计算机文化基础—计算机硬件系统

第2章 计算机硬件系统

本章内容

      信息工具——计算机

      计算机的工作原理

      微机系统及其主要指标

      嵌入式计算机系统

      计算机应用

 2.1 信息工具——计算机

      人类所使用的计算工具从简单到复杂、从低级到高级的发展过程中，相继出现了如算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等。

1946年2月，世界上第一台数字电子计算机“ENIAC（Electronic Numberical Integrate andCalculator）”在美国宾夕法尼亚大学诞生。“ENIAC”共使用了17468个电子管，占地170m2，功率174kw，重达30t，每秒进行5000次加法运算。它标志着计算机时代的到来。

2.1.1 计算机的发展

中国计算机的发展

1956开始研究，1958年研究出第一台电子管计算机

1964年：晶体管计算机，1971年：集成电路计算机

1983年：“银河Ⅰ”巨型机，运算速度每秒1亿次

1997年：“银河Ⅲ”巨型机，运算速度每秒130亿次

1995年：“曙光1000”研制完成

2001年：中科院计算所推出我国第一款通用CPU——“龙芯”芯片

2004年：曙光公司研制出“曙光400OA”

2005年：龙芯2号正式面世

2008年：曙光5000A研制成功，继美国后第二个成功研制浮点速度在百万亿次的超级计算机。

2010年：国际超级计算机大会公布中国超级计算机“星云”是世界第二快的计算机 ，仅仅排在美国克雷公司的“美洲豹XT5”之后。运算峰值达到每秒3000万亿次 。

2.1.2 计算机的工作的特点

1.高速性

计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且其运算速度还在以每隔几个月提高一个数量级的速度在快速发展。

2.存储性

计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来以备随时调用。存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。存储性是计算机能够自动运算的前提和基础。

3.通用性

通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。任何复杂的任务都可以分解为基本的算术运算和逻辑操作集合，计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则（算法）写成一系列操作指令，加上运算所需的数据，形成适当的程序就可以完成各种各样的任务。

4.自动性

计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序和要处理的数据输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。

5.精确性

计算机通常采用二进制运算，这使得计算机的状态稳定，算术和逻辑运算规则简单，可靠性很高，差错率极低。一般来讲，只在人工介入的地方才有可能发生错误，这就是计算机的精确性。

2.1.3 计算机的分类

1. 按信息表示形式和处理方式划分

根据信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。

模拟计算机的主要特点：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。

数字计算机的主要特点：参与运算的数值用离散的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算。目前主流的计算机都属于数字计算机。

2. 按计算机的用途划分

电子计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。

专用计算机与通用计算机在效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其他方面的应用。在导弹和火箭上使用的计算机很多是专用计算机。

通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响

3.按计算机的规模划分

通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等方面的不同。

一般来说，巨型计算机的运算速度很快，可达每秒几百万亿条或更多指令，数据存储容量很大，规模大，结构复杂，价格高昂，主要用于大型科学计算。它也是衡量一个国家科学实力的重要标志之一。单片机则只由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单。性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机，它们的性能指标和结构规模则依次递减。

2.1.4 计算机的应用

1. 数值计算

计算机最初是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具，随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中尤为重要。例如，人造卫星轨迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机的精确计算。

2. 数据处理（信息处理）

在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据，其中包括大量图片、文字、声音等。信息处理就是对数据进行收集、分类、排序、存储、计算、传输和制表等操作。目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索和经济管理等

信息处理是当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。据统计，全世界计算机用于数据处理的工作量占全部计算机应用工作量的80%以上，大大提高了工作效率和管理水平。

3.自动控制

自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，它不需人工干预，能按人预定的目标和预定的状态进行过程控制。目前被广泛用于钢铁、石油化工、医药工业等操作复杂的生产中。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率、产品质量，降低成本，缩短生产周期。

计算机自动控制还在国防和航空航天领域中发挥着重要作用。例如，无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制都是靠计算机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢。

4. 计算机辅助设计和辅助教学

计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）：借助计算机的帮助，自动或半自动地完成各类工程设计工作。

