文章目录

前言
一、计算机的组成原理
- 1、认识计算机
- - 1.1、认识1-4代计算机
  - 1.2、计算机应用的四种模式
  - 1.3、计算机特性以及未来发展
- 2、计算机组成
- - 2.1、计算机逻辑组成与现代化硬件组成
  - 2.2、各种设备介绍
  - 2.3、计算机分类
二、CPU的结构与原理
- 1、原理介绍
- - 1.1、冯诺依曼计算机结构与原理
  - 1.2、存储程序控制原理
- 2、了解CPU
- - 2.1、CPU任务介绍
  - 2.2、CPU结构与任务
  - 2.3、指令与指令系统
  - 2.4、CPU性能指标及影响性能因素
  - 2.5、提高CPU性能措施
- 3、扩展
- - Intel公司CPU发展史
  - 怎么认识双核、四核处理器？
三、PC主机
- 3.1、认识主板的基本部件
- 3.2、芯片组
- 3.3、内存器分类与应用(重要)
- - 哪些是内存储器？
  - 内存储器分类
- 3.4、主存储器RAM
- - RAM介绍及特点
  - 相关题型介绍
- 3.5、高速缓存Cache
- 3.6、计算机存储器的层次结构
- 3.7、I/O相关内容
- - I/O操作的任务与特点
  - 认识I/O接口
- 3.8、USB接口
四、输入设备
- 键盘
- 鼠标
- 笔输入设备(手写板)与触摸屏
- 扫描仪
- 数码相机
五、输出设备
- 显示器及显示卡
- - 认识显示器(含组成)
  - 显示器的性能参数
  - 液晶显示器(LCD)
  - 显示控制卡(显示卡)
- 打印机
- - 认识四种类型打印机
  - 主要性能指标(激光与喷墨)
  - 3D打印
六、外存储器
- 1、硬盘存储器
- - 硬盘存储器相关知识
  - 相关真题练习
- 2、U盘、存储卡、固态移动硬盘
- 3、光盘存储器
参考资料

前言

该笔记是当时学习专业课程留下来的学习笔记。

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一、计算机的组成原理

1、认识计算机

1.1、认识1-4代计算机

1946年美国宾州大学研制成功了第一台数字电子计算机—ENIAC。

代号	时间(20世纪)	特征	器件
第一代	1946-1958年	使用机器语言与汇编语言；运算速度为每秒几千次到几万次	CPU：电子管；内存：磁鼓
第二代	1958~1964	软件出现了操作系统与算法语言；运算速度每秒几万次至几十万次	CPU：晶体管；内存：磁芯
第三代	1964~1971	普遍使用集成电路，体积缩小；运算速度每秒几十万次至几百万次	CPU：SSI、MSI；内存：SSI、MSI半导体存储器
第四代	1971~至今	新一代计算机是把信息采集存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。	CPU：LSI、VLSI；内存：LSI、VLSI半导体存储器

1-4代说明：

1-4代计算机这种说法是以前的叫法，现在学术界与工业界不再使用第X代的称呼。
计算机慢慢智能化，以知识处理为核心，模拟和部分替代人的一些智能活动。

1.2、计算机应用的四种模式

模式	时代	解释
集中计算	发明-70年代	一般家庭几乎没有，很昂贵，计算机通常集中在单位、公司中进行进行计算
分散计算	70年代	几乎每个家庭都开始普及计算机了(指美国)
网络计算	90年代	通过网络将计算机数据互联
云计算	现今	能够随时使用"云"上的资源，根据需求购买指定的服务器以及提供相应的服务

1.3、计算机特性以及未来发展

目前的计算机使用的都是半导体集成电路，现在在不断努力研究其他材料。

量子计算机(不再用电来作为原材料)
光子计算机(用光来作为原材料)
生物计算机(例如DNA)

计算机是一种信息处理工具，包含信息收集、储存、加工(信息处理)、传送(通信)、施用(展现与控制)。

特性举例：

速度快。
存储容量大。
通用性好(处理数字、文字以及进行运算)。
计算机与计算机之间能够互联相互操作的能力。

缺点：

系统崩溃，造成信息丢失。
信息欺骗与计算机犯罪。
知识产权保护。
个人隐私泄露。
产生多余的电子垃圾(指代长年不使用的电子产品丢弃)，破坏生态。
计算机游戏容易使人着迷，造成不好的影响。

2、计算机组成

2.1、计算机逻辑组成与现代化硬件组成

逻辑组成

逻辑结构只是概念上(即功能上)的结构。

物理与逻辑的区别：

物理：指代实际的东西，例如硬盘。
逻辑：例如C盘、D盘、逻辑分区。

我们举两个例子来看一下这个逻辑结构的分工使用：

例一：我们从输入设备输入3+8，接着CPU进行运算，输出设备输出11。

例二：我们从输入设别输入3+8+5，CPU首先计算3+8，通过存储器来存储11，接着再使用CPU运算11+5，输出设备输出16.

