2023年6月22日发(作者：)

第二章 计算机组成原理

2.1 计算机的组成与分类

2.1.1 计算机的发展与作用

一、 计算机的发展

过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。

代

别

第1代

第2代

第3代

年 代

20世纪40年代中期～50年代末期

50年代中后期～60年代中期

60年代中期～70年代初期

CPU：SSI，MSI

内存：SSI，MSI半导体存储器

操作系统，数据库管理系统等开始使用

在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用

第4代

20世纪70年代中期以来

CPU：LSI、VLSI

内存：LSI、VLSI的半导体存储器

软件工程、分布式计算、网络软件等开始广泛使用

深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机

CPU：晶体管

内存：磁芯

使用FORTRAN等高级程序设计语言

开始广泛应用于数据处理领域

主要元器件

CPU：电子管

内存：磁鼓

配置的软件

使用机器语言和汇编语言编写程序

主要应用

科学计算和工程计算

二、计算机的巨大作用

1开拓了人类认识自然、改造自然的新资源

2增添了人类发展科学技术的新手段

3提供了人类创造文化的新工具

4引起了人类的工作与生活方式的变化

2.1.2 计算机系统的组成

 硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称

 软件：在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档

程序：用来向计算机指出应如何一步步地进行规定的操作

数据：程序处理的对象 文档：提供给用于使用的操作说明、技术资料等

它们都是软件不可缺少的组成部分

控制器

运算器

存储器

中央处理器

系统总线

内存储器

适配器

I/O端口

输入设备

适配器

I/O端口

输出设备

适配器

外存储器接口

外存储器

计算机硬件组成示意图

一、输入设备

 输入（input）

指把信息（程序，数据，信息）送入计算机的过程

（名词）向计算机输入的内容输入设备,用来向计算机输入信息的设备

输入到计算机中的信息都使用二进制中的“0”和“1”两个符号来表示

输入设备类别

 按照输入信息的类型划分

 数字和文字输入设备（键盘、写字板等）

 位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等）

 图形输入设备（扫描仪，数码相机等）

 声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等）

 视频输入设备（摄像机）

 温度、压力输入设备

（温度、压力传感器）

二、中央处理器CPU

 处理器

能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理

 微处理器

简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器

包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器，它们各有其不同的任务）

 并行处理和多处理器系统 使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。

三、内存储器和外存储器

 存储器

存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件。

 存储器类别与特性

 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快、容量相对小，价格相对高,直接与CPU相连接（CPU可直接访问）,易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据。

 存储介质：半导体芯片

 外存储器(简称外存或辅存)

 存取速度慢、容量相对大，价格相对低

 不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）

 非易失性，用于长期存放各类信息

 存储介质：磁盘、光盘、磁带等

四、输出设备

 输出（output）

把信息送出计算机的过程

（名词）指计算机所产生的结果。 计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式

 输出设备

完成信息输出的设备。即把计算机存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备

 输出设备类别

 输出文字和图形的设备：显示器，打印机，绘图仪

 输出声音的设备：音箱

五、系统总线

用来连接CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线。

六、I/O端口（I/O port）

计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器连接，然后由控制器与总线相连。常用的I/O端口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。

2.1.3 计算机的分类

 按内部逻辑结构分为 单处理机、多处理机(并行机)

 按字长分为

16位机、32位机或64位计算机等

 按计算机的性能、用途和价格分为

巨型计算机（Supercomputer）

大型计算机（Mainframe）

小型计算机（Minicomputer）

个人计算机（Personal Computer）

1.巨型计算机（Supercomputer）

巨型计算机也称超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，速度达到每秒万亿次以上，大多使用在军事研、气象、石油勘探等领域。

2.大型计算机（Mainframe）

运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。

 功能：

为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务器（企业级服务器），

在信息系统中起着核心作用。

3.小型计算机（Minicomputer）

供部门使用的计算机，以IBM公司的AS/400为代表。近些年来，小型机逐步为高性能的服务器（部门级服务器）所取代。

 功能：

为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持的并发用户数目比较少。小型机的典型应用是帮助中小企业（或大型企业的一个部门）完成信息处理任务，如库存管理、销售管理、文档管理等。

4.个人计算机（Personal Computer，也称个人电脑、PC机或微机）

 特点：

以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统。价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。通常只用来处理一个用户的任务，可独立使用，也可与其他计算机互连。

 最早的代表机型：

1977年：Apple Macintosh

(Apple公司产品，使用Motorola公司生产的微处理器)

1981年：IBM-PC

(IBM公司产品，使用Intel公司生产的8086微处理器)