计算机辅助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing）

计算机辅助测试（CAT，Computer Aided Test）

计算机辅助教学（CAI，Computer Aided Instruction）：用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程。CAI不仅能减轻教师的负担，还能激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养现代化高质量人才提供了有效途径。

5.人工智能方面的研究和应用

人工智能（AI，Artificial Intelligence）是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一定“思维能力”。机器人是计算机人工智能的典型例子。

6.多媒体技术应用

随着电子技术，特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的媒体——“多媒体”（Multimedia）。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。

7. 计算机网络与通信

随着网络技术的发展，计算机的应用进一步深入到社会的各行各业，通过高速信息网实现数据与信息的查询，高速通信服务（电子邮件、电视电话、电视会议、文档传输），电子教育，电子娱乐，电子购物（通过网络选看商品、办理购物手续、质量投诉等），远程医疗和会诊以及交通信息管理等。计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展。

利用通讯技术，可以将不同地理位置的计算机互联，可以实现世界范围内的信息资源共享，并能交互式地交流信息，这是传统通信手段难以达到的。Internet的建立和应用使世界变成了一个“地球村”，它正在深刻地改变着我们的生活、学习和工作方式。

2.1.5 计算机的发展趋势

未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化、智能化等方向发展。

1.巨型化

巨型化是指发展高速的、大存储量和强大功能的巨型计算机。巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域。巨型计算机的技术水平是一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。

2.微型化

微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向。各种笔记本式计算机和掌上计算机的大量面世和使用，是计算机微型化的

3.网络化

网络化是计算机发展的又一个趋势。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模更大、功能更强的可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软、硬件和数据等资源能被网络上的用户所共享。

4.智能化

智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能计算机是目前正在研制的新一代计算机。智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前已研制出多种具有人的部分智能的机器人，可以代替人在一些特定的工作岗位上工作。

2.2 计算机的工作原理

2.2.1 冯·诺依曼结构

1.计算机的基本结构

1）输入设备

输入设备的主要功能是把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供CPU调用和处理。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机和模/数转换器（A/D）等。

2）输出设备

输出设备是指从计算机中输出信息的设备。它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部二进制信息转换成人们习惯接受的信息形式（如字符、图形、声音等），然后将其输出。最常用的输出设备是显示器和打印机，输入设备和输出设备合起来称为外部设备（I/O设备）

3）存储器

存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件。存储器分为内存储器和外存储器两大类。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。内存是存取速度快而容量相对较小的一类存储器；外存是存取速度较慢而容量相对较大的一类存储器。

4）运算器

运算器包括算术逻辑单元（ALU）、累加器、标志寄存器、寄存器组等。其工作过程如下：

运算器的工作过程

1）从RAM（随机存取器）中取出数据，存储到运算器的寄存器中；

2）从控制器发出控制信号，决定进行何种运算（算术运算或逻辑算

3）运算器执行相应操作，将结果存储到累加器中；

4）将最终运算结果存储到RAM中，以备输出。

5）控制器

定义：控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤进行操作及处理。

组成：控制器主要包括指令计数器、指令寄存器、指令译码器和控制信号发生器，主要完成指令的翻译，并产生片内和片外的各种控制信号，执行相应的指令。

作用：控制器的作用是使整个计算机能够自动地执行程序，并控制计算机各功能部件协调一致地工作。控制器是指挥和控制计算机各部件进行工作的“神经中枢”.