现代计算机硬件

这里总线成为总指挥官

说明与之前逻辑结构变化：

这里的输入设备到控制器等中间都会有一个I/O接口(基本输入输出端口)，从原来的集中控制更改为独立控制。
原来与CPU通信(集中)，现在是总线通信(完成了以前CPU进行协调的功能)。
由一个存储器变为内外存储器。
- 内存储器：断电后除BIOS系统其它数据均会消失，具有易失性，易挥发。(容易丢失)
- 外存储器：断电后信息都存在，具有非易失性。(不容易丢失)

2.2、各种设备介绍

(1)、输入设备

功能：用来向计算机输入信息。

举例：例如鼠标、键盘、扫描仪、麦克风、条形码扫描器、阅读器。

输入设备共性：无论信息的原始形态如何到计算机中的信息都是二进制位。

(2)、中央处理器(也称运算控制器、CPU)

功能：更高执行指令，完成二进制算术运算与逻辑运算和数据传送等操作部件。

特点：①数字电路组成，结构复杂。②所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(几平方厘米)，称为微处理器。

(3)、存储器

功能：储存二进制位形成表示的程序与数据。

分类：分为内存储器与外存储器。

	内存储器(内存或外存)	外存储器(外存或辅存)
存取速度	很快	较慢
容量	较小(单位成本高)	很大(单位成本低)
性质	断点信息消失(除BIOS系统)	断电后信息依旧保存
用途	存放已启动运行的程序和需要立即处理的数据	长期存放计算机相关的软件及其他重要数据
与CPU关系	CPU所处理的指令及数据直接从内存中取	程序及相关数据首先送到内存中之后，CPU才能读取其在内存中的数据

注意：外存中的数据需要先传入到内存中才能与CPU进行交互。

(4)输出设备

功能：从计算机中输出信息，例如显示器、打印机、扬声器。

输出设备共性：将计算机中的二进制信息转为人可感知的形式(如文字、信息、图形、声音)

注意：针对于触摸屏既是输入设备也是输出设备。

(5)总线(bus)

功能：①用于连接CPU，内存，外存以及各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线路以及控制电路。②高速。

分类：总线分为两种，分别为CPU总线与前端总线。

CPU总线(又称前端总线)：用于连接CPU与内存储器的总线。
I/O总线：连接内存和I/O设备(包括外存)的总线。

2.3、计算机分类

按服务器客户机分类

①按内部逻辑结构分类

8位/16位/32位/64位
单CPU/多CPU

②按性能和价格分类

服务器：巨型计算机、大型计算机、小型计算机
客户机：个人计算机、嵌入式计算机
- 个人计算机：PC机(平板电脑、台式机之类)
- 嵌入式计算机：几个功能集合在一起合成一个芯片，可以说是一个小型嵌入式计算机(如手机、冰箱中的芯片)

服务器(server)介绍：

说明：在计算机网络中专门用来提供服务与资源(数据、存储空间、处理能力、软件)的一类计算机。

原理上所有计算机都可以成为服务器(有些计算机是天生作为服务器的)

巨型、大型机可作为企业服务器。
专用服务器可作为部门级服务器。
一般PC也可作为工作组服务器或打印服务器。

惠普(HP)服务器：①刀片服务器系统。②机架式服务器。③塔式服务器

按计算机服务对象与作用划分

类型	服务对象	应用性质	特点	分类与应用
个人计算机	直接对用户	通用	性价比高、多媒体通用及扩展	工作站、台式机、笔记本
服务器	为其他用户	半通用	吞吐率高、可用性好、扩展性好	数据应用服务器、web、打印
嵌入式计算机	为其他设备服务	专用	价格低、功耗低、软件固化、扩展差	手机、数码板、MP3

吞吐率：一个业务系统在单位时间内提供的产量（或服务量）

嵌入式计算机介绍：

将运算器、控制器、存储器…接口电路集成在一块芯片上的超大规模集成电路，称为"单片机"。
集成在单个芯片上这样的超大规模集成电路称为SOC(System on chip，芯片上系统)，国内称为片上系统或系统级芯片。

上述1、2中的大多数嵌入到其他设备作为嵌入式计算机使用，例如数码相机、汽车、MP3、手机外设等。

ARM处理器：全球市场份额最大的是英国ARM公司的ARM处理器，如今大部分手机与平板电脑都采用ARM技术的微处理器(包括苹果的ipad)。

二、CPU的结构与原理

1、原理介绍

1.1、冯诺依曼计算机结构与原理

简单图：

详细图：

介绍：

程序是一个指令序列，指令就是能让计算机理解并执行的操作命令，由CPU一条条顺序执行。
程序指令及数据都以二进制编码表示，均存放在存储器中。
存储器中存放的指令与数据按地址进行存放。

