第二章 计算机硬件系统与信息存储 2．1计算机系统组成 中央处理器、计算机、计算机系统这三者的概念是不同的，是计算机从局部到全局的三个不同的层次。中央处理器一般也称为CPU，是计算机的核心，具有运算能力和控制功能；计算机由CPU、内存储器、输入输出接口电路和系统总线构成，通常称为计算机主机；以计算机为主体，配上外设和系统软件之后，才构成了计算机系统。我们通常所说的”计算机”，其准确的名称应该是计算机系统。 2．1．1计算机系统的基本构成 一个完整的计算机系统包括两大部分，即硬件系统和软件系统。其基本组成如下图所示：  1．计算机硬件系统 计算机硬件系统是指构成计算机的物理装置，看得见、摸得着，是一些实实在在的有形实体。从硬件体系结构来看，计算机硬件系统采用的基本上还是计算机的经典结构——冯·诺依曼结构，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成，采用总线结构将各部分连接起来，见图2-2所示，其中的运算器和控制器构成了计算机的核心部件——中央处理器（Center Process Unit，简称CPU）。 运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算；控制器是CPU的指挥中心，它能翻译指令的含义，控制并协调计算机的各个部件完成指令指定的操作；存储器是具有记忆功能的部件，用于存放程序和数据；输入设备是把程序和数据输入计算机的硬件装置，常用的有：键盘、鼠标、扫描仪、条形码阅读器、光笔；输出设备负责将运算的结果输出，常用的有：显示器、打印机、绘图仪等。  2．计算机软件系统 只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为“裸机”，裸机几乎是不能工作的。要使计算机能正常工作还必须要有相应的软件支撑。我们把计算机的程序、要处理的数据及其有关的文档统称为软件。计算机功能的强弱不仅取决于它的硬件构成，也取决于软件配备的丰富程度。 计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机系统必备的软件，主要功能是管理、控制和维护计算机软、硬件资源，由计算机厂商或软件公司提供。系统软件包括：操作系统、各种语言处理程序、数据库管理系统、网络管理软件。 操作系统是系统软件中最重要的部分，其功能是对计算机系统的全部硬件和软件资源进行统一管理、统一调度、统一分配。操作系统通过进行处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和作业管理这五大管理功能实现对计算机各种资源的合理调度与分配，改善资源的共享和利用状况，最大限度地发挥计算机的效率，提高计算机在单位时间内处理工作的能力。操作系统为用户提供了一个操作方便的环境，是用户与计算机的接口，同时又是用户进行软件开发的基础，其他的系统软件和应用软件必须在操作系统的支持下才能合理调度工作流程，正常的工作。 应用软件：为解决某个实际问题而由软件公司或用户自己编写的程序。可分为用户程序和应用软件包。一般有文字处理软件、表格处理软件、图形处理软件、计算机辅助软件（CAD、CAM、CAI）等。 2．1．2计算机的基本工作原理 1. 存储程序和程序控制原理 冯．诺依曼（Von Nenmann）是美籍匈牙利数学家、现代电子计算机的奠基人之一，他在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，就是“存储程序和程序控制”。这种设想的具体化，使当代电子计算机的发展发生了质的变化，它使电子计算机不但能对操作数进行快速的运算，而且也能快速地解释和执行构成程序的指令；同时提供了可以随意或者根据当前运算结果进行程序转移的的灵活性。这种灵活性的意义，可以说远远超过了快速性，因为它赋予计算机逻辑判断的能力，突破了把电子计算机只用作一种快速计算工具的局限。几十年来，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言，仍然是根据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。冯·诺依曼体系结构的思想可以概括为以下几点： ①由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本部分组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。 ②计算机内部采用二进制来表示数据和指令。 ③将程序和数据存入内部存储器中，计算机在工作时可以自动逐条取出指令并加以执行。 计算机能够自动地完成各种数值运算和复杂的信息处理过程的基础就是存储程序和程序控制原理。 2．指令和程序 计算机之所以能自动、正确地按人们的意图工作，是由于人们事先已把计算机如何工作的程序和原始数据通过输入设备送到计算机的存储器中。当计算机执行时，控制器就把程序中的“命令”一条接一条地从存储器中取出来，加以翻译，并按“命令”的要求进行相应的操作。 当人们需要计算机完成某项任务的时候，首先要将任务分解为若干个基本操作的集合，计算机所要执行的基本操作命令就是指令，指令是对计算机进行程序控制的最小单位，是一种采用二进制表示的命令语言。一个CPU能够执行的全部指令的集合就称为该CPU的指令系统，不同CPU的指令系统是不同的。