第二章计算机基础

第2章信息处理机器：计算机系统主要内容：§2.1从历史走向未来——计算机的发展史§2.2微型计算机硬件系统§2.3外部存储设备§2.4输入/输出子系统本章小结思考与练习§2.1从历史走向未来——计算机的发展史一、思考题１.计算机发明的历史进程中发生了哪些重大事件，从中我们能得到哪些启示？２.计算机的发展经历了哪几个阶段？其划分的依据是什么？现在普遍使用的台式计算机、笔记本及平板电脑等属于第几代计算机？3.请简述冯·诺依曼所提出的现代存储程序式计算机的基本结构和工作原理。4.微型计算机硬件系统包括哪几个主要部分？5.CPU由哪几部分组成，各部分的主要功能是什么？6.什么是多核心处理器？它是如何提高计算机处理器性能的？7.简述计算机各总线的作用。8.为什么RAM中的数据具有易失性？９.非易失性存储器是一个新概念，它与静态随机存储器、动态存储器有何区别？10.磁介质为何能存储信息？11.计算机主存储器与硬盘相比，在存储方面有什么特点？12.什么是RAID？RAIDLevel分为几级？思考与练习13.为什么要对存储系统的数据进行校验？14.光存储介质存储信息的原理是什么？15.从光盘的存储原理和结构上分析，为何DVD比CD的存储容量要大得多？16.计算机有哪些常用的输入和输出设备？17.电容式触摸屏的工作原理是什么？18.计算机与外部设备的接口及标准有哪些？它们的主要功能是什么？19.串行传输与并行传输的各自特点是什么？二、计算题1.某计算机地址总线宽度为32位，这台计算机能够寻址的内存单元是多少?2.某存储芯片的地址线为24条，则该内存条的容量是多少？3.某存储器容量为10M，试计算能够存储多少中文字符（每个中文字符占2个字节）？4.内存按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，共有多少个字节？若用存储容量为32k的存储器芯片构成内存，至少需要多少片？思考与练习5.在主存储器中，如果一个数据块储存在从地址BC到C2（包括C2）存储单元里，这一数据块占多少存储器单元？试列出它们的地址。6.某RAM芯片有22条地址线、8条数据线，则该RAM芯片容量是多少？7.试采用奇校验法给下列字节添加校验位。8.设A、B两个字节中的数据为：A=01111001、B=11100111，试计算A、B的值。9假设数据A1=00100101、A2=01000111、A3=0000000，分别存储在不同的RAID磁盘中，奇偶校验Ap由A1、A2、A3异或运算得到，试计算Ap的值。如果A2数据块出错，如何通过计算重建原来的数据？思考与练习三、练习与实践１.指出你所使用的计算机配置了哪些外部设备？它们的性能如何？如何操作与使用？２.观察一台微型计算机的外部接口，分别指出串行口、并行口、网卡接口、显示器接口和USB接口的位置。３.打开一台微机的机箱，分别指出CPU、主存储器、主板、硬盘、光驱等部件的位置。思考与练习2.1.1现代计算机的“史前”时代（—1946）中国古代普遍采用的一种计算工具——“算筹”。更为先进的计算工具是两千年前中华民族发明的算盘，这是人类借助于工具进行数字计算的开端。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史图2-1中国古老的计算工具：算筹（左）与算盘（右）19世纪和20世纪前半叶，是计算机发展史上不寻常的时代。如果按时间序列划分，在近代对计算机的发展史做出贡献的重要的人物和事件有：1.1642至1643年，巴斯卡(BlaisePascal)发明了一个用齿轮运作的加法器。2.1674年，德国数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出了“二进制”数的概念。3.1812年，为现代计算机的发明做出过重要贡献的英国数学家查尔斯·巴贝奇(CharlesBabbage，1792—1871)开始考虑设计机械操纵的计算机。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史4.1847年，英国科学家乔治·布尔(George·Boole)创立了逻辑代数，亦称布尔代数。5.1925年左右，美国马萨诸塞理工学院制成了一台大型的模拟计算机，他们用齿轮的旋转角度来表示所要计算的量。6.1936年，英国科学家图灵(A1anM.Turing)，提出了可计算计算机的概念，后来人们称他描述的计算机为“图灵机”。7.1943年1月，霍华德·艾肯（HowardH.Aiken）在哈佛大学研制成功名为“ASCCMarkI”的世界上第一台通用计算机。8.1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀·埃克特(J.PrespcrEckert）博士和物理学家约翰·莫克利(JohnMauchly)博士开始着手研制“埃尼阿克”。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史2.1.2冯·诺依曼型计算机的基本结构冯·诺依曼提出计算机工作原理可概括为：“存储程序，顺序控制”。其基本思想是：(1)计算机可以使用二进制；(2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。冯·诺依曼提出的“存储程序原理”，导致现代意义的计算机的诞生。主要由5部分组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史2.1.3第一台现代电子数字计算机的诞生1946年2月5日，是人类文明历史上的重要转折点。世界上第一台真正的现代电子数字计算机“ENIAC”研制成功了（图2-4）。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史图2-4工作人员在ENIAC计算机上编程（1946）ENIAC的计算速度比以前的计算工具有了显著的提高，每秒钟可作5000次加法或400次乘法。2.1.4现代计算机发展的四个阶段1.采用电子管计算机的第一代计算机（1946—1957）在20世纪50年代左右，第一代计算机都采用电子管(或称为真空管)元件（图2-5）。第一代计算机不具有现在所熟悉的操作系统。每个应用程序的操作指令是为特定任务而编制的，要包含输入、输出和处理各个方面所必须的各种指令。另外，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。2.采用晶体管的第二代电子计算机（大约1958—1965）§2.1从历史走向未来——计算机的发展史导电性能介乎于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体，这类物质最常见的便是由硅（Silicon）（或锗）材料制成(图2-6、图2-7)。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史图2-51904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生图2-6电子芯片、晶体管和LED都是由半导体材料制成图2-7硅和锗