1.2、存储程序控制原理

顺序：①程序 ②存储 ③控制

首先根据问题来编制出解决问题的程序。
程序及其处理的数据都用二进制来表示放置到存储器中。
程序运行时，CPU从内存中一条条读取指令和相应的数据，根据其指令操作码规定来对数据进行运算处理，直到程序执行完毕。

见图：

2、了解CPU

2.1、CPU任务介绍

主要任务：执行指令，按照指令的规定对数据进行操作。

指令：指令就是命令，规定CPU执行的操作，指令是程序基本单位，程序是由一连串指令组成的。指令采用二进制表示，分为两个部分。

2.2、CPU结构与任务

CPU由三部分组成：运算器、控制器以及寄存区组。

任务：取指令并且完成指令所规定操作。

指令计数器(也称程序计数器)：用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。
指令寄存器：用于暂存当前正在执行的指令
寄存器组：包含多个寄存器，寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，大部分数据处理需要中转存放，所以这里用来存放暂存数据。
运算器：对各种数据进行加工处理，例如算术四则运算，与、或bai、求反等逻辑运算，算术和逻辑移位操作，比较数值，变更符号，计算主存地址等。

2.3、指令与指令系统

指令在计算机中的执行过程

四个过程：这几个过程也是在不断进行循环

取指令：CPU控制器从存储器中读取一条指令并放入到指令寄存器中。
指令译码：指令寄存器中会将指令进行译码，决定该指令进行何种操作，以及确定操作数在哪里。
执行指令
修改指令计数器：准备下一条指令地址。

通常每个步骤都需要1个或几个时钟周期才能完成！

时钟周期：也称为震荡周期，定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本最小的时间单位，在一个时钟周期中,CPU仅完成一个动作。
- 时钟频率：是指同步电路中时钟的基础频率，它以“若干次周期每秒”来度量，量度单位采用SI单位赫兹

指令系统

指令系统：CPU可执行的全部指令，即它的机器语言。包含了所有它能够识别并执行的指令。

指令特点：

简单、高效，操作功能简单。
指令格式统一，固定长度，统一分段。

注意：ARM处理器符合上面指令特点，而Intel处理器由于历史原因并不符合上面指令。

历史原因指Intel在有这个指令特点也可以说规范之前就已经有指令，当该规范出来时，Intel的指令不符合其规范，慢慢就退出历史了。

2.4、CPU性能指标及影响性能因素

CPU：是一个超大规模的集成电路，数字电路组成，可以高速的执行指令，完成二进制的数据、算术、逻辑运算。

普通家用cpu，比如i5-6600四个核心的计算能力大概在20gflops.,也就是每秒200亿次浮点运算。

CPU能够影响主机反应快慢以及执行速度。

介绍下影响CPU性能的主要因素：

体系结构
- 字长(位数)：指通用寄存器和定点运算器的宽度(即二进制整数运算的位数)。
- 指令系统
逻辑实现
- 逻辑结构：CPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目。
- 高速缓存(cache)的容量与结构。
物理实现
- 主频(CPU内部时钟频率)
- CPU总线频率：CPU总线(前端总线)传输速率，决定着CPU与内存传输数据的速度快慢。
- 内核数目

接着我们依次介绍其中内容：

首先是字长概念：我们通常会将字长与字节搞混淆

字长：宽度，可以表示一次性可以处理最大的位数，这里处理最大位数并不是说处理不了比它大的数，而是相对于处理大的数会执行多次，而对于足够大字长的一次即可执行完。可以想象成车道，车道越多处理的也就越多。
字节：用于计量存储量的一种计量单位。

接着看一下高速缓存cache：

cache：译名为高速缓冲存储器，是为了更好的利用局部性原理，减少CPU访问主存的次数

其实在CPU与内存之间还有个Cache用于作为缓存，其容量指的是设计的大小，结构指的是一级、二级、三级缓存。

速度排名：外存<内存<cache<CPU的寄存器

2.5、提高CPU性能措施

改进CPU结构
提高IC速度
增加CPU(核)的数目，例如四核、八核。

3、扩展

Intel公司CPU发展史

8080(8086)->80286->80386->80496->Pentium->PentiumPRO->Pentium2->Pentium3->Pentium4

当前产品：赛扬、奔腾、酷睿i3、酷睿i5、酷睿i7。

性能都是逐步增长，并且从Pentium2开始就不断扩展系统指令条数，用于扩展更多功能。

兼容性介绍：往往产品之前会有兼容性

不同公司生产的CPU一般不兼容：Intel与AMD产品兼容；IBM、SUN、ARM处理器不兼容。
同一公司同一系列CPU具有向下兼容的特性。
平板电脑、智能手机与PC端的都不兼容。(往往不同端软件都需要根据各个平台打包使用)