控制器的工作过程

1）控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令，并存储到指令寄存器中；

2）指令计数器加1，指向下一条指令的地址；

3）解释该指令并形成数据地址，取出所需的数据；

4）向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制信号；

5）再按顺序从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。

3.采用存储程序方式

所谓存储程序原理，就是把程序和处理问题所需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机存储器里，计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令且执行，直到完成预定的任务。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。

冯·诺依曼的上述思想奠定了现代计算机的基础，后人将采用这种设计思想的计算机称为冯·诺依曼型计算机。到目前为止，大多数计算机仍沿用这一结构。

2.2.2 计算机的心脏—CPU

1. CPU简介

CPU也称中央处理器（Central Processing Unit）或微处理器。

第一个微处理器是1971年由美国Intel公司生产的。

CPU内核逐渐由单核向双核、多核发展，主频最高达到3 GHz以上。目前Intel公司的主流产品有酷睿系列、赛扬系列产品等，AMD公司目前的主流产品有羿龙、闪龙和速龙系列等。

CPU是计算机内部完成指令读出、解释和执行的重要部件，它主要由运算器和控制器组成，有的还包含了高速缓冲存储器。目前的CPU都通过高速线路将各部件集成在一个芯片上，称为微处理器。CPU是现代计算机的心脏

2. 高速缓冲存储器（Cache）

(1)Cache技术的引入

Cache即高速缓冲存储器。随着CPU主频的提高， CPU对 RAM的存取速度要求很快，而RAM的响应速度慢， CPU大部分时间在等待从RAM传输数据，大大浪费了CPU的资源，为了协调二者的速度，引入Cache技术。

(2)实现方法

通常采用与CPU速度相近的RAM。

具体方法为： 当用户启动一个任务时，计算机预测CPU可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将当前要执行的程序和数据复制到Cache，CPU在读写时，首先访问Cache，如果Cache中有，CPU就从Cache中取数据而不到RAM中去取。

(3)分类

高速缓存分为一级缓存（即L1Cache，64~128KB）和二级缓存（即L2 Cache,1~3MB）。

3. CPU执行的指令

1）指令

计算机执行某种操作的命令称为指令。

根据指令中操作数的不同，可分为：

 零地址：只有操作码，而没有地址码。 

一地址：单操作数指令。

二地址：指令常称双操作数指令，它有两个地址码，分别指明参与操作的两个数在内存中或运算器通用寄存器的地址，其中前一个地址码兼做存放操作结果的地址。

除了上面介绍的之外，还有三地址指令。 

2）指令集

指令集（指令系统）：一台计算机中所有机器指令的集合，是表征一台计算机性能的重要因素，格式与功能影响硬件结构、系统软件及机器在适用范围。

系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。

向上兼容：新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令。旧机种上运行的各种软件不做任何修改便可在新机种上运行，大大减少可软件的开发费用。

3) 指令集的风格

根据指令集的不同可分成两种类型的计算机。

(1)复杂指令集计算机（CISC，Complex Instruction   SetComputer）

以VAX-11/780为代表，20世纪70年代后的各种微机均采用  这种风格，如Intel 80x86。

其特点：指令系统复杂，绝大多数指令需要多个机器周期方可完成。

(2)精简指令集计算机（RISC，Reduced Instruction Set Computer）

将那些不是最频繁使用的指令由软件来实现，加快执行速度。其特点：指令有限，执行速度很快。

4）指令周期

指令周期是取出并执行一条指令的时间。

指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。

CPU周期（机器周期）通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期，一个CPU周期时间包含若干个时钟周期。

通常取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个CPU周期。

4. CPU的主要性能指标

1）主频、倍频、外频

主频是CPU的时钟频率。主频越高，CPU的速度越快。外频是系统总线的工作频率。倍频是CPU外频与主频相差的倍数。

主频=外频×倍频

2）内存总线速度

指CPU与二级高速缓存和内存之间的通信速度。

3）扩展总线速度

指安装在微机上的局部总线（如PCI总线接口）的工作速度。

4）工作电压

指CPU正常工作所需的电压。

5）地址总线宽度

地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间。如486微机系统，地址总线宽度为32位，直接访问空间4096MB。（232=4G=4096MB）

6）数据总线宽度

数据总线宽度决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。

7）内置协处理器

含有内置协处理器的CPU，可以加快特定类型的数值计算。

8）超标量

指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。Pentium级以上CPU均具有超标量结构。

9）L1高速缓存即一级高速缓存

添加内置高速缓存可以提高CPU的运行效率。

10）采用回写结构的高速缓存

对读和写操作均有效，速度较快。采用写通结构的高速缓存，仅对读操作有效。

2.2.3 存储器

存储器是计算机中具有记忆能力的部件，它能根据地址接收并保存指令或数据。存储器的操作是一个不断存入与取出的过程，我们把存入数据的操作称为“写”操作，把取出数据的操作称为“读”操作。存储器可分为主存储器和辅存储器两大类。