在元素周期表

中的表示2.采用晶体管的第二代电子计算机（1958—1964）在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，以单词、语句和数学公式代替了晦涩难懂的二进制机器码，使计算机编程更容易。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史图2-8IBM公司于1959年生产的IBM7090型是采用晶体管的第二代电子计算机3.采用集成电路的第三代计算机（1965—1970）1964年4月IBM360系统问世，使它成为使用集成电路的第三代电子计算机的里程碑式的产品（图2-10）。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史图2-10用于美国航空和航天局(NASA)的IBM360计算机（1964）4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年至今）目前超大规模集成电路(VLSI)可在硬币大小的芯片上容纳上千万个乃至更多的元器件，如此高的集成度使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断得到增强。在20世纪80年代发生的特别重要事件是个人计算机（PC）的问世与普及。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史图2-11世界上第一台个人计算机IBMPC(1981)图2-12Apple公司生产的iMac计算机2.1.5超级计算机超级计算机（Supercomputer）又称高性能计算机，是指计算能力（尤其是计算速度）为世界顶尖的电子计算机。超级计算机的创新设计在于把复杂的工作细分为可以同时处理的工作并分配于不同的处理器。超级计算机通常由数千个甚至更多的处理器（机）组成，能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂任务。§2.1从历史走向未来——计算机的发展史§2.2微型计算机系统微型计算机系统（微型机）是一种能自动、高速、精确地处理信息的现代化电子设备。微型机具有算术运算和逻辑判断能力，并能通过预先编好的程序来自动完成数据的加工处理。微型机具有体积小、重量轻、维护简单方便、价格低廉、软件丰富和操作简便等优点。微型机根据工艺结构、外观形式和应用目的，可分为台式机和便携式两类。§2.2微型计算机硬件系统2.2.1微型计算机系统的基本组成微型计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图2-13所示。硬件系统是指所有构成计算机的物理实体，包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。一般而言，微型计算机硬件系统由主机（包括中央处理器——CPU、主存储器）和外部设备子系统组成。§2.2微型计算机硬件系统计算机软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系统资源，控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等。§2.2微型计算机硬件系统2.2.2CPU——给你一颗奔腾的“芯”CPU（centralprocessingunit:中央处理单元)是微型计算机的最重要的一个子系统，在微型计算机中又常称为微处理器(Microprocessor)或处理器(Processor)。CPU作为计算机系统的核心，其内部结构可以分为控制器、运算器和寄存器三个部分，如图2-14所示。人们常常用二进制位的位数(bit)来表示CPU的字长。从信息传送的角度来看，CPU为了进行数据传递和通信，设置了内部总线，用于各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，以传递数据信息、地址信息和控制信息。§2.2微型计算机硬件系统§2.2微型计算机硬件系统图2-14CPU主要由控制器、