个人计算机类别

台式机：一般在办公室或家庭中使用。

便携机：用于移动计算。

 笔记本（膝上机）：体积小、重量轻，便于外出携带，性能与台式机相当，但价格高出一倍左右。  手持式计算机（掌上机）：包括商务通、快译通之类产品，它们与PC机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通用性。

 工作站（一种特殊的个人计算机，称为工程工作站Workstation）

具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。

 服务器/客户机

在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客户机。

客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。

鉴于客户机/服务器系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。

2.1.4微处理器和PC机

处理器 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pentium Pentium Pentium 4

主要参数 Pro Ⅱ Ⅲ

推出时间 1978 1982 1985 1989

1993～1996

1995～1997

1997～1998

1500～3060

4200万

1999 2000

主频 (MHz) 4.77 6～20 16～33

33～60～200 150～200 233～333

450～100 1400

晶体管数目 2.9万

13.427.5万 120万 310万

万

制造工艺(微米)

>2 1.5

1.5～1.0～1.0 0.8

0.8～0.35

0.6～0.35

0.35～0.25

0.25～0.13

550万 750万 950万

0.18～0.13

封装形式与DIP, PGA, PGA, PGA,

引脚 40 68 132 168

PGA, 双SPGA, Pin FC- FC-PGA2,

273 387 SEC,242

PGA,370 478

Intel公司微处理器主要技术参数比较

2.2 CPU的结构与原理

2.2.1 CPU的结构

一、CPU内部的组成

 运算器（执行单元）

对数据进行各种算术运算和逻辑运算

 控制器

取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态

 寄存器

临时存放参加运算的数据和得到的中间结果 控制信号

指 令

控 制 器

控制信号

数 据

运算结果

寄

存

器

组运

算

器

中

内存储器二、CPU与内存的关系

三、处理器内部主要部件的功能

整数ALU（ALU:算术逻辑单元）

完成整数运算

浮点运算器

完成实数运算

指令预取部件

提前向主存或快存去取出准备要执行的指令

指令译码部件

分析指令需要执行什么操作，然后产生控制信号去控制运算器或其它部件具体执行这些操作

地址转换部件

用来形成指令所处理的数据存放在内存中的存储单元的地址码

指令Cache

指令高速缓冲存储器

总线接口部件

提供了与其他芯片的接口

数据Cache

数据高速缓冲存储器

寄存器组

临时保存被执行的指令、参加运算的数据和运算结果数据

微指令序列存储器ROM

2.2.2 指令与指令系统

一、机器指令（简称指令）

一种使用二进制编码表示的命令语言（称为计算机的“机器语言”），它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。用机器指令编写的程序中的每一条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。

操作码

央处理器

表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码

操作数

表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或数据所在存储单元的地址

每一种不同类型的CPU都有它自己独特的一组指令

机器指令格式：

操作码 操作数

二、指令系统

一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。

指令系统中有数以百计的不同的指令。

主要有以下几类指令：

数据传送指令 移位指令

算术运算指令 位（位串）操作指令

逻辑运算指令 控制转移指令

输入/输出指令等

三、指令系统兼容

由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。

同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容” —— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。

四、汇编指令

机器指令的符号化表示（称为计算机的“汇编语言”）

操作码和操作数地址均用便于记忆的符号表示

例如，数据传送指令的操作码用mov表示

加法指令的操作码用add表示

2.2.3 Pentium 4微处理器

阅读材料

2.3 PC机的组成

概述

 PC机的物理组成

机箱、显示器、键盘、鼠标器等

 机箱内包含

主板、硬盘、软驱、光驱、

电源、风扇等

 主板上安装

CPU、芯片组、内存条、 总线插槽、I/O控制器、

I/O端口、扩充卡等部件

2.3.1 主板、芯片组与BIOS

一、PC机的主板

I/O端CPU插座

PCI总线槽

软驱及IDE

硬盘连接器

处理器

存储器插座

电源连接器

PC机主板示意图

二、主板(母板)上主要部件

 CPU插座

 CPU调压器

 芯片组

 第2级高速缓存(有些已做在CPU中)

 内存储器插座(SIMM或DIMM)

 总线插槽

 BIOS ROM芯片、CMOS芯片、时钟、电池、超级I/O芯片等

三、扩充卡及其与主板的关系

 扩充卡(适配器或控制器)

种类

 图形卡

 声音卡

 视频卡等

 扩充卡与主板及外部设备连接

通过主板上的ISA或PCI总线插槽与主板相连有端口用于连接显示器等外部设备。

许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上(例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、声音、图形显示、网络连接等控制电路都可以集成在主板上) 四、芯片组