怎么认识双核、四核处理器？

双核处理器：最初单个IC封装成2个功能完全相同的处理器(内核)，之后进一步发展成将2个内核做在同一晶片上，并且共享L2cache，提高了性价比，但缓存越大也就越贵。

L2cache：L指的是Level，这里是二级缓存，二级缓存是CPU性能表现的关键之一，在CPU核心不变化的情况下，增加二级缓存容量能使性能大幅度提高。

四核处理器：将两个双核晶片封装在一起就成为了4核处理器。

三、PC主机

3.1、认识主板的基本部件

主板图

主板：又叫主机板、系统板或母板，安装在机箱中，包含了许多重要的部件如上面图所示。主板的核心是主板芯片组，它决定了主板的规格、性能和大致功能。

CPU插槽：用来放置CPU，插槽外还包裹着一圈用于放置风扇，主要用于散热，风扇的材料一般为铝，这种材质能够快速导热。

显卡插槽：可以连接显示器，棕色，主板上的比较老的使用AGP接口，现在一般使用PCI-E x16，x1的速度为25MB/s，x16的速度是5GB/s。

显卡接口(连接显示器的)分为三种：①模拟信号(VGA)，用来插普通显示器；②数字信号(DVI)，数字接口的显示器；③全高清多媒体接口(HDMI)，插高清电视机。

内存条插槽：一块主板提供了多个内存条插槽，内存条型号有DDR2、DDR3、DDR4，插入到主板中的内存条型号应该与主板的型号兼容，因为内存条换代后速度会变得越来越快，有些主板并不支持。

采用双列直插式(DIMM插槽)可保证内存条按照规范插入，两边都有触点能够存储数据且功能不一样。
DDR2与DDR3均有240个引脚，但不可互换使用。PC机主板中一般配有2或4个内存条插槽。

北桥芯片：在CPU插槽与内存条插槽旁，作为存储控制中心(或存储器控制)，管理衔接内存条、显卡、CPU以及南桥芯片，对存储控制进行协调并且它也有个散热器，之后慢慢也被厂商集成到CPU中去了。

内存条、显卡及CPU中的寄存器都有存储数据的功能，所以说北桥芯片是存储控制中心。

南桥芯片：归北桥芯片管理，其也算一个小管家，除了北桥芯片管理的三个部分其余都归它管，例如PCI插槽(总线标准)、I/O接口、硬盘与光驱(IDE接口)(IDE接口与硬盘连接使用较粗的40针连接线叫做并行ATA(PATA)，而现在使用的是较细的线叫做串行SATA)、RJ45(网络接口、网络水晶头)、声卡、BIOS与CMOS。

为什么用串行SATA而不用并行PATA接口？
- 首先需要知道一点并行的效率一定比串行的高，尽管并行很快其成本也会很高，服务器大多使用的是并行口传输，相对于个人使用的电脑就会使用SATA。
- 当并行口出现堵塞时也可能会比串行口慢，并且可以使用技术手段将串行口的速度进行优化。现在的串行口也并不慢，所以会使用SATA。

两个电路介绍：

BIOS(Basic Input Output System)：基本输入输出系统，数据是不需要电池的，它是个人电脑启动时加载的第一个软件。它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存中计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序以及系统自启动程序，并且它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。包含程序如下：
- 加电自检程序(POST)：Power On Self Test，用于检测计算机硬件故障。
- 系统自举程序(Boot)：启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态。
- CMOS设置程序：设置系统参数如日期、时间、口令、配置参数等。
- 常用外部设备的驱动程序(Driver)：实现对硬盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)：互补金属氧化物半导体，它是需要电池的，其中存储着日期、时间、密码口令、设置多块硬盘(常用配置设置)，电池用来供电，一旦将CMOS电池拿下来时间就直接断电了，其存储的时间不会进行更新走动，并且其在BIOS中设置的开机密码也会清空，其实也可以通过跳线方式达到一样的效果。

说明：相对于重要性来说，南桥仅次于北桥。

3.2、芯片组

芯片组：主板的核心，是PC机各组成部分相互连接将和通信的枢纽，按照主板上排列位置不同分为南桥芯片与北桥芯片。

芯片组与CPU芯片共同发展，有什么样功能和速度的CPU就有什么样的芯片组与之配套。
由于集成电路集成度越来越高，为了降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能。
由于CPU芯片越来越复杂，功能也越来越强大(如Core i3/i5/i7)，有些已将北桥芯片的存储器控制器和图形控制器功能集成到CPU芯片中，因此现在很多主板上北桥芯片已消失，只需要一块南桥芯片。