运算器和寄存器组成图2-15计算机的总线结构数据总线用来传送数据信息，是双向的。未来的微处理器性能的提高主要来自于芯片上处理器核数量的增加，而不仅是依赖于单处理器速度的提高。因为处理器的实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。§2.2微型计算机硬件系统图2-16多核处理器的结构2.2.3主存储器1.基本概念主存储器(mainmemory)是计算机内部的主要存储器，所以又简称为主存或内存，用于存放CPU正在处理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问的存储器，如图2-19所示。在计算机主存储器中存放二进制位的电路称为存储单元(cell)，是可管理的最小存储单位。一个典型的存储单元的容量是8位(8bit)，即一个字节(by-

te)。§2.2微型计算机硬件系统当数据块、指令、程序和计算结果被存放到内存时，它们会被存放到一个或多个连续的地址中，这取决于数据的大小。§2.2微型计算机硬件系统图2-19CPU可直接访问主存储器图2-20系统目录表提供了内存中每个

程序和数据块的第一个数据的起始

地址和所占用的地址数目2.存储器容量的标识计算机主存储器中存储单元的总数是2的方幂，主要原因是方便设计。存储容量的大小通常以210（1024）个存储单元为度量单位。常用的存储容量标识单位如表2-1所示。§2.2微型计算机硬件系统3.主存储器的分类主存储器从存取功能上可分为只读存储器(ROM，即ReadOnlyMemory)和随机存储器(RAM，即RandomAccessMemory)两大类。只读存储器（ROM）中的内容在任何时候都可以读取，但是不可擦写和更改，数据和程序将会被永久地保存在其中，即使是关闭计算机，ROM的数据也不会丢失，也就是说，它是非易失性的。随机存储器（RAM）是可读写存储器，即可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不再保存，再次开机需要重新装入，也就是说，RAM中的数据是易失性的。§2.2微型计算机硬件系统§2.3外部存储设备2.3.1外部存储系统的基本概念1.存储系统的组成所有的存储系统都包括两个物理部分：一个是存储设备，另一个是存储介质。2.固定存储系统与移动存储系统存储系统可以分为固定存储系统与移动存储系统，在固定存储系统中，存储设备通常安装或配置在计算机系统内部，相关的存储介质在计算机读/写之间必须插入存储设备中，例如硬盘驱动器与光盘驱动器。外部存储系统一般是独立的、可移动的，通过专用接口与计算机相连，典型的设备如U盘、光盘等。§2.3外部存储设备3.易失性与非易失性存储器易失存储器就是指那些断电后数据就会失去的存储器，例如RAM。相对于非易失存储器，非易失存储器就是指那些断电后数据仍然能保留的存储器。2.3.2磁存储系统1.硬盘存储系统硬盘存储系统是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上（图2-22）。§2.3外部存储设备§2.3外部存储设备2.磁盘冗余阵列RAID独立磁盘冗余阵列（RAID，RedundantArrayofIndependentDisks）简称磁盘阵列，简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术。磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术，称为RAIDLevel，而每一level代表一种技术，目前业界公认的标准是RAID0~RAID5。RAID系统常被用在服务器电脑上，并且常使用完全相同的硬盘作为组合。§2.3外部存储设备§2.3外部存储设备§2.3外部存储设备2.3.3光盘存储系统对光存储介质最基本的要求，就是存储单元的某种性质可以用某种方法改变以代表被存储的数据，同时这种性质可用光的方法检测出来。光盘存储介质具有存储容量大、保存时间长等优点。蓝光光盘（Blu-rayDisc，简称BD）是DVD之后的下一代光盘格式之一，用以储存高品质的影音以及高容量的资料储存。§2.3外部存储设备2.3.4非易失性存储器非易失性存储器中，依内存内的资料是否能在使用电脑时随时改写为标准，可分为两大类产品，即ROM和Flashmemory。CD光盘的表面的存储位（凹痕）DVD光盘的表面的存储位（凹痕）图2-26光盘表面上的物理凹痕用来存储和表示0和1信号§2.3外部存储设备2.3.5存储系统的数据校验方法1.“奇偶校验”法这种方法是在每一字节中加上一个奇偶校验位，用来指示之前的数据中包含奇数个1还是偶数个1的检验方式，即每个字节发送９位数据。奇校验时，校验位按如下规则设定：假如每字节的数据位中“1”的个数为奇数，则校验位为“0”，若为偶数，则校验位为“1”，即使得包括校验位“1”的总数为奇数，其计算过程如表22所示。而偶校验是在每个字节后增加一个附加位，使得“1”的总数为偶数。2.奇偶校验在RAID中的应用一些冗余磁盘阵列（RAID）使用奇偶校验块实现冗余。如果阵列中的一块磁盘出现故障，工作磁盘中的数据块与奇偶校验块一起来重建丢失的数据。如图2-27所示。