主存储器简称主存或内存，是计算机中用来存放指令和数据并能由中央处理器直接读取的存储器。计算机工作时，整个处理过程中用到的数据和指令都存放在内存中。

辅助存储器简称辅存或外存，是不直接向中央处理器提供指令和数据的各种存储设备。它主要用来存放内存中难以容纳，但为程序执行所需要的数据信息。常用作外存的有软盘、硬盘、光盘和磁带等。

1. 随机存储器（RAM）

1）分类

随机存储器（RAM，Random Access Memory）按半导体材料分为双极型（TTL）半导体存储器和金属氧化物（MOS）半导体存储器两种。根据存储信息机构的原理不同，又分为静态MOS存储器（SRAM）和动态MOS存储器（DRAM）。

2）单位及单位换算

字节是表示信息含义的最小单位，是存储器容量的基本单位。

1KB=1024B     1MB=1024KB    1GB=1024MB

3）操作特点

RAM在CPU运行期间既可读出信息又可写入信息，主要用于临时保存数据，便于CPU对数据进行处理。

优点：存取速度快、存储体积小、可靠性高。

缺点：断电后所存的信息会丢失。

RAM中的数据通过改变电容的状态来改变。RAM的容量通常16 MB、32 MB、64 MB、128 MB、256 MB等。

4）数据的存取方法

数据的存取方法是按址存取。

存储单元地址：计算机为了区分存储器的各存储单元，把全部存储单元按顺序编号。

2. CMOS存储器和BIOS

1）CMOS的缩写

CMOS是互补金属氧化物半导体的缩写（Complementary MetalOxide Semiconductor），是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片。

2）CMOS存储器的功能

CMOS存储器是指主板上一块可读写的存储芯片，它存储了微机系统的时钟信息和硬件配置信息等。系统加电引导时，要读取CMOS信息，用来初始化机器各个部件的状态。CMOS存储器用电池供电。保存的重要数据比RAM时间长久，不象ROM那样不可改写。当改变了计算机的系统配置后， CMOS中的数据必须进行更新。启动计算机时，按Del键进入CMOS界面进行相关参数的设置。

3）ROM BIOS存储器的功能

ROM BIOS是主板上存放微机基本输入输出程序的只读存储器，其功能是微机的上电自检、开机引导、基本外设I/O和系统COMS设置。主板上的BIOS芯片贴有保护标签（避免紫外线照射）标有“BIOS”字样。

3.只读存储器（ROM）

只读存储器（ROM，Read Only Memory）中的数据或程序一般是在装入计算机前事先写好的。计算机在工作过程中只能读出事先存储的数据，一般不能改写。

1）ROM的优点

具有不易丢失性，即使电源被切断，ROM中的信息也不会丢失。 ROM常用于存放固定的程序和数据。

2）ROM的分类

(1)掩模只读存储器。

优点：可靠性高，集成度高，价格便宜；缺点：不能改写。

(2)一次编程只读存储器。分为PN结击穿型（反向二极管）和熔丝烧断（熔丝）型两种。

(3)多次编程只读存储器。EPROM，使用紫外线擦除其中的数据，再次写入信息；EEPROM，使用电擦除其中的数据，再次写入信息。

4. 虚拟内存

操作系统用虚拟内存来动态管理运行时的交换文件。为了提供比实际物理内存还多的内存容量，Windows操作系统占用硬盘上的一部分空间作为虚拟内存。

当CPU有要求时，首先会读取内存中的资料，当内存容量不够用时，Windows就会将需要暂时储存的数据写入硬盘。 所以，计算机的内存大小等于实际物理内存容量加上“分页文件（交换文件）”的大小。