指令系统的功能是否强大、指令类型是否丰富，决定了计算机的能力，也影响着计算机的硬件结构。 每条指令都要求计算机完成一定的操作，它告诉计算机进行什么操作、从什么地址取数、结果送到什么地方去等信息。计算机的指令系统一般应包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、转移指令、输入输出指令和处理机控制指令等。一条指令通常由两个部分组成，即操作码和操作数。操作码用来规定指令应进行什么操作，而操作数用来指明该操作处理的数据或数据所在存储单元的地址。 操作码 操作数   人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合就称为程序。指令的不同组合方式，可以构成完成不同任务的程序。 3．计算机的工作过程 计算机的工作过程就是执行程序的过程。在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的程序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执行指令。执行一条指令的过程是： ①取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存； ②分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的操作； ③执行指令：CPU向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作。 重复上述步骤，直到遇到结束程序的指令为止。其过程如图2-4所示。 取指令1 分析指令1 执行指令1 取指令2 分析指令2 执行指令2 ……   程序的这种执行方式称为顺序执行方式，早期的计算机系统均采用这样的执行方式。该方式的优点是控制系统简单，设计和实现容易；缺点是处理器执行程序的速度比较慢，因为只有在上一条指令执行完后，才能取出下一条指令并执行，而且计算机各个功能部件的利用率较低。在计算机中，取指令、分析指令、执行指令是由不同的功能部件完成的，如果按照图2-4的流程工作，则在取指令时，分析指令和执行指令的部件处于空闲状态，同样，在执行指令时，取指令和分析指令的操作也不能进行。这样，计算机各个部件的功能无法充分发挥，致使计算机系统的工作效率较低。 为了提高计算机的运行速度，在现代计算机系统中，引入了流水线控制技术，使负责取指令、分析指令和执行指令的部件并行工作。其程序执行过程如图2-5所示。 取指令1 取指令2 取指令3 取指令4 取指令5 ……   分析指令1 分析指令2 分析指令3 分析指令4 ……    执行指令1 执行指令2 执行指令3 ……   假如这三个功能部件的完成操作所用的时间相等，那么，当第一条指令进入执行部件时，分析部件开始对第二条指令进行分析，取指部件也开始从内存取第三条指令。如果不考虑程序的转移情况，程序的顺序执行方式所需要的时间大约为并行方式的3倍。 4．兼容性 某一类计算机的程序能否在其他计算机上运行，这就是计算机“兼容性”问题。比如，Intel公司和AMD公司的生产的CPU ，指令系统几乎一致，因此它们相互兼容。而苹果公司生产的Macintosh计算机，其CPU采用Motorola公司的PowerPC微处理器，指令系统大相径庭，因此无法与采用Intel公司和AMD公司CPU的PC机兼容。 即便是同一公司的产品，由于技术的发展，指令系统也是不同的。如Intel公司的产品经历8088→80286→80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→PentiumIV。每种新处理器包含的指令数目和种类越来越多，通常采用“向下兼容”的原则，即新类型的处理器包含旧类型处理器的全部指令，从而保证在旧类型处理器上开发的系统能够在新的处理器中被正确执行。 2．2微型计算机的结构 在对计算机的体系结构和工作原理有了整体了解的基础上，本节我们将对计算机的各个部分的构成和基本工作原理进行介绍。由于在各种类型的计算机中，应用最广泛、也是我们接触最多的是微型计算机，因此本节我们以微型计算机为对象来介绍。 2．2．1 微型计算机的主机结构 1．微型机主机的逻辑构成 微型计算机主要由微处理器、内存储器、输入/输出接口、各种输入/输出设备组成，由总线将各部分连接在一起。其逻辑构成如图2-6所示。 微型计算机的主机系统主要由微处理器、内存储器、输入/输出接口和总线四个部分组成。  微处理器（Microprocessor） 微处理器是计算机硬件系统的核心部件，负责控制和协调整个计算机系统的工作。利用大规模集成电路技术把运算器、控制器及内部寄存器组集成在一块半导体芯片上，也称为中央处理单元（CPU），现代微处理器中还包含高速缓冲存储器（Cache）。 目前大多数微型计算机的CPU都是美国Intel公司的产品，其系列产品由早期的8088/8086到现在最新型的Pentium Ⅳ。 CPU主要包括以下三部分： 控制器 控制器是计算机的控制指挥中心，它协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能是识别和翻译指令代码，安排操作的先后顺序，产生相应的操作控制信号，控制数据的流动方向，保证计算机各部件有条不紊的协调工作。