§2.3外部存储设备§2.3外部存储设备如果第2块磁盘出现故障，A2将不能被访问，但是可以通过A1、A3与Ap数据的异或进行重建，其过程如表2-3所示：§2.3外部存储设备§2.4输入/输出子系统2.4.1计算机输入设备输入设备可以将外部信息（如文字、数字、声音、图像、程序、指令等）转变为数据输入计算机中，以便加工、处理。1.键盘通过键盘可以将信息转换为数据，输入计算机中。2.鼠标3.扫描仪扫描仪是继键盘和鼠标之后的又一个重要的计算机输入设备。§2.4输入/输出子系统三维扫描仪(3Dscanner)是一种用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）的新型输入设备。4.触摸屏触摸屏是一种附加在显示器上的辅助输入设备。5.手写输入设备手写输入系统由书写板和输入笔组成，系统先读取书写板上的笔迹信息，分析笔画特征，在识别字库中找到这个字，再把识别的汉字显示在编辑区中。6.图像与视频输入设备§2.4输入/输出子系统2.4.2计算机输出设备1.显示器2.打印机打印机是将计算机处理结果输出为可见的字符和图像。按打印方式分，主要有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机等。按用途分，有通用打印机、网络打印机和专用打印机。按色彩分，有单色打印机和彩色打印机。按打印维度分，有二维平面打印机和三维物体打印机。§2.4输入/输出子系统3.绘图仪绘图仪也是比较常用的一种图形输出设备，它可以在纸上或其他材料上画出图形。绘图仪在绘图时接受主机发来的命令，这些命令放在一个存储器中，由控制器根据命令发出水平方向、垂直方向、抬笔或者落笔等动作命令。2.4.3外部设备接口微型计算机的CPU为了和外部设备进行信息交换，必须和种类千差万别的外围设备达到速度匹配。接口是设备与计算机或其他设备连接的端口，是一组电气连接和信号交换标准。§2.4输入/输出子系统接口主要用来传送电气信号，在信号中，有一部分是数据信号，其余是控制信号或状态信号，它们都是为传输数据服务的。数据的传输方式基本分为两种，一种是用一条线（或一对线）用来传送数据，这种叫串行传输接口。在计算机行业中最早出现的串行接口标准是RS232标准，这个标准直到现在还在计算机上使用，如COM1，COM2接口。如果用几条线来同时传输数据，这就叫作并行接口（ParallelPort）(图2-33)。§2.4输入/输出子系统USB(UniversalSerialBus)是一种通用串行总线接口，USB2.0接口标准被称为高速USB，其理论传输速度为480Mbps。§2.4输入/输出子系统计算机是信息处理的主要工具。从世界上第一台电子计算机问世至今，计算机技术得到了飞速的发展，计算机成为人类走向信息时代的最锐利的武器。本章力图能够反映出这些变化和进展。计算机是今天社会生活中的一个标志性的科学工具。它的发展历史也是半个多世纪人类科学技术进步的一个具有典型意义的缩影。在认识计算机发展过程中也能够认识到计算机的组成及其原理。把计算机的程序存放在主存储器里的思想称为存储程序概念，它已经成为今天所使用的标准方法。如果今天人们仍不知道这个概念的话，那么计算机科学的发展可能还在原地踏步。尽管几十年来，从计算机原理的角度看，计算机并没有特别大的变化，但实现这个原理的技术却飞速发展。本章小结通常所说的计算机，实际上是指一个计算机系统。所谓计算机系统是指由计算机硬件和计算机软件构成的一个完整的系统。硬件和软件是相辅相成的，缺一不可，它们共同构成计算机系统。计算机硬件系统是主机、存储器、输入、输出等物理设备的集成，这些设备完成输入、处理、存储和输出数据和信息的功能。本章小结一、思考题１.计算机发明的历史进程中发生了哪些重大事件，从中我们能得到哪些启示？1.1642至1643年，巴斯卡(BlaisePascal)发明了一个用齿轮运作的加法器。2.1674年，德国数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出了“二进制”数的概念。3.1812年，为现代计算机的发明做出过重要贡献的英国数学家查尔斯·巴贝奇(CharlesBabbage，1792—1871)开始考虑设计机械操纵的计算机。4.1847年，英国科学家乔治·布尔(George·Boole)创立了逻辑代数，亦称布尔代数。5.1925年左右，美国马萨诸塞理工学院制成了一台大型的模拟计算机，他们用齿轮的旋转角度来表示所要计算的量。6.1936年，英国科学家图灵(A1anM.Turing)，提出了可计算计算机的概念，后来人们称他描述的计算机为“图灵机”。7.1943年1月，霍华德·艾肯（HowardH.Aiken）在哈佛大学研制成功名为“ASCCMarkI”的世界上第一台通用计算机。8.1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀·埃克特(J.PrespcrEckert）博士和物理学家约翰·莫克利(JohnMauchly)博士开始着手研制“埃尼阿克”。面向未来，不惧怕未来思考与练习一、思考题２.计算机的发展经历了哪几个阶段？其划分的依据是什么？现在普遍使用的台式计算机、笔记本及平板电脑等属于第几代计算机？电子计算机的发展已经历了四代，正向第五代智能化的计算机发展。