虚拟内存不仅解决了存储容量和存取速度之间的矛盾，而且也是管理存储设备的有效的方法。

设置方法：“控制面板——系统——高级——性能——设置”

5. 外存

外存储器最常用的有磁盘、磁带和光盘。磁盘又可分软盘和硬盘。软盘和硬盘都是利用磁存储原理来存储数据的。

1）软盘（floppy disk）

(1)构成

软盘是两面涂有磁性氧化物的聚酯薄膜圆片。

(2)规格

软盘的大小有5.25英寸和3.5英寸两种，目前常用3.5英寸软盘。

(3)磁道、扇区、簇

磁道：盘片上分成的若干个同心圆。磁道号从外向里依次为0、1、2……。

扇区：每个磁道被分为若干个弧段，每一个弧段为一个扇区。扇区长度不等，可存放相同数量的信息。（512字节）

簇：包括一个或数个扇区。

1）软盘（floppy disk

(4) 磁盘容量

(5)软盘驱动器的工作原理

软盘驱动器用来对软盘进行读写操作。

当插入软盘后，启动软盘驱动器。此时主轴带动盘片旋转，使转速达到一个额定值（普通软驱为300~600转/分），随即启动磁头定位装置，使用磁头移动并将其前隙定位于0磁道上，驱动器进入准备状态。当软驱上的控制器接到主机的命令后，经控制器上的微处理器对命令进行解释、译码，产生各种控制信号。

2）硬盘(hard disk)

硬盘精度高、容量大、速度快、结构复杂。它由铝合金制成，两面都镀有磁性材料，多个圆盘片固定在同一根驱动轴上，随之转动，盘片两面都有可移动的磁头，从上读取信息。硬盘和硬盘驱动器固结在一起，安装在主机箱内。容量通常有4.3GB、8.6GB、10GB、30 GB、 80 GB等。

硬盘的各个盘面也分成一系列的磁道，所有盘面上同一半径的磁道称为柱面。存取信息时可在同一柱面上按磁盘的顺序进行。柱面从外向里依次编号，即0、1、2、3等。常见的硬盘的盘面为3.5英寸。 

3）磁带存储器

在磁带中存储信息也是利用磁存储原理，其工作原理和录音机或录像机使用录音带或录像带相同。磁带存储器由磁带机和磁带两部分组成。磁带又分为开盘式磁带和盒式磁带两种，开盘式磁带主要用于大中型计算机，而盒式磁带主要用于微型机。与磁盘相比，磁带主要用于数据备份领域。磁带是线性存储设备，不利于高速存取，但其单位存储成本低，容量扩展灵活方便，介质尺寸小，可靠性高且易于保存，所以适用于对数据备份有需求的用户。

4）光盘CD-ROM

CD-ROM是Compact Disk-Read-Only Memory的缩写，意思是“密集盘-只读存储器”，它是由音频CD发展而来的一种外存储器。光盘的容量很大，一张光盘盘片可存放650~700MB的信息，且保存时间长，可靠性高。光盘是一种比软盘更好的外存储器。CD-ROM光盘盘片只能读取，不能写。CD-ROM上的数据通过激光在介质表面烧蚀出凸凹来记录，边界代表“1”，平面代表“0”使用光盘驱动器读出其上的信息。光驱分为单、2、4、8、12倍速等。单倍速是指数据的传输速率是150KB/s。单倍速与音频CD相同，不能边续播放VCD。

一次写入型光盘（WORM，Write Once Read Many disk）。

可擦写光盘（EO，Erasable Optical disk）。

5）USB 、U盘和闪存

USB是Universal Serial Bus的缩写，意思是通用串行总线。这是一种计算机系统连接外围设备（如键盘、鼠标、打印机等）的输入/输出接口标准。在USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，连接外设不必再打开机箱；外设允许热插拔。USB采用“级联”方式，即每个USB设备可以用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又能提供一个USB插座供下一个USB外设连接用。通过这种连接方式，一个USB控制器可以连接多达127个外设。U盘又称优盘，是用闪存作为存储介质的，可反复存取数据，不需另外的硬件驱动设备，使用时只要插入计算机中的USB插口即可。目前U盘的容量小的1 GB，大的已达几十GB，数据读取速度可达480 KB/s，存取时可靠性高，数据保存可达10年 。常用的闪存卡还有CF卡，SD卡（SD、SDHC、MINI SD、TF（micro-SD）），记忆棒，SM卡，XD卡等，经常应用于手机、数码相机、笔记本电脑、数码摄像机乃至手持式GPS等。

