命令后，經控制器上的微處理器對命令進行解釋、譯碼，產生各種控制信號。
2）硬盤(hard disk)
硬盤精度高、容量大、速度快、結構復雜。它由鋁合金制成，兩面都鍍有磁性材料，多個圓盤片固定在同一根驅動軸上，隨之轉動，盤片兩面都有可移動的磁頭，從上讀取信息。硬盤和硬盤驅動器固結在一起，安裝在主機箱內。容量通常有4.3GB、8.6GB、10GB、30 GB、 80 GB等。
硬盤的各個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。存取信息時可在同一柱面上按磁盤的順序進行。柱面從外向里依次編號，即0、1、2、3等。常見的硬盤的盤面為3.5英寸。?
3）磁帶存儲器
在磁帶中存儲信息也是利用磁存儲原理，其工作原理和錄音機或錄像機使用錄音帶或錄像帶相同。磁帶存儲器由磁帶機和磁帶兩部分組成。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算機，而盒式磁帶主要用于微型機。與磁盤相比，磁帶主要用于數據備份領域。磁帶是線性存儲設備，不利于高速存取，但其單位存儲成本低，容量擴展靈活方便，介質尺寸小，可靠性高且易于保存，所以適用于對數據備份有需求的用戶。
4）光盤CD-ROM
CD-ROM是Compact Disk-Read-Only Memory的縮寫，意思是“密集盤-只讀存儲器”，它是由音頻CD發展而來的一種外存儲器。光盤的容量很大，一張光盤盤片可存放650~700MB的信息，且保存時間長，可靠性高。光盤是一種比軟盤更好的外存儲器。CD-ROM光盤盤片只能讀取，不能寫。CD-ROM上的數據通過激光在介質表面燒蝕出凸凹來記錄，邊界代表“1”，平面代表“0”使用光盤驅動器讀出其上的信息。光驅分為單、2、4、8、12倍速等。單倍速是指數據的傳輸速率是150KB/s。單倍速與音頻CD相同，不能邊續播放VCD。
一次寫入型光盤（WORM，Write Once Read Many disk）。
可擦寫光盤（EO，Erasable Optical disk）。
5）USB 、U盤和閃存
USB是Universal Serial Bus的縮寫，意思是通用串行總線。這是一種計算機系統連接外圍設備（如鍵盤、鼠標、打印機等）的輸入/輸出接口標準。在USB方式下，所有的外設都在機箱外連接，連接外設不必再打開機箱；外設允許熱插拔。USB采用“級聯”方式，即每個USB設備可以用一個USB插頭連接到一個外設的USB插座上，而其本身又能提供一個USB插座供下一個USB外設連接用。通過這種連接方式，一個USB控制器可以連接多達127個外設。U盤又稱優盤，是用閃存作為存儲介質的，可反復存取數據，不需另外的硬件驅動設備，使用時只要插入計算機中的USB插口即可。目前U盤的容量小的1 GB，大的已達幾十GB，數據讀取速度可達480 KB/s，存取時可靠性高，數據保存可達10年 。常用的閃存卡還有CF卡，SD卡（SD、SDHC、MINI SD、TF（micro-SD）），記憶棒，SM卡，XD卡等，經常應用于手機、數碼相機、筆記本電腦、數碼攝像機乃至手持式GPS等。
2.2.4 計算機的工作過程
(1)控制器控制輸入設備或外存將數據輸入到內存。
(2)控制器指揮從內存取出指令送入控制器。
(3)控制器分析指令，指揮相關設備執行規定操作。
(4)運算結果由控制器控制存儲器保存或送輸出設備輸出。
(5)返回第二步，如此反復，直到程序結束。
2.3 微機系統及其主要指標
2.3.1 微機分類
按其性能、結構、技術特點等可分為：
1.單片機
將微處理器、一定容量的存儲器以及I/O接口電路等集成在一個芯片上，就構成了單片機。一般用于控制儀表、家用電器中。
2.單板機
將微處理器、存儲器以及I/O接口電路安裝在一塊電路板上，就構成了單板機。廣泛應用于工業控制、微機教學或實驗。
3.PC機
配置有顯示器、鍵盤、硬盤、打印機、光驅以及機箱和接口插槽等。
4.便攜式微機
包括筆記本和個人數字助理、智能手機等。
2.3.2 微機的主要性能指標
1.內核和流水線