芯片组作用

集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。

 Intel的芯片组系列

 台式机芯片组

Intel 875P，Intel 865G，Intel 850，

Intel 845等（以上均支持P4处理器）

 笔记本电脑芯片组

Intel 855，Intel 852GM等

 服务器芯片组

Intel E7502，Intel E7201等

例如,Intel 850芯片组的组成：

82850E（存储控制器）

连接CPU总线、存储器总线,

AGP图形显示接口

82801BA（I/O控制器）

连接82850E、I/O总线、USB接口、硬盘接口、局域网接口、5.1数字环绕立体声接口、BIOS

ROM芯片

五、BIOS—BIOS ROM芯片（只读存储器芯片）

 BIOS（Basic Input/Output System）

基本输入/输出系统，是操作系统的最底层部分的可执行程序代码。

BIOS存放在只读存储器芯片（ROM）中，一般称为BIOS芯片。

 BIOS主要包含4部分的程序, 一般情况下是不能被修改的

POST(Power On Self Test，加电自检)程序（检测计算机故障）

系统自举（装入）程序（启动计算机）

CMOS设置程序

基本外围设备的驱动程序（实现常用外部设备输入输出操作的控制程序）

在启动过程中，若按下Del键（或其他键），进入CMOS设置程序，允许用户修改系统硬件的部分配置信息。

一般来说，在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统进行设置：

 PC机组装好之后第一次加电

 系统增加、减少或更换硬件或I/O设备

 CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改

 用户希望更改或设置系统的口令

 系统因某种需要而调整某些设置参数

CMOS芯片

存放用户对计算机硬件所设置的一些参数（称为“配置信息”），包括当前的日期和时间等。CMOS是一种半导体存储器芯片，使用电池供电，成为非易失性存储器，只要电池供电正常，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。 2.3.2

一、概述

Cache存储器

内存储器

主存储器（RAM和ROM）

外存储器（软盘、硬盘、光盘）

后备存储器（磁带、光盘）

计算机存储器体系结构

内存储器

（使用半导体存储器芯片）

外存储器

半导体存储器芯片的类别

半导体存储器

随机存取存储器静态随机存储器SRAM（高速）

动态随机存储器DRAM（低速）

掩膜ROM（Mask ROM）

（用于Cache）

（用于主存储器）

只 读

存储器ROM

可编程ROM（PROM）

可擦除PROM（EPROM）

快擦除存储器（Flash ROM）

（BIOS存储器）

 RAM(Random Access Memory随机存取存储器)：多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成。易失性。

 DRAM（动态随机存取存储器）

 SRAM（静态随机存取存储器）

 ROM（Read Only Memory只读存储器）

 Mask ROM（掩膜ROM）

 PROM（Programmable ROM）和EPROM（Erasable Programmable ROM）

 Flash ROM（快擦除ROM，或闪速存储器）

二、主存储器

一般使用DRAM芯片组成

 存储容量

含义：指存储器所包含的存储单元的总数

单位：MB（1MB＝220字节）或GB（1GB＝230字节）

每个存储单元（一个字节）都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问

 存取时间

含义：在存储器地址被选定后，存储器读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入存储器）所需要的时间单位：ns（1ns = 10-9秒）

内存条的分类，按内存的封装方式和内存条插槽的规格

 单列直插式内存条模块 （简称SIMM内存条）

 双列直插式内存条模块（简称DIMM内存条）

 Rambus内存条模块（简称RIMM内存条）

2.3.3 I/O总线与I/O接口

一、I/O操作

将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域，或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备

特点：

 多数I/O设备在操作过程中包含机械动作，其工作速度比CPU慢得多。为了提高系统的效率，I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的

 多个I/O设备必须能同时进行工作

 除了键盘、显示器、鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增减和更新

 I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机的连接也各不相同

二、I/O操作过程

执行I/O指令， 向I/O控制器发出启动命令

2.I/O控制器接受命令，负责对I/O设备进行全程控制

3.当需要传输数据时， I/O控制器发出请求

4.I/O控制器获得授权后，直接向(从)存储器传输数据

5.所有数据传输完毕后， I/O控制器向CPU报告I/O操作完成

三、I/O总线

 总线（bus）

计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线。

 系统总线

包括CPU内部总线、存储器总线和I/O总线。是使用Pentium系列CPU的PC机所采用的多总线结构。存储器总线和I/O总线互相独立。

 I/O总线（主板总线）

是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线，物理上与主板上扩充插槽中的各扩充板卡（I/O控制器）直接连接。