前四代计算机是：第一代为电子管计算机;第二代机是晶体管计算机;第三代机是由中小规模集成电路组成的计算机;第四代机是由大规模或超大规模集成电路组成的计算机.各代电子计算机的特点是:(1)电子管计算机的主要特点是：体积庞大，运算速度低，成本高。(2)晶体管计算机的主要特点是：体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高。(3)中小规模集成电路计算机的主要特点是：体积更小、速度更快、能耗更小、可靠性更高。(4)大规模和超大规模集成电路计算机的主要特点是：网络普及与应用3.请简述冯·诺依曼所提出的现代存储程序式计算机的基本结构和工作原理。基本结构由5部分组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。工作原理可概括为：“存储程序，顺序控制”。其基本思想是：(1)计算机可以使用二进制；(2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。思考与练习一、思考题4.微型计算机硬件系统包括哪几个主要部分？一般而言，微型计算机硬件系统由主机（包括中央处理器——CPU、主存储器）和外部设备子系统组成，即微处理器（控制器、运算器和寄存器），主存储器，输入设备和输出设备。5.CPU由哪几部分组成，各部分的主要功能是什么？可以分为控制器、运算器和寄存器三个部分6.什么是多核心处理器？它是如何提高计算机处理器性能的？多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核CPU)处理器的实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。7.简述计算机各总线的作用。7.简述计算机各总线的作用。从信息传送的角度来看，CPU为了进行数据传递和通信，设置了内部总线，用于各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，以传递数据信息、地址信息和控制信息。计算机总线分为内部总线,外部总线和系统总线.内部总线是计算机内部各外围芯片与CPU之间的总线,用于芯片一级的互连;系统总线是计算机中各插队件板与系统板之间的总线,用于插件板一级的互连;外部总线则是计算机和外部设备之间的总线,计算机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,思考与练习一、思考题8.为什么RAM中的数据具有易失性？随机存储器（RAM）是可读写存储器，即可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不再保存，再次开机需要重新装入，也就是说，RAM中的数据是易失性的。９.非易失性存储器是一个新概念，它与静态随机存储器、动态存储器有何区别？非易失性存储器中，依内存内的资料是否能在使用电脑时随时改写为标准，可分为两大类产品，即ROM和Flashmemory。非易失性读写存储器(Nonvolatile