控制器由指令计数器、指令寄存器、指令译码器、操作控制器等部分组成。 运算器 运算器是对数据进行加工、运算的部件，它接受控制器的指示，按照算术运算规则进行加、减、乘、除、比较等算术运算，还进行与、或、非等逻辑运算。运算器由算术逻辑部件、数据寄存器、累加器等部分组成。 内部寄存器 微处理器有多种寄存器：指令寄存器IR，用于存放要执行指令的操作数；数据寄存器DR，用于暂时存放数据或指令；地址寄存器AR，用于存入指令或操作数的地址；还有若干通用寄存器，用于暂存数据或地址。 （2）内存储器 内存储器（简称内存），又称为主存储器，是微型计算机主机的组成部分，用来存放当前正在使用的或随时要使用的程序或数据。CPU可以直接访问内存。 内存由半导体存储器组成，存取速度较快，由于价格上的原因，一般容量较小。内存中含有很多的存储单元，每个单元可以存放一个8位的二进制数，即一个字节。通常一个字节可以存放0到255之间的一个无符号整数或一个字符的代码，而对于其他的大部分数据可以用若干个连续字节按一定规则进行存放。内存中的每个字节各有一个固定的编号，这个编号称为地址。CPU在存取内存储器中的数据时是按地址进行的。所谓存储器容量即指存储器中所包含的字节数，通常用KB（1KB=1024字节）、MB（1MB=1024KB）和GB（1GB=1024MB）作为存储器容量单位。 内存储器按其工作特点分为：只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。 只读存储器 只读存储器（Read Only Memory）缩写为ROM，只能读出而不能写入数据，常用来存放固定不变、重复使用的程序或数据，如存放汉字库、各种专用设备的控制程序等。最典型的是ROM BIOS（基本输入/输出系统），其中部分内容适用于启动计算机的指令，内容固定但每次开机时都要执行。 只读存储器除了ROM外，还有PROM（Programmable ROM）、EPROM（Erasable Programmable ROM）、EEPROM、闪速存储器（Flash Memory）等类型。PROM是可编程只读存储器，它在制造时不把数据和程序写入，而是由用户根据需要自行写入，一旦写入，就不能再次修改；EPROM是可光擦除可编程只读存储器，与PROM器件相比，EPROM器件是可以反复多次擦除原来写入的内容，重新写入新内容的只读存储器，但EPROM与RAM不同，虽然其内容可以通过擦除而多次更新，但只要更新固化以后，就只能读出，而不能象RAM那样可以随机读出和写入信息；EEPROM是电可擦除可编程只读存储器，它与EPROM的功能相同，但其擦除与编程方面却更加方便。不论哪种ROM，其中存储的信息不受断电的影响，具有永久保存的特点。 随机存取存储器 随机存储器（Random Access Memory）缩写为RAM，它是一种读写存储器，其内容可以根据需要随时读出，也可以随时重新写入新的信息，其存取任一单元所需的时间相同。在微机中RAM主要用来存放正在执行的程序和临时数据。随机存储器可以分为静态RAM和动态RAM两种。 ①静态存储器SRAM（Static RAM）：静态RAM是利用双稳态的触发器来存储“1”和“0” 的。“静态”的意思是指它不需要像DRAM那样经常刷新。所以，SRAM比任何形式的DRAM都快得多，也稳定得多。但SRAM的价格比DRAM贵得多，所以只用在特殊场合（如高速缓冲存储器Cache）。 ②动态存储器DRAM（Dynamic RAM）：动态RAM是利用MOS管极间电容来保存信息的，因此随着电容的漏电，信息会逐渐丢失，为了补偿信息的丢失，需要周期性地给电容充电（称为刷新）。这种存储器集成度较高、价格较低，但由于需要周期性地刷新，存取速度较慢。一种叫做SDRAM的新型DRAM，由于采用与系统时钟同步的技术，所以比普通DRAM快的多。当今，多数计算机的内存用的都是DDR（Doubel Data Rate-双倍数据速率）SDRAM。 不论是静态RAM还是动态RAM，断电后，RAM中保存的信息都将全部丢失。 （3）输入/输出接口（Input/Output Interface，简称I/O接口） 计算机仅有主机是没有意义的，必须要配置相应的外部设备。但主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须通过I/O接口才能完成信息传送。I/O接口所起的作用是： 数据缓冲 解决高速主机与低速外设间的矛盾； 信号格式配合 处理外设与CPU之间的不同的信息格式，如A/D、D/A转换，串/并、并/串转换； 电平和驱动能力配合 使外设和主机的信号电平一致，并提高CPU信号的驱动能力； 时序配合 使主机与外设协调工作； 设备选择 每台外设都有设备地址，用于与其他设备区别。 因此，外部设备必须通过I/O接口才能与主机（确切地讲是与系统总线）进行数据交换。例如，我们通过键盘、鼠标、扫描仪等设备向计算机输入需要处理的信息，而通过显示器、打印机、绘图仪等来查看处理的结果，这些外部设备与主机之间的信息交换均需通过I/O接口来实现，在这里，I/O接口起着连接主机与外设的“桥梁”的作用。 I/O接口一般做成电路插卡的形式，所以通常把它们称为适配卡，如软盘驱动器适配卡、硬盘驱动器适配卡（IDE接口）、并行打印机适配卡（并口）、串行通讯适配卡（串口），还包括显示接口、音频接口、网卡接口、调制解调器使用的电话接口等。