北桥芯片：

存储器控制功能。
连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽。

南桥芯片：

多种I/O设备的控制功能。
I/O总线(PCI总线)功能。
提供了各种I/O接口。

3.3、内存器分类与应用(重要)

哪些是内存储器？

例如寄存器、Cache、内存条、BIOS为代表的ROM(只读，Read Only Memory)都是内存储器。

断电之后数据会消失：寄存器、Cache、内存条。

断电之后数据不会消失：BIOS为代表的ROM，其不会消失数据，因为提供了ROM芯片。

BIOS再说明：其内存有限，之前也说到它能够对一些常用外部输入输出设备进行控制，其中会内置一些常用相关的驱动，而对于如打印机、扫描仪之类并没有提供驱动程序，所以我们需要自己进行安装，通常厂商会有一个Driver CD，安装了相应驱动程序到电脑中即可使用。

内存储器分类

内存由半导体存储器芯片组成，芯片也有多种类型

解释SRAM与DRAM：

SRAM：数据不要刷新，不易集成，读写速度快，价格高，用于制作cache。
DRAM：数据要不断刷新，易集成，读写速度慢，价格低，用于制作内存。

目前的内存都是DRAM，因为它比较容易做大容量的；cache就用SRAM，它的价格比较高，而且材料虽然都是半导体，但有不同，成本很高，做大容量的存储器不太可能。

3.4、主存储器RAM

RAM介绍及特点

主存：是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令与数据。

特点：

以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节(8个二进位)。
存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数。(单位：MB或GB)。
存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据送到CPU(或是把CPU数据写入主存)所需要的时间(单位：ns，1ns=10^-9s)

3.5、高速缓存Cache

Cache：是一种小容量高数缓冲存储器，它由SRAM组成。其直接制作在CPU的芯片中，速度几乎与CPU一样快。

当程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批复制在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的抽象。
当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有有没有，如果有就直接从cache中读取，这样则不用访问主存储器。

有关命中率说明：

3.6、计算机存储器的层次结构

看如下结构图：来源于转本课程三毛老师教案

可以看到寄存器的存取速度最快，容量也最小，其他依次排后。

单位：ns，1ns=10^-9s

3.7、I/O相关内容

I/O操作的任务与特点

I/O的任务

输入的任务：将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域。

输出的任务：将内存储器指定区域的内容送出到输出设备。

注意：I/O操作中也包括外存与内存之间的数据传输。

I/O的特点

①I/O操作与CPU的运算可以同时进行。

②多个I/O设备的操作也可同时进行工作。

③每类I/O设备都有各自的控制器，他们按照CPU的I/O操作命令，独立地控制I/O操作的传输。

认识I/O接口

I/O接口：I/O设备与主机之间的连接器。

分类：

按数据传输方式：
- 串行：1次只能传输1位
- 并行：多位一起进行传输
按是否连接多个设备来分：
- 总线式：可连接多个设备
- 独占式：只能连接1个设备
从是否符合标准分
- 标准接口：通用接口
- 专用接口：专用的接口

台式PC机箱背部的I/O设备接口：

USB2.0是黑色的，USB3.0是蓝色的。
PS/2指的是鼠标与键盘。

I/O设备及参数：

串行、并行：同一时间传输的位数
单向、双向：例如显示器接口就是单向的，只有数据传输到显示器中显示，而显示器数据传不回去。

3.8、USB接口

USB(Universal Serial Bus)：通用串行总线式接口，高速、可连接多个设备、串行传输。

传输速率：

USB1.1版本：1.5MB/s和12MB/s
USB2.0版本：最高达480Mb/s(60MB/s，也可以使用MB表示，除以8即可)，黑色，使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范。
USB3.0版本：最高达3.2Gbps(400MB/s)，蓝色。

标识：

关于引脚：下面的是USB2.0的是4根引脚，USB3.0的是8根引脚

引脚	信号	名称	导线颜色
1	VCC	电源	红
2	-DATA	数据-	白
3	+DATA	数据+	绿
4	GND	地	黑

四、输入设备

常用的输入设备：键盘、鼠标、手写输入与触摸屏、扫描仪、数码相机

键盘

作用：向计算机输入字母、数字、符号、命令等信息。

PC键盘上的特殊控制键：电源控制键、多媒体控制键、因特网控制键

键盘鼠标与主机的接口：PS/2接口、USB接口、无线接口(红外线或无线电波)

现在很少有PS/2接口了，大多都是USB接口为主流和无线接口

PS/2接口如图：

鼠标

作用：用于控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处，然后通过按键(左键或右键)发出命令，完成各种操作。