 I/O总线上的信号类别

数据信号、 地址信号、 控制信号

 I/O总线上线路类别

数据线 、 地址线、 控制线

四、I/O端口

计算机中用于连接输入/输出设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电器特性。 I/O端口分类

 从数据传输方式来分

串行（一次只传输1位）：COM1, COM2

并行（8位或者16位、32位一起进行传输）：LTP1

 从数据传输速率来分

高速、低速

 从是否能连接多个设备来分

总线式（可连接多个设备，被多个设备共享，例如，USB接口）

独占式（只能连接1个设备）

 从是否符合标准来分

标准接口 （通用接口 , 例如USB）

专用接口 （专用接口 例如VIDEO视频口）

USB接口

Universal Serial Bus通用串行总线式接口

特点：

 高速、可连接多个设备、串行传输

 传输速率

 USB的1.1版：1.5 Mb/s和12 Mb/s









USB2.0版：高达480Mb/s（60MB/s）

使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug & Play,即PnP）

使用“USB集线器” 扩展机器的USB接口，最多连接127个设备

可通过USB接口由主机向外设提供电源（＋5V，100～500 mA）

 支持热拔插

IEEE-1394接口

简称1394，又称或FireWire

主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。数据传输速度特别快（高达400

MB/s），连接器共有6线，采用级联方式连接外部设备，在一个接口上最多可以连接63个设备，设备间以菊花链方式进行转接。

SCSI接口

small computer interface小型计算机接口，是一种用于连接大容量磁盘驱动器、扫描仪等外围设备的专门的高速并行端口。SCSI端口可以同时传送的数据达到32位。全部七个SCSI设备以菊花链的形式连接在一起，第一个SCSI设备连接到计算机，第二个SCSI设备连接到第一个SCSI设备，其它依此类推。

2.4 常用输入设备

主要内容: 键盘、鼠标、笔输入设备、扫描仪、数码相机

2.4.1 键盘（Keyboard）

作用：可以将字符或命令等输入到计算机中键的组成与分布：

控制键名称

Shift

Alt

Break

Ctrl

Delete

End

Esc

Home

Insert

换档键。也是一个状态键。

Alternate的缩写，当它与另一个(些)键一起按下时，将发出一个命令，其含义由应用程序决定。

主 要 功 能

与另一个键一起按下时，经常用于终止或暂停一个程序的执行。

Control的缩写，当它与另一个(些)键一起按下时，将发出一个命令，其含义由应用程序决定。

删除光标右面的一个字符，或者删除一个(些)已选择的对象。

一般是把光标移动到行末。

Escape的缩写，经常用于退出一个程序或操作。

通常用于把光标移动到开始位置，如一个文档的起始位置或一行的开始处。

在输入字符时可以有覆盖方式和插入方式两种，Insert键用于在两者方式之间进行切换。

F1～F12 共12个功能键，它们的功能由操作系统及运行的应用程序来决定。

Num Lock

数字小键盘可以像计算器键盘一样使用，也可作为光标控制键使用，由本键在两者之间切换。

Page Down

使光标向下移动若干行。

Page Up 使光标向上移动若干行。

Pause 临时性地挂起一个程序或命令。

Print Screen 把当时的屏幕映象记录下来。

Scroll Lock 在大部分应用中没有作用。

与主机的接口： PS/2接口、USB接口、无线接口（用于无线键盘）

2.4.2 鼠标器（Mouse）

 作用：一种指示设备（pointing device）,能方便地控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处，并通过按钮完成各种操作或发出命令。

 组成：左键、右键、滚轮等

 机械式鼠标内部结构

 鼠标工作原理：利用自身的移动，把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机，再由计算机把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到

指示位置的目的。

 分类（根据鼠标测量位移部件的类型）：

机械式，光电式，光机式  机械式鼠标工作原理

鼠标下面有一个可以滚动的小球，当鼠标器在桌面上移动时，小球与桌面摩擦转动，带动鼠标器内的两个光盘转动，产生脉冲，测出X-Y方向的相对位移量，从而反映出屏幕上鼠标的位置。

 光电式鼠标工作原理

光电式鼠标器下面有作为光电转换装置的两个平行放置的小光源（发光管），它只能在专用的一块布满小方格的金属板上移动，光源发出的光经反射后，由鼠标器接收，从而把移动过的小方格转换为移动信号送入计算机，并使屏幕光标随着移动。光电式鼠标器较可靠，故障率较低。