2.2.4 计算机的工作过程

(1)控制器控制输入设备或外存将数据输入到内存。

(2)控制器指挥从内存取出指令送入控制器。

(3)控制器分析指令，指挥相关设备执行规定操作。

(4)运算结果由控制器控制存储器保存或送输出设备输出。

(5)返回第二步，如此反复，直到程序结束。

2.3 微机系统及其主要指标

2.3.1 微机分类

按其性能、结构、技术特点等可分为：

1.单片机

将微处理器、一定容量的存储器以及I/O接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机。一般用于控制仪表、家用电器中。

2.单板机

将微处理器、存储器以及I/O接口电路安装在一块电路板上，就构成了单板机。广泛应用于工业控制、微机教学或实验。

3.PC机

配置有显示器、键盘、硬盘、打印机、光驱以及机箱和接口插槽等。

4.便携式微机

包括笔记本和个人数字助理、智能手机等。

2.3.2 微机的主要性能指标

1.内核和流水线

多核心处理器就是在一块CPU机板上集成两个或两个以上的处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。

单处理器只有一个CPU，在执行指令时是以串行方式执行的，即一个时刻只执行一条指令。使用流水线技术，处理器就可以在完成上一条指令前开始执行另外一条指令。流水线技术可以加快CPU的处理速度。

2. 字长

计算机进行数据处理时，一次存取、加工、和传送的一组二进制位。它的长度叫字长。字长决定CPU的寄存器和总线的宽度。

3.时钟频率（主频）

CPU 每秒平均执行的速度，它决定了计算机在一定时间内能够执行的指令数，是衡量微型计算机运行速度的一个重要指标。

4.内存容量

内存中能存储信息的总字节数。

5.运算速度

运算速度是一项综合性的性能指标，其单位是MIPS（Million Instructions Per Second，每秒106条指令，简称MIPS）和BIPS（Billion Instructions Per Second，每秒109条指令，简称BIPS）。一般主频越高，运算速度越快；字长越长，运算速度越快；内存容量越大，运算速度越快；存取周期越小，运算速度越快。衡量一台计算机系统的性能指标很多，除上面列举的4项主要指标外，还应考虑机器的兼容性，系统的可靠性，系统的可维护性，机器允许配置的外部设备的最大数目，数据库管理系统及网络功能等。另外，性能/价格比也是一项综合性评价计算机性能的指标。

2.3.3 微机的常见外部设备

最常见的外设有外部存储器（U盘、磁带机、光盘等）和打印机、绘图仪、扫描仪、键盘、鼠标等输入/输出设备。

1. 鼠标

现代电子计算机的输入设备，最常用的是键盘和鼠标器。

鼠标按照所采用的内部构造的不同大致可分为：

1）机械式鼠标

机械式鼠标是早期使用较多的一种。机械式鼠标下面有个圆形小球，当在平面上移动时，小球与平面摩擦转动，带动鼠标的两个光盘转动，产生脉冲，测出X-Y方向上的相对位移量，从而反映出屏幕上的鼠标的位置。

2）轨迹球鼠标

轨迹球鼠标的工作原理和内部结构其实与机械式鼠标类似，只是改变了滚轮的运动方式，其球座固定不动，直接用手拨动轨迹球来控制鼠标箭头的移动。

3）光电鼠标

光电鼠标内部有一个发光二极管，通过它发出的光线，可以照亮光电鼠标底部表面（这是鼠标底部总会发光的原因）。此后，光电鼠标经底部表面反射回的一部分光线，通过一组光学透镜后，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像，被光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）分析处理。该芯片通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。