工作过程：

用户移动鼠标时，借助于机械或光学原理，将鼠标在X方向和Y方向移动的距离变换成脉冲信号输入计算机。
计算机中的鼠标驱动程序把接收到的脉冲信号转换成水平和垂直方向的位移量，继而控制屏幕上鼠标箭头的移动。

鼠标器类型：指点杆、触摸板、轨迹球、操纵杆、无线鼠标

笔输入设备(手写板)与触摸屏

笔输入设备(手写板)

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。输入汉字时，需要运行手写汉字识别软件。

类型：电阻式、电容式、电磁感应式

与主机的接口：USB

触摸屏的原理与应用

原理：触摸屏是在液晶面板上覆盖了一层压力板，它对压力很敏感，当手指或笔尖施压其上时会有电流产生以确定压力源的位置，并对其进行跟踪，然后通过软件识别用户所输入的信息。

多点触摸屏：多点触摸屏又称多点触控，即一个屏幕允许多点操作，并能感受到手指滑动的快慢和力度，从而使操控更加人性化。

扫描仪

作用：扫描仪是将原稿(图片、照片、底片、书稿)输入计算机中的一种输入设备。扫描仪输入到计算机中的是原稿的"图像"。

三种类型：

平板式扫描仪：主要扫描反射式稿件，适用范围较广，其扫描速度、精度、质量比较好。
滚筒式和胶片专用扫描仪：高分辨率的专业扫描仪，技术性能很高，多用于专业印刷排版领域。
手持式扫描仪：扫描头较窄，只适用于扫描较小的图件。

扫描仪从扫描到传输到计算机中的大概过程：光学 -> 电学 -> 数字信号。

性能指标：

光学分辨率：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(Dots Per Inch，每英寸点数)。
色彩位数(色彩深度)：反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力，位数越多，扫描仪所能反应的色彩就越丰富，扫描的图像效果就越正式。例如：24bit、32bit、36bit、42bit、48bit。
扫描幅面：指容许原稿的最大尺寸，例如：A4、A3。

与主机的接口类型：SCSI、USB、1394接口等等。

介绍平板式扫描仪

原理图：这里使用转本计算机基础学科三毛课程的图

CCD(电耦合器件)：进行光电转换，产生出电流。或使用CMOS都是可以的。
大致过程：首先通过反射光源，使用CCD来转换为电流，之后转为模拟信号，最后使用A/D转换，将其转为数字信号的计算机中。

数码相机

有普通数码相机、专业数码相机(镜头能够退远推近)。

作用：获取现实世界中景物的数字图像。

原理图：与扫描仪也有些类似都有CCD

CCD阵列：阵列指多个CCD，光信号聚焦在CCD或CMOS成像芯片上，并由成像芯片转换为电信号。成像芯片像素数目越多，图像的分辨率就越高。
图像处理与数据压缩：使用嵌入式处理器和数字信号处理器(DSP)对图像进行色彩处理和数据压缩等处理，将图像以JPEG格式来表示。
存储器：使用闪烁存储器做成的可插拔的存储卡。
接口电路：USB接口或1394接口。

主要性能指标：

CCD像素数目：决定数字图像能够达到的最高分辨率。例如分辨率最高达1600*1200时，一共有1920000个像素(200万像素)。
存储器容量：CF卡(Compact Flash卡)、Memory Stick(记忆棒)、SD(mini SD)卡。

常见问题：给你像素大小，然后选择相应的分辨率！

五、输出设备

常用输出设备：显示器、显示卡、打印机

显示器及显示卡

认识显示器(含组成)

作用：是计算机必不可少的图文输出设备，它能将数字信号转为光信号，使文字和图像能够在屏幕上显示出来。

组成与分类：

发展：CRT -> 液晶显示器 -> 曲面屏

CRT：优点是便宜；缺点是占用空间大，笨重，有辐射，逐渐被淘汰掉。
液晶显示器(LCD)：1986年提出，也有LED背光显示器(与其相似)。
曲面屏：具有更多功能，更加复杂。
3D立体显示器：观众戴上偏光镜，让一只眼接受一组图像，形成视差，建立3D立体感。

几寸几寸说的是对角线的长度！

显示器的性能参数

①显示屏尺寸与屏幕宽高比：

屏幕尺寸以对角线衡量：如15寸、17寸、19寸、22寸…
宽高比：普通屏(4:3)、宽屏(16:10或16:9)

②显示分辨率：水平像素x垂直像素个数

例如：1920x1200、1280x1024、1024x768
在显卡的控制下，屏幕分辨率是可以设置的

③刷新速率

画面每秒钟更新的次数。刷新速率越高，图像稳定性越好。

④响应时间

LCD像素点对输入信息的反应速度，响应时间愈小愈好，显示器画面越平稳流畅。

⑤亮度与对比度

⑥背光源类型：LED或荧光灯管

⑦辐射和环保

液晶显示器(LCD)