 光机式鼠标工作原理

光机式也用光敏半导体元件测量位移，但其工作方式与光电式有些不同，鼠标内置3个滚轴。它具有精确度比机械滑鼠高，但造价却很接近等优点。并且不需要特殊的底板，在任何平面上皆可操作。

 基本操作：

移动：移动光标

单击：左键，右键

双击：左键

拖放：左键，右键

转动滚轮：向前/向后滚动窗口中显示的内容

 在Windows系统中，鼠标操作所实现的功能如下：

单击：左键（选择对象）

右键（选择对象并出现对象操作快捷菜单）

双击：左键（打开或运行）

拖放：左键（移动对象、复制对象、创建对象快捷方式）右键（移动对象、复制对象、创建对象快捷方式）

性能参数

 分辨率：鼠标器最主要的技术指标，用dpi（dot per inch）表示，指鼠标每移动一英寸距离光标在屏幕上所通过的像素的数目。

目前多为：300 — 400 dpi

 轨迹速度：反映鼠标的移动灵敏度，以达到600mm/sec以上为佳

 分类（按结构）

 机械式鼠标：结构简单，价格便宜，但准确性和灵敏度较差

光电式鼠标：速度快，准确性和灵敏度高，寿命长。（需要专用垫板）

光机式鼠标：精度较高，不需特殊衬垫

 连接到主机的接口：

RS－232串行口（9针D形）

PS/2接口（6针 圆形）

USB接口

无线鼠标

2.4.3 笔输入设备（手写笔）

作用：

兼有键盘、鼠标和写字笔的功能，可以替代键盘和鼠标输入文字、 命令和作图。输入汉字时，需运行“手写汉字识别软件”

 工作原理

电磁感应式。电磁感应笔发出电磁波，基板接受到电磁波后计算出笔的位置送给主机，主机立刻在屏幕上显示出笔的笔迹。

 与主机的接口

串行口

USB

2.4.4 扫描仪

 作用

将图片（照片）或文字输入计算机的一种输入设备。

 分类（按结构）

 手持式扫描仪

操作人员手执扫描仪在被扫描的图件上移动。其扫描头较窄，只适用于扫描较小的图件。

 平板式扫描仪

主要扫描反射式稿件，它的适用范围较广。其扫描速度、精度、质量比较好。

 胶片专用和滚筒式

高分辨率的专业扫描仪，在光源、色彩捕捉等方面均具有较高的技术性能，多用于专业印刷排版领域。

 性能指标

 分辨率（dpi）

反映了扫描仪扫描图像的清晰程度，用每英寸生成的像素数目（dpi）来表示。 例如，600 *1200 dpi，1200 * 2400 dpi。

 色彩位数（色彩深度）

反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力，色彩位数越多，扫描仪所能反映的色彩就越丰富，扫描的图象效果也越真实。

例如，24 bit，32 bit，36 bit，42 bit， 48 bit。

 扫描幅面

指被扫描图件容许的最大尺寸。例如， A4, A3。

 与主机的接口

并行口、USB、1394 ( Firewrie)、SCSI、专用接口。

2.4.5 数码相机（数字相机）

 作用

图像输入设备。不需要胶卷和暗房，能直接将数字形式的照片输入电脑进行处理，或通过打印机打印出来，或与电视机连接进行观看。

 工作原理

镜头和快门与传统相机基本相同，不同之处是它不使用光敏卤化银胶片成像，而是将影像聚焦在成像芯片（CCD或CMOS）上，并由成像芯片转换成电信号，再经模数转换(A/D转换)变成数字图像，经过必要的图象处理和数据压缩之后，存储在相机内部的存储器中。