Read-Write

Memory)的结构实际上与ROM一样。它的存储内核是由一个放在字线/位线网格上的晶体管阵列构成的。存储器通过有选择地使其中某些器件有效或无效来进行编程；在ROM中，这是通过掩模层的变化来完成的；而在非易失性读写存储器(NVRW)中则用结构经过修改的晶体管（浮栅晶体管）来代替。Flash

EEPROM

的概念在1984年由Masuoka等提出，并很快发展成为应用最普遍的非易性存储器结构。Flash

EEPROM

是EPROM

和EEPROM

方法的结合，大多数Flash

EEPROM器件采用雪崩热电子注入的方法来编程器件；擦除则和EEPROM单元一样，采用FN隧穿(Fowler-Nordheim)来完成的。它集中了两者的优点，既具有像EPROM一样的单管结构，又沿用了传统EPROM热电子隧道效应的编写机制，并具有EEPROM在线、冷电子隧道效应的擦除机制。思考与练习一、思考题10.磁介质为何能存储信息？磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上。这些盘片一般是在以铝为主要成分的片基表面涂上磁性介质所形成，在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆就被划分成磁道（track），每个磁道又被划分为若干个扇区（sector），数据就按扇区存放在硬盘上。在每一面上都相应地有一个读写磁头（head），所以不同磁头的所有相同位置的磁道就构成了所谓的柱面（cylinder）。传统的硬盘读写都是以柱面、磁头、扇区为寻址方式的（CHS寻址）。硬盘在上电后保持高速旋转，位于磁头臂上的磁头悬浮在磁盘表面，可以通过步进电机在不同柱面之间移动，对不同的柱面进行读写。磁表面存储器，磁表面存储器是在金属或塑料基体上涂敷一层磁性材料，利用磁层在不同方向的磁场作用下的两种剩磁状态表示0、1存贮信息，通过专门的读写信息的元件——磁头来读、写信息。在磁表面存储器中，磁盘的存取速度较快，具有较大的存贮容量。磁盘存储器是目前应用最广泛的外部存储器。

硬盘是73年发明的，软盘是71年发明的，两项荣誉都归于蓝色巨人11.计算机主存储器与硬盘相比，在存储方面有什么特点？构成主存储器的单元部件是动态RAM，容量小，速度快，即内存，硬盘容量大，速度慢，属于外存内存是RAM,随机存储器，断电无法保存数据，但是读写速度快。计算机读写数据的过程是需要不断匹配的，从硬盘--内存--CPU二级缓存--CPU一级缓存--CPU思考与练习一、思考题12.什么是RAID？RAIDLevel分为几级？独立磁盘冗余阵列（RAID，RedundantArrayofIndependentDisks）简称磁盘阵列，简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术。磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术，称为RAIDLevel，而每一level代表一种技术，目前业界公认的标准是RAID0~RAID5。RAID系统常被用在服务器电脑上，并且常使用完全相同的硬盘作为组合。13.为什么要对存储系统的数据进行校验？不带奇偶校验的内存每个字节只有8位，如果其某一位存储了错误的值，就会导致其存储的相应数据发生变化，进而导致应用程序发生错误。而奇偶校验就是在每一字节（8位）之外又增加了一位作为错误检测位。在某字节中存储数据之后，在其8个位上存储的数据是固定的，因为位只能有两种状态1或0，假设存储的数据用位标示为1、1、1、0、0、1、0、1，那么把每个位相加（1＋1＋1＋0＋0＋1＋0＋1＝5），结果是奇数，那么在校验位定义为1，反之为0。当CPU读取存储的数据时，它会再次把前8位中存储的数据相加，计算结果是否与校验位相一致。从而一定程度上能检测出内存错误，奇偶校验只能检测出错误而无法对其进行修正，同时虽然双位同时发生错误的概率相当低，但奇偶校验却无法检测出双位错误。思考与练习信息校验方法：MD5和CRCMD5的全称是Message-DigestAlgorithm5，在90年代初由MIT的计算机科学实验室和RSADataSecurityInc发明，由MD2/MD3/MD4发展而来的。MD5的实际应用是对一段Message(字节串)产生fingerprint(指纹)，可以防止被“篡改”。举个例子，天天安全网提供下载的MD5校验值软件WinMD5.zip，其MD5值是1e07ab3591d25583eff5129293dc98d2，但你下载该软件后计算MD5发现其值却是81395f50b94bb4891a4ce4ffb6ccf64b，那说明该ZIP已经被他人修改过，那还用不用该软件那你可自己琢磨着看啦。