图2-7所示为计算机后面板的一些I/O接口。 （4）总线 经常听人说他的计算机硬盘是IDE总线的，光驱是SCSI总线的，主板是PCI总线的，显卡是AGP总线的，那么总线是什么？这些总线都代表什么含义呢？ 计算机的总线是计算机传输指令、数据和地址的通道，是计算机各部件联系的纽带。 按照传送信息的类型分类，总线分为：数据总线、地址总线和控制总线。 数据总线是用于在CPU与内存或输入输出接口电路之间传送数据。控制总线是传送控制器的各种控制信号，它基本上分为两类：一类是由CPU向内存或输入输出接口发送的控制信号；另一类是由内存或有关接口电路向CPU送回的状态信号。地址总线用来传送存储单元或输入输出接口的地址信号，地址总线的位数一般反映了一个计算机系统的最大内存容量。如24位总线的寻址数为个地址，即内存最大容量为16MB。 按照总线在计算机中的位置可以分为内部总线和外部总线两类。 内部总线是计算机内部各部件通信的总线，也称为系统总线，按照发展的过程分为以下几种：ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线和AGP总线。ISA总线是用于286计算机的总线标准，EISA总线是用于386计算机的总线标准，VESA是用于486计算机的总线标准，PCI总线是用于586计算机及更高机型的总线标准。AGP总线只负责控制芯片和AGP显卡之间的指令，数据和地址的传输，可以和PCI总线共存。 ?外设总线是计算机主机与外设进行通讯的总线，分为IDE总线，SCSI总线和USB总线。IDE总线是PC机上用得最多的总线，其造价比较便宜。SCSI总线的速度比IDE总线要快得多,不过成本比较高。IDE总线和SCSI总线一般只于硬盘、光驱和扫描仪等，而USB总线则可以用于更多的外设，且速度更快。一般来说,这三种外设总线是不可以混合使用的，但如果有总线转换器则可以在一定程度上混合使用,如SCSI总线就可以有向IDE总线进行转换的转换器。 PCI（Peripheral Component Interconnect外围设备互连）总线是由美国Intel公司推出的32/64位标准总线，是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并协调上下之间的接口以实现数据的传送。这种总线适应性强、速度快、数据传输率为133MB/s，可满足图形操作系统和高速网络的要求，适用于Pentium以上的微型计算机。 AGP（Accelerated Graphics Port，加速图形端口）是Intel公司推出的新一代图形显示卡专用总线，它将AGP显示卡同主板芯片组直接相连，进行点对点传输，大幅提高了电脑对3D图形的显示能力，也将原先占用的大量PCI带宽资源留给了其它PCI插卡。AGP的工作频率为66.6MHz，是现行PCI总线的一倍，最高可以提高到133MHz或更高。在AGP插槽上的AGP显示卡，其视频信号的传送速率可以从PCI总线的133MB/s提高到266 MB/s、 533MB/s、1.064 GB/s和2.128GB/s。 AGP的实现依赖两个方面，一是支持AGP的芯片组/主板，二是AGP显示卡。 图2-8是现代微型计算机中的结构示意图。图中的“北桥芯片”和“南桥芯片”是芯片组的两个部分，它们的概念和作用将在后续内容中介绍。 2．微型机主机的物理构成 计算机主机部分的大多数部件安装在主机箱内的主机板上，外部设备通过I/O接口与主机板相连。 主机板通常简称主板，它几乎集中了系统的主要核心部件，控制着整个系统中各部件之间信息的流动，能够根据系统的需要，有机地调度微机各个子系统，并为实现系统的科学管理提供充分的硬件保证。 主板上的部件主要包括CPU、控制芯片组、Cache、内存储器插槽、I/O接口、总线扩展槽、键盘/鼠标接口、软盘接口、IDE接口（用于连接硬盘和光驱）、可充电电池以及各种和跳线等。一体化主板还集成了显示卡、声卡、网络卡等部件，使用户不用再购买这类接口卡就可以组成一台多媒体个人计算机。图2-9是一个实际的主机板图。 下面简要介绍微型计算机系统主机板上的主要部件。 （1）CPU及CPU插座 CPU是整个计算机系统的核心，在主机板上它被安置在专门的CPU插座上。CPU在工作时会产生大量的热量，因此CPU安装散热器与散热风扇是必须的，不安装这些散热装置可能导致处理器过热并且会损坏CPU。由于集成化程度和制造工艺的不断提高，越来越多的功能被集成到CPU中去，使CPU管脚数量不断增加，导致插座尺寸也越来越大。CPU插座主要分为Socket和Slot两大工业标准。目前的Pentium Ⅳ微处理器采用的是Socket 478插座，将来会过渡到Socket_T（LGA775）。 （2）芯片组 人们通常把CPU看作计算机的大脑或心脏，将各种外部设备（键盘、鼠标、显示器、打印机等）视为计算机的五官和四肢，那么计算机主板上的芯片组（Chipset）就可称为计算机的神经系统。芯片组实现CPU与计算机中的所有部件互相沟通，用于控制和协调计算机系统各部件的运行，在CPU与内存、外设之间架起了一座桥梁。 就目前流行的主板结构来说，芯片组一般由两个超大规模集成电路芯片组成，按照它们在主板的不同位置，通常把两个芯片分别称作“南桥（South Bridge）”和“北桥（North Bridge）”。