 主要性能指标

 CCD像素个数 决定照片图像能达到的最高分辨率。

 存储器的容量

保存CCD成像并转换后得到的数字图像的数据

 其它功能

 光学变焦、数字变焦、自动聚焦

 自动曝光、自动白平衡调整、影像预视、影像删除、连续拍摄

 与主机的接口

 数字接口USB（连接计算机）

 模拟视频信号输出（连接接电视机）

2.5 常用输出设备

主要内容: 显示器、打印机

2.5.1 显示器

 作用

将数字信号转化为光信号，最终将文字、图形、图像显示出来

 组成

监视器（Monitor）、显示控制器

 阴极射线管显示器（简称：CRT）

 液晶显示器（简称：LCD ）

主要性能指标：

显示屏的尺寸，对角线的长度。例如，15吋，17吋，21吋

屏幕横向与纵向的比例，一般为4∶3

 显示器的分辨率

整屏可显示的像素的个数，分辨率越高, 图像越清晰

一般用 “水平像素个数 * 垂直像素个数” 表示

例如,1024*1024 ,1024*768, 800*600, 640*480

 点距

像素点之间的距离

 刷新速率

显示图像每秒钟更新的次数，速率越高图像稳定性越好

 像素的颜色数目

一个像素可以显示出的颜色数量，由表示一个像素颜色编码的二进制数的位数决定。例如，4位二进制数可以表示16种颜色。

 辐射和环保

显示控制器，又称显示卡，显示适配卡

 组成

显示控制电路

控制显示器工作 显示存储器（VRAM）

存储屏幕上所有像素的颜色信息

 接口电路

负责显示控制器与主机的数据传输

 显示卡一般插在主板上的PCI总线扩展槽上，显示卡上的视频输出端口（Video port）用于连接显示器。

若主板上集成了显示卡的电路，便不再需要显示卡

 显示卡与主存之间传送数据的方式

 通过AGP端口

AGP端口：加速图形端口，也是一种接口规范。将主存和显示存储器直接连接，数据宽度32位或64位，时钟频率133 MHz，最高传输速率533 MB/s或1 GB/s。可以在普通电脑上以更快的速度显示3D图形。

 通过PCI总线

PCI总线：数据宽度32位或64位，时钟频率33 MHz，最高传输速率达133 MB/s （32位数据宽度）或266 MB/s （64位数据宽度）。

 显示卡主要性能指标

 支持的显示标准

例：VGA，SVGA

 显示存储器容量

例： 16MB， 32MB ，1GB

 色彩数量

黑白显示每个像素用一个数表示灰度；彩色显示每个像素用三个数分别表示 R、G、B 三个色点的灰度。224种不同颜色被认为是真彩色。

2.5.2 打印机

一、针式打印机

一种击打式打印机，其工作原理主要体现在打印头上。

特点：









耗材成本低

能多层套打

打印质量低

工作噪声大

二、激光打印机

激光技术与复印技术相结合的产物，是一种高质量、高速度、低噪声、价格适中的输出设备。

特点：分辨率较高，打印质量好

三、喷墨打印机

 特点 能输出彩色图像，经济，打印效果好，低噪音，使用低电压，环保，但墨水成本高，消耗快。

打印机的主要性能指标

 打印精度(dpi每英寸像素点数)

例如，600 * 600 dpi

 打印速度 （ppm每分钟打印页数）

例如，12 ppm

 色彩数目

黑白、彩色

 与主机接口

并行口， USB

2.6 外存储器

主要内容： 软盘存储器

硬盘存储器

光盘存储器

2.6.1 软盘存储器

 软盘存储器组成：

软盘片

软盘驱动器

软盘控制器

 作用：长期保存各类信息

特点：可读可写，便于携带

 3.5英寸软盘片的内部结构

由一张圆形软塑料片涂上可记录信息的磁性材料而制成。

 3.5英寸软盘片的信息存储模式与存储容量

每个记录面有80个磁道(从0开始编号，0号磁道位于最外圈)

每个磁道有18个扇区(从1开始编号)

每个扇区存储512字节二进制数据

存储容量：1.44MB

读写数据的最小单位：扇区

操作系统在软盘上为文件分配存储区的单位：簇（2-8个扇区）

•软盘常见操作

 软盘格式化

定义磁道和扇区，标记坏扇区，在软盘上建立四个区域：引导扇区，文件分配表（FAT），根目录区和数据区

 全盘复制

 软盘碎片整理

 软盘修复（例如，修复文件分配表）  常用软盘修复软件

NDD（Norton Disk Doctor）

 格式化后软盘上的数据区域 ：

 引导扇区（系统盘）

位于软盘0号记录面、0号磁道、1号扇区，存储启动操作系统的引导程序。

 文件分配表( FAT)

位于0号磁道引导扇区之后，占据若干个连续扇区。一式两份。FAT由多个表项组成，每个表项对应软盘的一个簇，记录该盘上所有簇的分配情况（分配、空闲、损坏）和链接信息。