多核心處理器就是在一塊CPU機板上集成兩個或兩個以上的處理器核心，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CPU，在執行指令時是以串行方式執行的，即一個時刻只執行一條指令。使用流水線技術，處理器就可以在完成上一條指令前開始執行另外一條指令。流水線技術可以加快CPU的處理速度。
2. 字長
計算機進行數據處理時，一次存取、加工、和傳送的一組二進制位。它的長度叫字長。字長決定CPU的寄存器和總線的寬度。
3.時鐘頻率（主頻）
CPU 每秒平均執行的速度，它決定了計算機在一定時間內能夠執行的指令數，是衡量微型計算機運行速度的一個重要指標。
4.內存容量
內存中能存儲信息的總字節數。
5.運算速度
運算速度是一項綜合性的性能指標，其單位是MIPS（Million Instructions Per Second，每秒106條指令，簡稱MIPS）和BIPS（Billion Instructions Per Second，每秒109條指令，簡稱BIPS）。一般主頻越高，運算速度越快；字長越長，運算速度越快；內存容量越大，運算速度越快；存取周期越小，運算速度越快。衡量一臺計算機系統的性能指標很多，除上面列舉的4項主要指標外，還應考慮機器的兼容性，系統的可靠性，系統的可維護性，機器允許配置的外部設備的最大數目，數據庫管理系統及網絡功能等。另外，性能/價格比也是一項綜合性評價計算機性能的指標。
2.3.3 微機的常見外部設備
最常見的外設有外部存儲器（U盤、磁帶機、光盤等）和打印機、繪圖儀、掃描儀、鍵盤、鼠標等輸入/輸出設備。
1. 鼠標
現代電子計算機的輸入設備，最常用的是鍵盤和鼠標器。
鼠標按照所采用的內部構造的不同大致可分為：
1）機械式鼠標
機械式鼠標是早期使用較多的一種。機械式鼠標下面有個圓形小球，當在平面上移動時，小球與平面摩擦轉動，帶動鼠標的兩個光盤轉動，產生脈沖，測出X-Y方向上的相對位移量，從而反映出屏幕上的鼠標的位置。
2）軌跡球鼠標
軌跡球鼠標的工作原理和內部結構其實與機械式鼠標類似，只是改變了滾輪的運動方式，其球座固定不動，直接用手撥動軌跡球來控制鼠標箭頭的移動。
3）光電鼠標
光電鼠標內部有一個發光二極管，通過它發出的光線，可以照亮光電鼠標底部表面（這是鼠標底部總會發光的原因）。此后，光電鼠標經底部表面反射回的一部分光線，通過一組光學透鏡后，傳輸到一個光感應器件（微成像器）內成像。這樣，當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，被光電鼠標內部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數字微處理器）分析處理。該芯片通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。
4）無線鼠標
無線鼠標利用數字、電子、程序語言等原理，內置微型遙控器，以電池為能源，可以遠距離控制光標的移動。這種新型無線鼠標與電腦主機之間無須用線連接，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，所以這種鼠標有較明顯的優點。
2.3.3 微機的常見外部設備
2. 顯示器和打印機
顯示器和打印機是最常見的輸出設備。
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。顯示器的主要指標之一是分辨率。分辨率是指顯示屏單位距離上像素點的數目，常用整個屏幕能顯示的像素點陣（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的主流顯示器。與傳統的CRT顯示器相比，液晶顯示器的最大優點就是體積小、重量輕，可以為用戶節省許多的空間。
2）打印機
打印機一般常用的有擊打式打印機和非擊打式打印機兩大類。
在擊打式打印機中，最常用的是點陣針式打印機。點陣針式打印機由打印頭、走紙裝置和色帶組成。打印時有較大噪聲。
非擊打式打印機可分為噴墨打印機、激光打印機等。與擊打式打印機相比，它們都具有打印速度快、打印質量高、沒有機械噪聲等優點。