南北桥结构是386以来就开始采用的一种主板芯片组架构，其中北桥芯片提供对CPU、内存、AGP显卡等高速部件的支持，以及与PCI总线的桥接；南桥芯片则提供对键盘接口、鼠标接口、实时时钟控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盘驱动器接口的支持，以及与ISA总线的桥接。 芯片组是主板上最昂贵的部件。在南桥和北桥两个芯片中，北桥芯片的集成度和工作频率都比南桥芯片高，所以一些主板在北桥芯片上也设置了散热片。北桥芯片比起南桥芯片要贵许多，它决定了主板的档次和质量，因此也叫做主桥（Host Bridge），芯片组的名称往往就是以北桥芯片的型号命名的（比如Intel 845芯片组中北桥芯片的型号为Intel 82845GE），南桥芯片则往往可以根据需要任意搭配。 早期的微机由于功能比较单一，其整体性能主要决定于CPU的性能。但是，随着计算机技术的高速发展，情况已经有所变化。一台高性能的微机仅有高性能的CPU是远远不够的，芯片组作为主板的核心部分，对电脑的整体性能有着至关重要的影响。 ?近几年来，随着CPU频率急速攀升，芯片组速度也不断提高，以便为CPU和RAM、显示卡等部件提供高速通道。此外，芯片组的功能也在不断扩展，一些芯片组把显卡、声卡和网卡等许多功能电路都集成到了芯片组中。有了这种整合型的芯片组，主板上只要提供简单的控制器就能得到许多额外功能。这种整合主板不仅造价低廉，而且使整机故障率大大降低。 （3）内存储器插槽 在微型计算机的主机板上，都安装有若干个内存插槽，只要插入相应的内存条，就可构成所需容量的内存储器。 主板上内存插槽的数量和类型对系统内存的扩展能力和扩展方式有很大影响。内存插槽的线数常见的有30线、72线、168线和184线等。现在主板上大多采用184线插槽，所以配置的内存条也必须是184个引脚的。 （4）高速缓冲存储器 为了解决CPU与主存储器速度上的差异，提高计算机系统的处理速度，当今计算机中大都配有高速缓冲存储器（Cache），简称缓存。 现代微型计算机都配有两级缓存。一级缓存也叫主缓存，或内部缓存，直接设计在CPU芯片内部。一级缓存容量很小，通常在8KB ~ 64KB之间。二级缓存也叫外部缓存，不在CPU内部而是独立的SRAM芯片，其速度比一级缓存稍慢，但容量较大，多在64KB ~ 2MB之间，甚至可达到4MB。。 当CUP需要指令或数据时，实际检索存储器的顺序是：首先检索一级缓存，然后二级缓存，再往后是RAM。 （5）CMOS存储器 CMOS（本意是指互补金属氧化物半导体——一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料）是微机主板上的一块可读写的RAM芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。由于CMOS RAM芯片本身只是一块存储器，只具有保存数据的功能，所以对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序。现在多数厂家将CMOS设置程序做到了BIOS芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入CMOS设置程序方便地对系统进行设置，因此CMOS设置又被叫做BIOS设置。 （6）基本输入输出系统BIOS（BasicInput-OutputSystem） 所谓BIOS，实际上是一组固化在微机主板上的一个ROM芯片上的软件，主要保存着有关微机系统最重要的基本输入输出程序，有开机上电自检程序、系统启动自举程序和系统信息设置等。BIOS功能主要包括以下方面： 一是上电自检（Power-On Self Test ，POST），微机按通电源后，系统首先由POST程序来对内部各个设备进行检查。通常完整的POST自检将包括对CPU、640K基本内存、1M以上的扩展内存、ROM、主板、CMOS存贮器、串并口、显示卡、软硬盘子系统及键盘进行测试，一旦在自检中发现问题，系统将给出提示信息或鸣笛警告。 二是系统初始化，包括可编程接口芯片的初始化；设置BIOS中包含的中断服务程序的中断矢量（即将中断服务程序的入口地址放入中断矢量表中）。 三是启动自举程序，系统在完成POST自检后，ROM BIOS就首先按照系统CMOS设置中保存的启动顺序搜寻软硬盘驱动器及CD-ROM、网络服务器等有效地启动驱动器，将操作系统中的初始引导程序装入内存，并由引导程序来完成操作系统的顺利启动。 四是BIOS系统设置程序，前面谈到微机部件配置记录是放在一块可读写的CMOS RAM芯片中的，主要保存着系统基本情况、CPU特性、软硬盘驱动器、显示器、键盘等部件的信息。在BIOS ROM芯片中装有系统设置程序，主要用来设置CMOS RAM中的各项参数。这个程序在系统加电后尚未进入操作系统时按下Delete（或某个特定键）即可进入设置状态，并提供了良好的界面供操作人员使用。事实上，这个设置CMOS参数的过程，习惯上也称为“BIOS设置”。 （7）总线扩展槽 主板上的总线扩展槽是CPU通过系统总线与外部设备联系的通道，系统的各种扩展接口卡都插在总线扩展槽上，如显示卡、声卡、调制解调器等。如今主板上主要预留ISA和PCI两种形式的扩展槽，PCI总线支持即插即用的功能。而专用的图形显示扩展接口AGP则要与AGP接口的显示卡配合使用。 （8）串行和并行接口 在微型计算机的主机板上都配置有串行和并行接口插座，包括RS-232串行口插座、USB串行口插座及标准并行口插座（EPP或ECP规范）。 除上述这些主要部件外，主板上还有用于连接硬盘、光盘驱动器和软盘驱动器的电缆插座（标准有IDE、EIDE、SCSI等）、键盘/鼠标接口以及许多不可缺少的逻辑部件和跳线开关等。所有这些部件的密切联系，相互沟通，实现了整个微型计算机中各部件间的信息交流。 2．2．2微型机的外部设备的使用 1．输入/输出系统概述 在计算机系统中，一般将除CPU和内存储器之外的部分成为输入/输出系统，输入/输出系统提供了处理器和外部设备进行信息交换的各种手段。在这里，外部设备可以是输入/输出设备、外部存储器、其他处理器或各种通信设备等。计算机的输入输出系统由三个部分构成：输入/输出接口、输入/输出软件、输入/输出设备。 在计算机系统中，针对不同工作速度、工作方式的外部设备，可以采用不同的输入/输出控制方式。我们从一个生活中的例子来引入输入/输出控制方式的介绍。 【例】 幼儿园一个老师带10个孩子，要给每个孩子分4块水果糖。假设要求孩子们把4块糖都吃完，那么她采用什么方法呢? 方法1： 她先给孩子甲一块糖，盯着甲吃完，然后再给第二块，等吃完第二块又给第三块，吃完第三块又给第四块。接着给孩子乙，其过程与孩子甲完全一样。依此类推，直到第10个孩子发完4块糖。看来这种方法效率太低，重要之点还在于孩子们吃糖时她一直在守候，什么事也不能干。 方法2： 每人发一块糖各自去吃，并约定谁吃完后就向她举手报告，再发第二块。看来这种新方法提高了工作效率，而且在未接到孩子们吃完糖的报告以前，她还可以腾出时间给孩子们改作业。 方法3： 进行批处理：每个孩子发4块糖各自去吃，吃完4块糖后再向她报告。显然这种方法使工作效率更加提高，她可以腾出更多的时间改作业。 在微型计算机系统中，CPU与外围设备传送信息的控制方式也有几种类似的方式： ①程序查询方式 　　程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式。数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，当CPU查询到外部设备作好准备时，则进行数据传送，否则将继续查询。查询方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。但是，外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间。这种情况同上述例子中第一种方法相仿，CPU此时只能等待，不能处理其他业务，即传送速度较慢，实时性差，CPU效率低。主要用于简单外部设备的控制。 ②中断控制方式 　　中断是外部设备“主动”通知CPU，准备发送输入数据或接收输出数据的一种方法。通常，当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始继续执行程序。这种方式和我们前述例子的第二种方法相类似。中断方式适用于某种意外或随机的事件，并且一旦发出请求，应立即响应。同程序查询方式相比，中断控制方式提高了CPU的效率，实时性好，但硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大。 ③直接存储器存取(DMA)方式 　　用中断方式交换数据时，每处理一次I/O交换，约需几十微秒到几百微秒。对于一些高速的外围设备，以及成组交换数据的情况，仍然显得速度太慢。直接存储器存取(DMA)方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销。此时，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外设之间进行高速数据传送。这种方式和前述例子的第三种方法相仿，主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。  2.　外存储器 外存储器简称外存，它作为一种辅助存储设备， 主要用来存放一些暂时不用而又需长期保存的程序或数据。外存上的程序和数据以文件的形式存储。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须通过CPU 输入／输出指令，将其调入RAM中才能被CPU执行处理， 所以外存实际上属于输入／输出设备。 外存和内存相比，具有容量大，速度慢，能永久存储信息的特点。常用的外存有磁盘存储器（包括硬盘和软盘）、光盘存储器、可移动存储器等。 软盘存储器 软盘存储器是微机系统的基本外存储器，由软盘驱动器（简称软驱）、软磁盘组成。 ① 软磁盘 现在常用的软盘都是3.5英寸的，通常简称3寸盘。软盘是在聚酯塑料盘片上涂有一层很薄的磁性材料，通过磁性材料的磁化方向来存储数据1和0。3寸软盘都有一个塑料外壳，比较硬，它的作用是保护里边的盘片。如图2-11所示。 ② 软磁盘的组织结构 软盘在使用之前必须要先格式化，完成这一过程后，磁盘被分成若干个磁道，每个磁道又分为若干个扇区，每个扇区存储512个字节。磁道是一组同心圆，一个磁道大约有零点几个毫米的宽度，数据就存储在这些磁道上。 如图2-12所示。 格式化后的软盘的存储容量按如下公式计算： 容量=记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字节数/扇区 一个3.5英寸的软盘，它有80个磁道，每个磁道有18个扇区，两面都可以存储数据。