 文件根目录区

位于0号磁道FAT之后，占据若干个连续扇区。由若干表项组成，每个表项保存一个文件或下级文件夹的属性信息（文件名、文件长度、起始簇号等）。

 数据区

根目录区之后，存储文件中的数据或子目录（文件夹）表项的区域。

2.6.2 硬盘存储器

1、组成与原理

 作用

长期保存各类信息

 特点

可读写，大容量，不便携带

 组成

磁盘片（存储介质），主轴与主轴电机，移动臂和磁头，控制电路,它们全部密封于一个盒状装置内，这就是通常所说的硬盘驱动器。

 工作原理

硬盘的盘片由铝合金（最新的硬盘盘片采用玻璃材料）制成，盘片上涂有一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化来记录数据。一般一块硬盘由1-5张盘片（1张盘片也称为1个单碟）组成，它们都固定在主轴上。主轴底部有一个电机，当硬盘工作时，电机带动主轴，主轴带动磁盘高速旋转，其速度为每分钟几千转、甚至上万转。盘片高速旋转时带动的气流将盘片上的磁头托起，磁头是一个质量很轻的薄膜组件，它负责盘片上数据的写入或读出。移动臂用来固定磁头，使磁头可以沿着盘片的径向高速移动，以便定位到指定的磁道。

 硬盘信息记录模式（同软盘）与存储容量

信息记录模式同软盘：

一个硬盘驱动器中包含多张盘片

每个盘片有两个记录面（两个磁头）

每个记录面有若干磁道

每个磁道有若干扇区

每个扇区存储512字节的二进制数据

柱面cylinder：所有记录面中半径相同的所有磁道

存贮容量= 磁头数(记录面)*柱面数(磁道)*扇区数(区)*512字节

柱面

磁道

2、硬盘读写某个扇区中数据的过程： 已知要读写的扇区地址：

 磁头号（所在记录面），例如，0号磁头

 柱面号（所在的磁道），例如，0号柱面

 扇区号（所在的扇区），例如，1号扇区

读写过程：

磁头寻道（由柱面号控制）à等待扇区到达磁头下方（由扇区号控制）à读写扇区数据（由磁头号控制）

3、硬盘常见操作

 硬盘分区

在一个物理硬盘上建立多个逻辑硬盘（C:、D: ….）

作用：安装多个操作系统，便于文件分类管理，利于预防病毒

使用软件：fdisk, pqmagic等

 逻辑硬盘格式化

在逻辑攀上产生四个区域：引导扇区，文件分配表（FAT），根目录区和数据区

 碎片整理

 格式化后逻辑盘上的数据区域

 主引导扇区

位于0号磁头、0号柱面、1号扇区，不属于任何分区，保存主引导程序和分区表

主引导程序：查看分区表找到活动分区，读入该分区的引导程序到内存执行

分区表：每个区的起始、结束的扇区位置，总扇区数，是否活动分区，使用的文件系统格式（FAT16,FAT32,NTFS）

 引导扇区

每个分区的第一个扇区，存放引导程序和逻辑盘的有关参数

 文件分配表（FAT）

每个逻辑盘有各自的FAT，每个FAT由多个表项组成，每个表项对应该盘的一个簇，记录该盘上所有簇的分配情况（分配、空闲、损坏）和链接信息。

FAT16（win95及以下版本）

FAT32（win98以上版本）

 文件根目录区

位于每个区的FAT之后，占据若干个连续扇区。由若干表项组成，每个表项保存一个文件或下级文件夹的属性信息（文件名、文件长度、起始簇号等）

 数据区存储文件中的数据或文件夹表项的区域

4、硬盘驱动器与主机的接口电路

功能：在主机与硬盘驱动器之间提供一个数据、地址和控制信号的高速通道，实现主机对硬盘驱动器的各种控制，完成主机与硬盘之间的数据交换。

 接口电路主要有

IDE接口（Integrated Drive Electronics）

SCSI接口（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）

主要性能指标

 存储容量（单位：GB）

 平均等待时间（Average Latency Time）：

 平均寻道时间（Average Seek Time）  平均访问时间（Average Access Time）

 Cache容量（单位KB或MB）

 数据传输速率（单位MB/s）

5、使用硬盘的注意事项

 正在对硬盘读写时不能关掉电源

 保持使用环境的清洁卫生，注意防尘；控制环境温度，防止高温、潮湿和磁场的影响

 防止硬盘受震动

 及时对硬盘进行整理，包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等

 防止计算机病毒对硬盘的破坏，对硬盘定期进行病毒检测

6、移动存储器

 闪存盘

也称为“优盘”，采用Flash存储器（闪存）技术，体积小，重量轻，容量可以按需要而定（8MB～2GB），具有写保护功能，数据保存安全可靠，使用寿命可长达10年之久。利用通用的USB接口，它的读写速度比软盘快15倍，且可以与几乎所有计算机连接。

 移动硬盘

存储容量：10GB——60GB，采用USB或IEE1394接口、可以随时插拔、小巧而便于携带的硬盘存储器。 其容量大，兼容性好，即插即用，速度快，体积小，安全可靠。