噴墨打印機類似于點陣針式打印機，但它用很細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，打印時無噪聲，很容易實現彩色打印，價格也較低廉。
激光打印機的工作原理比較復雜，它綜合了復印機、計算機和激光技術。激光打印機打印速度快，打印質量高，無噪聲，但價格較高。
3.掃描儀和數碼相機
掃描儀（Scanner）是文字和圖片輸入的主要設備之一。依靠光學掃描結構和有關的軟件，如識別字符的OCR、識別圖像的Image Processing System等，把大量的文字或圖片信息掃描到計算機中，以便對這些信息進行識別、編輯、顯示和打印等處理。
根據掃描儀的形狀可分為臺式和手持式兩種。
數碼相機（DigitalCamera）是一種采用光電子技術攝取靜止圖像的照相機。
分辨率是數碼相機最重要的性能指標。數碼相機的分辨率用圖像的絕對像素數來衡量。數碼相機拍攝圖像的絕對像素數取決于相機內CCD芯片上光敏元件的數量，數量越多則分辨率越高，所拍圖像的質量也就越高。目前家用數碼相機的分辨率一般在500萬～1 200萬像素之間。
2.4 嵌入式計算機系統
2.4.1 嵌入式系統基礎知識
1. 嵌入式系統的定義
目前國內普遍認同的一個定義：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適合于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。
根據嵌入式系統的定義，可從以下幾方面來理解嵌入式系統。
(1)嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力，才更具有優勢。
(2)嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術以及各個行業的具體應用相結合后的產物，是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。
(3)嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。
2.嵌入式系統的發展
嵌入式系統的出現已有30多年的歷史。縱觀嵌入式系統的發展歷程，大致經歷了以下四個階段。
第一階段：以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統。
第二階段：以嵌入式微處理器（嵌入式CPU）為基礎、以簡單操作系統為核心的嵌入式系統。
第三階段：以嵌入式操作系統為標志的嵌入式系統
第四階段：以互聯網為標志的嵌入式系統。
3. 嵌入式系統的特點
1）面向特定應用
2）知識密集
3）嵌入式系統功耗低、體積小、集成度高、成本低、
系統內核小
4）高實時性和高可靠性
5）開發需要專用開發工具和環境
6）具有較長的生命周期
2.4.2 嵌入式系統的組成
1.嵌入式系統的硬件
1）嵌入式處理器
嵌入式處理器是嵌入式系統的核心。
嵌入式微控制器(EMCU，Embedded Microcontroller Unit)
嵌入式微處理器(EMPU，Embedded Microprocessor Unit)
嵌入式DSP處理器(EDSP，Embedded Digital Signal Processor)
嵌入式片上系統(ESoC，Embedded System on Chip)
1.嵌入式系統的硬件
2）存儲器
嵌入式系統需要存儲器來存放和執行代碼。嵌入式系統的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。
3）通用設備接口和I/O接口
嵌入式系統和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D（模/數轉換接口）、D/A（數/模轉換接口）、I/O等，外設通過接口來實現微處理器的輸入/輸出功能。
4）電源