MD5广泛用于加密和解密技术上，在很多操作系统中，用户的密码是以MD5值（或类似的其它算法）的方式保存的，用户Login的时候，系统是把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和系统中保存的MD5值进行比较，来验证该用户的合法性。MD5的全称是Message-DigestAlgorithm5，在90年代初由MIT的计算机科学实验室和RSADataSecurityInc发明，由MD2/MD3/MD4发展而来的。MD5的实际应用是对一段Message(字节串)产生fingerprint(指纹)，可以防止被“篡改”。举个例子，天天安全网提供下载的MD5校验值软件WinMD5.zip，其MD5值是1e07ab3591d25583eff5129293dc98d2，但你下载该软件后计算MD5发现其值却是81395f50b94bb4891a4ce4ffb6ccf64b，那说明该ZIP已经被他人修改过，那还用不用该软件那你可自己琢磨着看啦。

MD5广泛用于加密和解密技术上，在很多操作系统中，用户的密码是以MD5值（或类似的其它算法）的方式保存的，用户Login的时候，系统是把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和系统中保存的MD5值进行比较，来验证该用户的合法性。14.光存储介质存储信息的原理是什么？光盘存储技术是利用激光在介质上写入并读出信息。这种存储介质最早是非磁性的，以后发展为磁性介质。在光盘上写入的信息不能抹掉，是不可逆的存储介质。用磁性介质进行光存储记录时，可以抹去原来写入的信息，并能够写入新的信息，可擦可写反复使用。工作时，将主机送来的数据经编码后送入光调制器，调制激光源输出光束的强弱，用以表示数据1和0；再将调制后的激光束通过光路写入系统到物镜聚焦，使光束成为1大小的光点射到记录介质上，用凹坑代表1，无坑代表0。读取信息时，激光束的功率为写入时功率的1/10即可。读光束为未调制的连续波，经光路系统后，也在记录介质上聚焦成小光点。无凹处，入射光大部分返回；在凹处，由于坑深使得反射光与入射光抵消而不返回。这样，根据光束反射能力的差异将记录在介质上的“1”和“0”信息读出。15.从光盘的存储原理和结构上分析，为何DVD比CD的存储容量要大得多？通过激光束来读取。随着轨道密度的增加及使用的激光束波长越来越短，光盘的存储容量呈倍数增长。以前的CD光盘及VCD光盘只能进行单面数据存储，而如今的DVD光盘不仅可以进行单面存储，而且可以进行双层储存，最高版本的达到双面双层，共四层储存空间。一张普通单面DVD光盘的存储量为1.7GB，大约是一张普通VCD容量（640MB）的7倍，而四层DVD可以将存储空间扩大到8.5GB。

思考与练习多种DVD技术规格CD-ROM能存放650兆比特数据,也就是0.64千兆字节或6.8亿字节.在下面的列表里,SS/DS表示单面/双面,SL/DL/ML表示单层/双层/混合层(混合层是指盘片一个面有一层,另一个面有两个层),gig就是千兆(2^30),BB表示十亿字节(10^9).参阅giga和billion7.2.