2.6.3 光盘存储器

 光盘存储器优点

成本低，存储密度高，容量大，可靠性高，不易受损，耐用，易于长期保存数据

 光盘存储器缺点

读出速度和数据传输速度比硬盘慢得多

一、光盘存储器分的两大类型

 CD 光盘存储器

 DVD光盘存储器

 CD光盘存储器的组成

CD光盘片（Compact Disk,小型光盘 ）

CD-ROM光盘片

CD-R光盘片

CD-RW光盘片

 CD光盘驱动器（光盘刻录机）

CD-ROM光盘驱动器

CD-R光盘刻录机

CD-RW光盘刻录机

二、CD-ROM光盘片

 特点

把需要记录的信息事先制作到光盘上，光盘上的数据不能删除也不能再写入，只能读出盘中的信息。  存储容量 650MB，700MB

 关于CD-ROM存储容量的说明

CD-ROM有两种不同型态的数据结构：Mode-1与Mode-2，区别在于CD-ROM每个扇区的表头区内是否含有错误修正码。

 信息记录轨道（光道），从盘片的中心到边缘的一个螺旋形轨道。

 信息读取原理，CD-ROM光盘片放入光盘驱动器中，当被激光束照射时，凹坑的两个边沿处产生的反射光弱作为数据“1”看待；平坦处产生的反射光强作为数据“0”看待。

三、CD-R光盘片

 特点

可以由用户自己将信息写入光盘，但只能写一次，写后不能删除和修改，只能读出。

 CD-R盘片的层次结构

聚碳酸酯透明塑料衬盘（基层）

有机染料层（信息纪录层）

反射层（金膜或银膜）

涂漆保护层

印刷层（标签）

 CD-R光盘片类型

按所用染料介质和反射介质（金和银）的不同组合分：

绿盘（花菁染料）

金盘（酞箐染料，使用寿命超过100年）

蓝盘（含氮染料

四、CD-RW光盘片

 特点

利用金属合金材料的相变原理达到可重复读写的功能，用户可以自己写入信息，也可以对写入的信息进行擦除和改写。CD-RW光盘片搭配CD-RW刻录器使用可反复读写1000次以上。

五、CD光盘驱动器

 CD-ROM光盘驱动器（简称：光驱）

 功能

 主要性能指标

读取数据速度

单速：150 KB/S

4速（4X）：4×150KB/S

40速（40X）：40×150 KB/S

（一般转速也是单速光驱的40倍）

 CD-RW刻录机

 主要性能指标

读取数据速度，复写数据速度，刻录速度 （例如，40X , 12X , 40X），数据缓冲区的大小，兼容性（数据格式），有无刻不死功能等

 CD光盘驱动器的接口类型

SCSI接口、IDE接口、并行口和USB接口等多种 六、DVD光盘存储器

 DVD光盘存储器的组成：

DVD光盘片

Digital Versatile Disk,数字多用途光盘，存储容量最大可达17GB

DVD驱动器

 DVD光盘存储器特点

容量大，可靠性高，安全性好

 DVD光盘片分类

DVD-ROM—DVD只读光盘，用途类似CD-ROM

DVD-R（或称DVD-Write-Once）——限写一次的DVD，用途类似CD-R

DVD-RAM(或称DVD-Rewritable)——可多次读写的光盘，用途类似CD-RW

DVD-Video—家用影视光盘，用途类似LD或VCD

DVD-Audio—音乐光盘，用途类似CD唱片

DVD-ROM光盘片记录信息的原理同CD光盘片，DVD盘光道之间的间距缩小至0.74μm，记录信息最小凹凸坑长度缩小到0.4μm

 DVD提高存储容量(7倍)的措施

 更小的凹点长度(~2.08x)

 数据轨道间隔紧密 (~2.16x)

 数据区域稍大一点(~1.02x)

 更有效的信道比特调制 (~1.06x)

 更有效的纠错(~1.32x)

 较少的段开销(~1.06x)

采用较短波长的635nm或650nm的红色激光, 使激光斑点直径缩小,提高信息的鉴别能力。各种DVD光盘的存储容量

DVD光盘类型 直径120mm DVD光盘存储容量(GB)

4.7 (DVD-5)

8.5 (DVD-9)

9.4 (DVD-10)

17 (DVD-18)直径80mm DVD光盘存储容量(GB)

1.46 (DVD-1)

2.66 (DVD-2)

2.92 (DVD-3)

5.32 (DVD-4)DVD-ROM

DVD-Video

单面单层(SS/SL)

单面双层(SS/DL)

双面单层(DS/SL)

双面双层(DS/DL)