4）无线鼠标

无线鼠标利用数字、电子、程序语言等原理，内置微型遥控器，以电池为能源，可以远距离控制光标的移动。这种新型无线鼠标与电脑主机之间无须用线连接，操作人员可在1米左右的距离自由遥控，并且不受角度限制，所以这种鼠标有较明显的优点。

2.3.3 微机的常见外部设备

2. 显示器和打印机

显示器和打印机是最常见的输出设备。

1）显示器

显示器主要有阴极射线管（CRT）显示器和平面显示器。显示器的主要指标之一是分辨率。分辨率是指显示屏单位距离上像素点的数目，常用整个屏幕能显示的像素点阵（水平×垂直）来表示。

显示器是通过显示适配器（显卡）与主板相连的，应与显卡配套使用。

平面显示器有液晶显示器（LCD）、等离子显示器等。

液晶显示器已成为目前微机的主流显示器。与传统的CRT显示器相比，液晶显示器的最大优点就是体积小、重量轻，可以为用户节省许多的空间。

2）打印机

打印机一般常用的有击打式打印机和非击打式打印机两大类。

在击打式打印机中，最常用的是点阵针式打印机。点阵针式打印机由打印头、走纸装置和色带组成。打印时有较大噪声。

非击打式打印机可分为喷墨打印机、激光打印机等。与击打式打印机相比，它们都具有打印速度快、打印质量高、没有机械噪声等优点。

喷墨打印机类似于点阵针式打印机，但它用很细的墨水喷头代替打印头，将墨水喷在纸上印出字符或图形。体积小，重量轻，打印时无噪声，很容易实现彩色打印，价格也较低廉。

激光打印机的工作原理比较复杂，它综合了复印机、计算机和激光技术。激光打印机打印速度快，打印质量高，无噪声，但价格较高。

3.扫描仪和数码相机

扫描仪（Scanner）是文字和图片输入的主要设备之一。依靠光学扫描结构和有关的软件，如识别字符的OCR、识别图像的Image Processing System等，把大量的文字或图片信息扫描到计算机中，以便对这些信息进行识别、编辑、显示和打印等处理。

根据扫描仪的形状可分为台式和手持式两种。

数码相机（DigitalCamera）是一种采用光电子技术摄取静止图像的照相机。

分辨率是数码相机最重要的性能指标。数码相机的分辨率用图像的绝对像素数来衡量。数码相机拍摄图像的绝对像素数取决于相机内CCD芯片上光敏元件的数量，数量越多则分辨率越高，所拍图像的质量也就越高。目前家用数码相机的分辨率一般在500万～1 200万像素之间。

2.4 嵌入式计算机系统

2.4.1 嵌入式系统基础知识

1. 嵌入式系统的定义

目前国内普遍认同的一个定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适合于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

根据嵌入式系统的定义，可从以下几方面来理解嵌入式系统。

(1)嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更具有优势。

(2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

(3)嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。

2.嵌入式系统的发展

嵌入式系统的出现已有30多年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段。

第一阶段：以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。

第二阶段：以嵌入式微处理器（嵌入式CPU）为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

第三阶段：以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统

第四阶段：以互联网为标志的嵌入式系统。

3. 嵌入式系统的特点

1）面向特定应用

2）知识密集

3）嵌入式系统功耗低、体积小、集成度高、成本低、

系统内核小

4）高实时性和高可靠性

5）开发需要专用开发工具和环境

6）具有较长的生命周期

2.4.2 嵌入式系统的组成

1.嵌入式系统的硬件

1）嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。

嵌入式微控制器(EMCU，Embedded Microcontroller Unit)

嵌入式微处理器(EMPU，Embedded Microprocessor Unit)

嵌入式DSP处理器(EDSP，Embedded Digital Signal Processor)

嵌入式片上系统(ESoC，Embedded System on Chip)

1.嵌入式系统的硬件

2）存储器

嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。

3）通用设备接口和I/O接口

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口）、I/O等，外设通过接口来实现微处理器的输入/输出功能。