原理：

液晶是介于固态和液态之间的一种物质，它具有规则分子排列的有机化合物。
加热时呈现透明的液体状态。冷却时则出现结晶颗粒的混沌固定状态。因此既具有液体的流动性，又具有固态晶体排列的有向性。
它是一种弹性连续体，在电场的作用下能快速展曲、扭曲或者弯曲。

这里再额外介绍一下LED背光显示器：

有三大优点：功耗小、对比度大、色彩鲜艳。

显示控制卡(显示卡)

看一下显示卡与显示器及北桥芯片关系图：

VRAM：也是用于临时存储数据的。
绘图处理器：就是GPU,可将二进制转换为感官感受到的。

性能指标

显存容量：128MB-2GB、大多采用DDR2、GDDR3或GDDR4存储器组成。

主机接口：AGP(已很少使用)、PCI-E x16(4GB/s~5GB/s)

显示器接口：

VGA接口：模拟接口
DVI接口：数字接口
HDMI(全高清多媒体接口)：以无压缩方式传统到1920x1200的数字视频信号和5.1声道音频信号。

打印机

认识四种类型打印机

作用：将程序、数据、字符、图形打印输出在纸上。

类型：针式打印机、激光打印机、喷墨打印机、热敏打印机。

针式打印机

类型：属于击打式打印机。

优点：耗材成本低，能多层套打，适合票据打印。

缺点：打印质量不高，工作噪声很大，速度慢。

应用：银行、证券、邮电、商业等领域，用于打印存折和票据。

激光打印机

类型：属于非击打式打印机。

原理：激光技术与复印技术的结合。

使用材料：硒鼓(炭粉)

优点：分辨率高、打印质量好；速度快，噪声低；价格适中。

缺点：价格比较高。

接口：以前是并行口，现在是USB接口。

应用场景：办公室、家庭应用。

喷墨打印机

类型：非击打式打印机，大多为彩色打印

使用材料：墨水。

优点：彩色打印，低噪音、低电压，环保。

缺点：墨水成本高、消费块。

应用：家庭及办公。

热敏打印机

结构：与针式打印机类似，在打印头上以行、列或矩阵的形式安装有半导体加热元件；使用的热敏打印机则覆盖了一层涂有热敏的透明膜。

原理：打印时，打印头有选择地在热敏纸的一些位置上加热，热敏材料经高温加热的地方瞬间变成黑色，从而在纸上产生字符号图形。

优点：打印速度快、噪音低、打印清晰、使用方便。

应用：POS机、ATM柜员机、医疗仪器。

主要性能指标(激光与喷墨)

打印精度(分辨率)：单位为dpi，高的甚至达到1000dpi，越高越好，精度越高图像越清晰，边缘越光滑。

打印速度：页数/分，通常每分钟3-10页

色彩表现能力：彩色数目

可打印幅面：A3、A4等

与主机接口：并行口、SCSI接口、USB接口

其他例如打印成本、噪音、功耗。

3D打印

打印过程：物体在计算机设计成型后，分割成一系列的数字切片后传送到3D打印机中，后者会将这些薄型层面通过特殊胶水逐层堆叠起来，最终形成一个立体物品。

六、外存储器

1、硬盘存储器

硬盘存储器相关知识

功能：长期保存二进制信息(非易失性，就是不容易丢失)，使用闪存Flash Memory。

特点：可读可写，容量大，可靠性高，成本低(1-2G/1元)、技术发展快未来将越来越便宜。

信息存储原理：

按照磁化方向来表示0或1，例如+ -表示1，- +表示0。
通过磁头来进行写入与读出。磁头不同传输方向也可表示0或1。

磁盘的磁道与扇区：

扇区：指的是上图中的蓝色部分，圆心向外画直线，将磁道分为若干个弧道，每个磁道上的一个弧段称为一个扇区，扇区是磁道最小组成部分，每个扇区都有编号，通常是512字节。(部分厂商设定每个扇区大小为4096字节)
磁道：指的是蓝色部分，一圈一圈的。每个磁道都有一个编号，最外面一层是0磁道，最里面的是n磁道。