嵌入式系統中的電源是系統組成的重要部分，它已經不再是由電池或交流穩壓器構成的簡單電源，而是集成了電源管理和電源保護功能的復雜集成系統。目前有很多成型的產品，它們使用方便，功能強大，由單片集成電路就可以完成電源系統的全部功能。
2. 嵌入式系統的軟件
1）嵌入式操作系統（EOS，Embedded Operating System）
目前主要有兩種類型的商用嵌入式操作系統，一類是專為嵌入式系統設計發展的實時操作系統，如VxWorks、eCOS、Palm OS和uC/OS II等，第二類為由傳統操作系統根據嵌入式系統特性進行改進而得到的操作系統，如微軟的WinCE以及各種嵌入式Linux系統。
2）應用軟件及開發工具
開發工具獨立于嵌入式系統產品之外。開發工具一般包括語言編譯器、連接定位器、調試器等。
Kdevelop就是一套功能強大的集成開發環境，整合了開發程序所需的編譯器、連接器、除錯工具、版本控制工具等，可以用Kdevelop快速地建立各式各樣的應用程序。
2.4.3 嵌入式系統的應用
? ? ? ?工業控制
? ? ? ?智能儀表
? ? ? ?交通管理
? ? ? ?信息家電
? ? ? ?消費電子
? ? ? ?電子商務
? ? ? ?環境工程
? ? ? ?機器人
? ? ? ?物聯網
2.5 計算機的應用
2.5.1 計算機應用的社會意義
計算機科學與技術與其他學科相結合，改進了這些學科的研究工具和研究方法，促進了這些學科的發展。
計算機在各行各業中的廣泛應用，常常產生顯著的經濟效益和社會效益，從而引起產業結構、產品結構、經營管理和服務方式等方面的重大變革。
計算機還是人們的學習工具和生活工具。
總之，計算機的發展和應用已不僅是一種科學技術現象，而且是一種政治、經濟、軍事和社會現象。
2.5.2 計算機內部結構、輸入與輸出
1.計算機內部結構
主機是計算機的心臟和大腦，常見的有臥式和立式兩種，正面有軟盤驅動器插口、Reset按鈕、電源開關和CD-ROM驅動器等。后面裝有電源（電源也可能裝在機箱正面或側面）及連接鍵盤、顯示器、網線、打印機等外設的插口。
主機包括主板、硬盤驅動器、軟盤驅動器、CD-ROM驅動器、電源、風扇及各種外設的適配器（接口板）等。
主板上裝有組成電腦的主要電路系統，是計算機硬件系統的核心。主板上集成有擴充插槽、BIOS芯片、I/O控制芯片、CPU插槽、控制芯片組、內存插槽、跳線開關、鍵盤接口、鼠標接口、指示燈接口、主板電源插座、軟驅接口、硬盤IDE接口、串行/并行接口和系統總線等。
2. 輸入與輸出
1）擴展槽
2）適配器（Adapter）
3）擴展接口
4）常用外設的連接
顯示器的連接
鍵盤的連接
鼠標的連接
打印機的連接
軟驅、硬盤、光驅與主機的連接
2.5.3 計算機硬件的安裝
一般可按照以下步驟進行：
（1）準備安裝所要用到的硬件設備及安裝工具；
（2）在主板上安裝CPU及風扇；
（3）在主板上安裝內存條；
（4）在機箱底板上固定主板；
（5）連接主板電源線及CPU風扇電源線；
（6）安裝軟盤驅動器（當前計算機一般不再安裝）；
（7）安裝硬盤驅動器；
（8）安裝光驅；
（9）連接各部件的電源插頭及數據線；
（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、鼠標等外部設備；
（14）連接主板與機箱面板上的開關、指示燈和電源開關等；
（15）最后檢查；
（16）開機運行BIOS設置程序，設置系統CMOS參數。
? ? ? ?計算機是數字設備，能以極快的速度處理大量的信息，完成復雜的工作；計算機以數字電子電路為基礎，集成電路在其中起著重要的作用；計算機雖然很復雜，但大多數構件是簡單的插接式的，計算機的性能不僅取決于構件的性能，更多的是由體系結構所決定的。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机文化基础—计算机硬件系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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