4）电源

嵌入式系统中的电源是系统组成的重要部分，它已经不再是由电池或交流稳压器构成的简单电源，而是集成了电源管理和电源保护功能的复杂集成系统。目前有很多成型的产品，它们使用方便，功能强大，由单片集成电路就可以完成电源系统的全部功能。

2. 嵌入式系统的软件

1）嵌入式操作系统（EOS，Embedded Operating System）

目前主要有两种类型的商用嵌入式操作系统，一类是专为嵌入式系统设计发展的实时操作系统，如VxWorks、eCOS、Palm OS和uC/OS II等，第二类为由传统操作系统根据嵌入式系统特性进行改进而得到的操作系统，如微软的WinCE以及各种嵌入式Linux系统。

2）应用软件及开发工具

开发工具独立于嵌入式系统产品之外。开发工具一般包括语言编译器、连接定位器、调试器等。

Kdevelop就是一套功能强大的集成开发环境，整合了开发程序所需的编译器、连接器、除错工具、版本控制工具等，可以用Kdevelop快速地建立各式各样的应用程序。

2.4.3 嵌入式系统的应用

       工业控制

       智能仪表

       交通管理

       信息家电

       消费电子

       电子商务

       环境工程

       机器人

       物联网

2.5 计算机的应用

2.5.1 计算机应用的社会意义

计算机科学与技术与其他学科相结合，改进了这些学科的研究工具和研究方法，促进了这些学科的发展。

计算机在各行各业中的广泛应用，常常产生显著的经济效益和社会效益，从而引起产业结构、产品结构、经营管理和服务方式等方面的重大变革。

计算机还是人们的学习工具和生活工具。

总之，计算机的发展和应用已不仅是一种科学技术现象，而且是一种政治、经济、军事和社会现象。

2.5.2 计算机内部结构、输入与输出

1.计算机内部结构

主机是计算机的心脏和大脑，常见的有卧式和立式两种，正面有软盘驱动器插口、Reset按钮、电源开关和CD-ROM驱动器等。后面装有电源（电源也可能装在机箱正面或侧面）及连接键盘、显示器、网线、打印机等外设的插口。

主机包括主板、硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM驱动器、电源、风扇及各种外设的适配器（接口板）等。

主板上装有组成电脑的主要电路系统，是计算机硬件系统的核心。主板上集成有扩充插槽、BIOS芯片、I/O控制芯片、CPU插槽、控制芯片组、内存插槽、跳线开关、键盘接口、鼠标接口、指示灯接口、主板电源插座、软驱接口、硬盘IDE接口、串行/并行接口和系统总线等。

2. 输入与输出

1）扩展槽

2）适配器（Adapter）

3）扩展接口

4）常用外设的连接

显示器的连接

键盘的连接

鼠标的连接

打印机的连接

软驱、硬盘、光驱与主机的连接

2.5.3 计算机硬件的安装

一般可按照以下步骤进行：

（1）准备安装所要用到的硬件设备及安装工具；

（2）在主板上安装CPU及风扇；

（3）在主板上安装内存条；

（4）在机箱底板上固定主板；

（5）连接主板电源线及CPU风扇电源线；

（6）安装软盘驱动器（当前计算机一般不再安装）；

（7）安装硬盘驱动器；

（8）安装光驱；

（9）连接各部件的电源插头及数据线；

（10）安装连接串、并接口；

（11）安装各类适配器，如显卡等；

（12）连接显示器；

（13）连接键盘、鼠标等外部设备；

（14）连接主板与机箱面板上的开关、指示灯和电源开关等；

（15）最后检查；

（16）开机运行BIOS设置程序，设置系统CMOS参数。

       计算机是数字设备，能以极快的速度处理大量的信息，完成复杂的工作；计算机以数字电子电路为基础，集成电路在其中起着重要的作用；计算机虽然很复杂，但大多数构件是简单的插接式的，计算机的性能不仅取决于构件的性能，更多的是由体系结构所决定的。