硬盘存储器结构：

盘片：一般是1-5片，正反面都有数据，一个判断对应两个磁头。
柱面：指的就是多个盘片累加之后的圆柱体。

硬盘格式化过程：所有的数据重新划分磁盘和扇区的过程。

相关名词介绍：

信息的平均存取时间：磁盘上的信息以扇区为单位进行读写。
- 平均存取时间：T = 寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间
  - 寻道时间：磁头寻找到指定磁道寻找时间(大约5s)
  - 旋转等待时间：指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间，大约5s。(转速：4200/5400/7200/10000rpm，Revolutions Per Minute转每分钟)
  - 数据传输时间：大约为0.01ms/扇区
硬盘读写数据时间：
- 平均寻道时间：指磁头移动到数据所在磁盘(柱面)所需要的平均时间，衡量硬盘机械能力指标，单位ms。
- 平均等待时间：指数据所在的扇区转到磁头下方的平均时间，为盘片旋转周期的1/2，单位ms。
- 平均访问时间：硬盘找到数据所在扇区所需要的平均时间，等同于平均等待时间+平均寻道时间。衡量硬盘找到数据所用时间的最好标志。
数据传输速率：为磁盘的吞吐量。
- 内部传输速率：传输速率小于外部传输速率，是评价硬盘传输速率的最重要指标。
- 外部传输速率：比内部传输速率快。

硬盘存储器的性能指标：

容量：以GB为单位，
平均存取时间：在几ms~几十ms之间，由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率决定。
缓存容量：也有缓存，越大越好，一般为几MB-几十MB。
数据传输速率
- 外部数据传输速率：主机向硬盘缓存读出(写入)数据的速度，与采用的接口类型有关。
- 内部传输速率：硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高，内部传输率越快。
与主机接口
- 以前：并行ATA(ata)接口。
- 现在流行：串行ATA(SATA)接口。

使用硬盘注意点：对硬盘读写时不要关闭电源(可能造成硬盘损坏)、注意防尘，控制环境温度，防止高温潮湿磁场影响(本身就是通过磁化方向来存储数据的)、防止硬盘震动，多进行磁盘碎片整理，多进行病毒扫描。

2、U盘、存储卡、固态移动硬盘

U盘

材料：使用NAND Flash存储器(闪存)芯片，体积小，重量轻。

容量：一般为几十MB~几十GB

接口：使用USB接口，即插即用，支持热插拔(该U盘必须先停止工作)

热插拔含义：指的是在不关闭系统电源的情况下，将模块、板卡插入或拔出系统而不影系统的正常工作，从而提高了系统的可靠性、快速维修性、冗余性和对灾难的及时恢复能力等。

特点：读写速度快，可以模拟光驱和硬盘启动操作系统(如老毛桃)

存储卡

原理：与U盘相同，也使用闪存芯片(Flash Memory)，使用读卡器才能读写。

外型：长方形或正方形的卡片状，使用印刷插头，不使用USB插头。

主要种类：CF卡、MMC卡、SD/SDHC卡、Memory Stick(MS卡)。

用途：数码相机、游戏机、手机、MP3播放器。

固态硬盘

固态硬盘(Solid State Disk、Solid State Drive)：是使用NAND型闪存做成的外存储器。

外型：与主机的接口及常规硬盘相同，如1.8英寸、2.5英寸、3.5英寸。

1英寸=2.54cm

存储容量：64GB-128GB…

用途：在便携式计算机中代替传统的硬盘。

优点：低功耗、无噪音、抗震动、低热量，读写速度快。

缺点：成本高于常规硬盘，并且有一定寿命，若是寿命时间到，其中的数据难以读取。

移动硬盘

工作原理：与固态硬盘类似。

接口：采用USB或IEE1394接口，即插即用，支持热插拔(必须先停止工作)。

特点：小巧便于携带，速度快，安全可靠。

平板电脑/智能手机的外存储器

大多数平板电脑的外存储器既不是硬盘也不是SSD。

例如IPAD是将NAND型Flash芯片直接焊接到主板上作为外存储器，无法像安卓一样更换sd卡，这也苹果的一系列产品速度快的原因。
微软公司平板电脑：使用的是microSDXC存储卡。
大多数只能手机外存储器是micro SD存储卡。

说明：机械硬盘坏了之后数据可恢复，固态硬盘则恢复几率小

3、光盘存储器

发展阶段：

分代	年代	名称	激光类型	容量
第1代	1982	CD光盘存储器	红外光	650MB
第2代	1995	DVD光盘存储器	红光	4.7GB
第3代	2006	BD光盘存储器	蓝光	25GB

注意：DVD和BD的容量均为单面单层的容量。

分类：

按信息读写能力分
- 只读光驱
- 只写光驱(光盘刻录机)
按可处理盘片类型分
- CD只读光驱
- CD刻录机
- DVD只读光驱
- DVD只读/CD刻录机组合而成的康宝
- BD(Blue-ray Disc)：只读光驱
- BD刻录机

按存储容量与读写特性分：

DVD刻录机与DVD光盘容量：

参考资料

[1]. 计算机缓存Cache以及Cache Line详解

[2]. 专转本计算机基础课程—三毛老师

[3]. 动态随机存储器和静态随机存储器有什么区

[4]. CPU体系结构之cache小结

[5]. 存储基础篇之硬盘一（工作原理）

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