我们这样计算它的容量：80×18×2×512≈1440K≈1.44M。 软盘格式化在划分磁道和扇区的同时，还将软盘分为四个区域：引导扇区（BOOT）、文件分配表（FAT）、文件目录表（FDT）和数据区。 引导扇区：用于存放系统的自引导程序，为系统启动和存放磁盘参数而设置。 文件分配表：用于描述文件在磁盘上的存放位置及整个磁盘扇区的使用情况。 文件目录表：也叫根目录区，用于存放软盘根目录下所有文件名和子目录名、文件属性、文件在磁盘上存放的起始位置、文件长度、文件建立或修改的日期和时间等信息。 数据区：用于存放用户文件。 文件的大小用字节表示，但在存储的时候却是以簇为分配单元，即一个簇中不能包含两个文件的内容，也就是说无论一个文件有多小，哪怕它只有一个字节，一旦它占用了一个簇，那么别的文件就不能再写入这个簇了，也就是说这个簇中其它还未用上的空间就被浪费了。 每个簇由一个或多个扇区构成，对软盘来说，一个簇只有一个扇区，即512字节；对于硬盘，簇的大小和硬盘分区大小有关，分区容量越大，每个簇的扇区数就越多。对一个含有5个字节的文件，它在软盘上至少要占用512个字节，在硬盘上会更多。 用软盘备份数据是个好方法，只要方法得当，它们可以保存5－8年的时间。在使用软盘时，需要注意：不要划伤盘片，盘片不能变形、不能受高温、不能受潮、不要靠近磁性物质等等。 ③ 软盘驱动器 软盘驱动器对软盘进行读写操作，现在我们使用的都是3寸软驱，可以读写1.44M的3寸软盘。见图2-13所示。 软驱的主要组成有：控制电路板、马达、磁头定位器和磁头。 磁头其实是很小的，上下各有一个，我们看到的是它的滑轨。 它的工作过程是这样的：马达带动软盘的盘片转动，转速大概为300rpm~360rpm（转/分钟），磁头定位器是一个很小的步进马达，它负责把磁头移动到正确的磁道，由磁头完成读写操作。软驱的数据传输率为500KB/s. 　 硬盘存储器 硬盘存储器是微型计算机系统配置中必不可少的外存储器。硬盘存储器可以分为固定式和可移动式两种，这里首先介绍置于主机箱内的固定式硬盘。硬盘的存储容量很大，目前流行的硬盘容量一般在40GB～200GB之间。存取速度比软盘高得多，目前市场上常见的硬盘转速一般有5400rpm、7200rpm、甚至10000rpm，突发数据传输率达到66.6~100MB/s，持续数据传输率也达30MB/s； ① 硬盘的结构 硬盘是在非磁性的合金材料基片上涂上一层很薄的磁性材料，通过磁性材料来存储信息。拿一个盘片来讲，硬盘的结构和软盘差不多，在使用之前也需要进行格式化，格式化后被分成若干个同心圆磁道，每个磁道被分成若干个扇区，每扇区通常是512字节。硬盘的磁道数一般在300~3000之间，每磁道的扇区数通常是63，而早期的硬盘只有17个。 和软盘不同的是，硬盘由很多个磁片叠在一起，柱面指的就是多个磁片上具有相同编号的磁道，它的数目和磁道数是相同的。 硬盘的容量如下计算： 硬盘容量＝磁头数×柱面数×扇区数×字节数/扇区 标准IDE接口最多支持1024个柱面，63个扇区，16个磁头，硬盘最大容量为16×1024×63×512＝ 528,482,304字节，即528MB； 增强型IDE最多可支持256个逻辑磁头，容量最大可达到8.4GB。 前面我们提到过簇的概念，它是文件存储的最小单位，软盘的簇只有一个扇区。在硬盘上，簇的大小和分区大小有关： 比如，当分区容量介于64M和128M之间时，每个簇有4个扇区；介于128M和256M之间时，每簇有8个扇区；而当分区容量大于1024M时，每簇的扇区数目将超过64，容量达到32KB以上。在此时一个1字节的文件在硬盘上也会占用32KB的空间。 目前在微机中应用最广的硬盘是温彻斯特硬盘存储器（简称“温盘”），它是随着磁盘的高密度、高容量的要求而发展起来的。温盘的主要特点是将盘片、磁头、电机等驱动部件甚至读写电路等统统制成一个不可随意拆卸的整体，形成一个密封组合式的硬盘存储器，当盘面作高速旋转时，依靠盘面的高速气流所产生的气动浮力使得磁头略微离开盘面，形成微小气隙，类似与浮动式磁头。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境的要求低。 ② 硬盘工作原理 硬盘的主轴系统用来安装盘片和盘盒，并驱动它们以额定转速稳定旋转；磁头定位系统用来将磁头定位在准备进行读写的指定磁道上；；磁头选择电路选择指定的磁头；读写电路完成信息的读写 ③ 硬盘与主机的接口标准 硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件。从整体看，硬盘接口分为IDE/EIDE、SATA、SCSI和光纤通道四种。 IDE（Integrated Device Electronics）接口是最常见的硬盘接口，具有安装方便，价格低廉，兼容性好的特点。IDE的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。IDE接口是一种类型的总称，但在实际的应用中，发展分支出更多类型的硬盘接口，比如ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA等接口都属于IDE硬盘。