DVD不同于CD，DVD是可以有多个层面的。DVD-5是指单面单层的DVD，也是最常见的DVD。它的容量大约是4.7GB，接近于5GB，所以就叫做DVD-5。

DVD-9是指单面双层DVD，是指在一面DVD中包含两个信息层，两层的容量合计约8.5GB。DVD-9的好处就是可以用一张碟片存储一部120分钟的高质量电影，而不需要中途手动换碟。不过，有些早期的DVD播放器和光驱并不支持DVD-9。

DVD-10是一种双面DVD，一般称其为双面单层，说得通俗一点，就是将两片DVD-5背对背的粘在一起，实现了最大9.4GB的容量。不过DVD-10的缺点就是需要手动换面，目前还没有任何一种播放器支持自动换面。

DVD-18是双面双层碟片的简称，如同DVD-10是两片DVD-5制成的一样，DVD-18就是两片DVD-9制成，最高容量17GB左右，是目前最大的DVD光盘，市面上极为少见。16.计算机有哪些常用的输入和输出设备？输入设备：键盘，鼠标，写字板，扫描仪，三维扫描仪(3Dscanner)，触摸屏，手写输入设备，图像与视频输入设备，麦克风，读卡器等

输出设备：显示器，音响，打印机，投影仪，绘图仪等17.电容式触摸屏的工作原理是什么？触摸屏是一种透明的绝对定位系统，首先它必须是透明的，透明问题是通过材料科技来解决的。其次是它能给出手指触摸处的绝对坐标，而鼠标属于相对定位系统。绝对坐标系统的特点是每一次定位的坐标与上一次定位的坐标没关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的位置转换为屏幕上的坐标。

触摸屏的基本原理如下：触摸屏的本质是传感器，用户用手指或其他物体触摸安装在显示器上的触摸屏时，被触摸位置的坐标被触摸屏控制器检测，并通过通信接口(例如S-232C或RS一485串行口)将触摸信息传送到PLC，从而得到输入的信息。

触摸屏系统一般包括两个部分：触摸检测装置和触摸屏控制器。触摸检测装置安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，再将该处的信息传送给触摸屏控制器：触摸屏控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，判断出触摸的意义后送给PLC，它同时能接收PLC发来的命令并加以执行。例如动态地显示开关量和模拟量。思考与练习18.计算机与外部设备的接口及标准有哪些？它们的主要功能是什么？接口是设备与计算机或其他设备连接的端口，是一组电气连接和信号交换标准。接口主要用来传送电气信号，在信号中，有一部分是数据信号，其余是控制信号或状态信号，它们都是为传输数据服务的。数据的传输方式基本分为两种，一种是用一条线（或一对线）用来传送数据，这种叫串行传输接口。在计算机行业中最早出现的串行接口标准是RS232标准，这个标准直到现在还在计算机上使用，如COM1，COM2接口。如果用几条线来同时传输数据，这就叫作并行接口（ParallelPort）USB(UniversalSerialBus)是一种通用串行总线接口，USB2.0接口标准被称为高速USB，其理论传输速度为480Mbps。微机中一般提供的接口有标准接口和扩展槽接口。标准接口操作系统一般都认识，插上有关的外部设备，马上可以使用，真正做到“即插即用”。在微机中标准接口一般有：键盘与显示器接口，并行接口，两个串行COM1、COM2端口，TS/2接口和USB接口等。19.串行传输与并行传输的各自特点是什么？并行数据传输:是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输.一个编了码的字符通常是由若干位二进制数表示,如用ASCII码编码的符号是由8位二进制数表示的,则并行传输ASCII编码符号就需要8个传输信道,使表示一个符号的所有数据位能同时沿着各自的信道并排的传输.串行数据传输:是在传输中只有1个数据位在设备之间进行的传输.对任何一个由若干位二进制表示的字符,串行传输都是用一个传输信道,按位有序的对字符进行传输.区别:串行传输的速度比并行传输的速度要慢得多,但费用低.并行传输适用距离短,而串行传输适用远距离传输.思考与练习二、计算题1.某计算机地址总线宽度为32位，这台计算机能够寻址的内存单元是多少?2^10.2^10.

2^10.

2^2=4G（个）2.某存储芯片的地址线为24条，则该内存条的容量是多少？2^10.2^10.2^4*8=128M3.某存储器容量为10M，试计算能够存储多少中文字符（每个中文字符占2个字节）？2^10.2^10.10/(2*8)=2^6.2^10.10=320K=327680(个)4.内存按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，共有多少个字节？若用存储容量为32k的存储器芯片构