现在普遍使用的Ultra ATA/66已大幅提高了EIDE接口的性能,所谓Ultra DMA/66是指一种由Intel及Quantum公司设计的同步DMA协议。使用该技术的硬盘并配合相应的芯片组，最大传输速度可以由16MB/s提高到66MB/s。它的最大优点在于把CPU从大量的数据传输中解放出来了，可以把数据从HDD直接传输到主存而不占用更多的CPU资源，从而在一定程度上提高了整个系统的性能。 使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘。Serial ATA采用串行连接方式，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动校正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插热拔的优点。同时，SATA接口的数据传输率可以超过150Mb/s，新的接口规范更将达到600 Mb/s。目前在市场已经有大量该接口的硬盘，它将成为家庭用计算机的新选择。 SCSI是完全不同于IDE等家用硬盘接口的类型，它具有很高的性能和数据传输率，SCSI不仅是一个接口，而且具有总线的特点，一个SCSI接口可以很好地将多台外设与主机连接起来。但是价格昂贵，一般应用于服务器和高档工作站中。 光盘存储器 随着多媒体技术及应用软件向大型化方向发展，人们需要一种大容量、高速度、工作稳定可靠、耐用性强的存储器，这样就诞生了光盘存储器。它主要包括光盘驱动器、光盘控制器和光盘。 ① 光盘存储器的工作原理 光盘驱动器(光驱)是一个结合光学、机械及电子技术的产品。在光学和电子结合方面，激光光源来自于一个激光二极管，它可以产生波长约0.54-0.68微米的光束，经过处理后光束更集中且能精确控制，光束首先打在光盘上，再由光盘反射回来，经过光检测器捕获信号。光盘上有两种状态，即凹点和空白，它们对激光的反射强度不同，很容易经过光检测器识别。检测器所得到的信息只是光盘上凹凸点的排列方式，驱动器中有专门的部件把它转换并进行校验，然后我们才能得到实际数据。光盘在光驱中高速的转动，激光头在伺服电机的控制下前后移动读取数据。光盘上数据的读取靠激光来实现，表面的灰尘和划痕都会影响到读盘质量。 在光驱上，数据传输速度到底有多快呢？我们平常说的32速、52速等就是指光驱的读取速度。在制定CD-ROM标准时，把150KB/s的传输率定为标准，后来驱动器的传输速率越来越快，就出现了倍速、四倍速直至现在的32倍速、52倍速或者更高，32倍速驱动器理论上的传输率应该是：150×32= 4,800KB/s，当然在实际的情况是达不到这么高的。 除了传输率外，平均查找时间是衡量光驱的另一指标，倍速光驱的平均查找时间约为400ms，现在最快的光驱平均查找时间约为120ms。从光盘上读出的数据先存在缓冲区或高速缓存里，然后再以很高的速度传输到计算机上。多媒体计算机要求光驱至少有64KB的高速缓存，现在的光驱一般有256KB。 ② 光盘存储数据的特点 光盘上的数据存储和硬盘是不同的，它没有簇的概念，而是按轨道的方式存储的。硬盘轨道是一组同心圆，而光盘轨道则是一条从中心开始的渐开线，如果把这条线展开的话，它是一根完整的线，这条线就被称做轨。 ③ 光盘的种类 光盘通常分为只读光盘、一次性刻录光盘、可擦写光盘、DVD四种。 只读光盘（CD-ROM，CD，VCD，LD）是一次成型的产品，由一种称为母盘的原盘压制而成，一张母盘可以压制数千张光盘，它的制作成本低、信息存储量大、保存时间长。只读光盘上的信息只能读出而不能写入。只读光盘的存储容量一般在650MB~700MB。 一次性刻录光盘CD-R是只能写入一次的光盘。这种光盘在出厂时为空白盘，通过专门的光盘刻录机将信息写入，刻录好的光盘不能再次修改。这种光盘的容量一般为650MB。 可擦写光盘CD-RW，这种光盘可以根据用户的需要而自由写入和读出，使用方便，但成本较高，现在还未普及。 DVD（Digital Versatile Disk，即数字多用途光盘），是1996年推出的新一代光盘标准，主要用于存储视频信息，单个DVD盘片上能存放4.7~17.7GB的数据，目前的最大传输速率是2MB/s。DVD有5中不同的规格：DVD-ROM（DVD只读光盘）；DVD-Video（家用影视光盘）；DVD-Audio（音乐光盘）；DVD-R（限写一次的DVD光盘）；DVD-RW（可多次读写的DVD光盘）。 可移动存储器 由于软盘存储器容量较小，也容易损坏，目前正在逐渐被一种可移动的存储器所取代。这就是我们常见的优盘和可移动硬盘。 ① 优盘 优盘又称为闪存盘（Flash Disk），是一种新型的移动存储产品，如图2-14所示。优盘采用一种可读写的半导体存储器——闪速存储器（Flash Memory）作为存储媒介。优盘主要用于存储较大的数据文件和在电脑之间方便地交换文件。优盘不需要物理驱动器，也不需外接电源，只需要通过通用串行总线接口（USB）与主机相连，可热插拔，读写文件、格式化等操作与软、硬盘操作一样，使用非常简单方便。目前的Flash Memory产品可擦写次数都在100万次以上，数据至少可保存10年，而存取速度至少比软盘快15倍以上。优盘体积很小，重量极轻，可抗震防潮，特别适合随身携带，是移动办公及文件交换理想的存储产品。 在Windows 98操作系统中，优盘在使用前需要安装相应的驱动程序，但在Windows Me/2000/XP等操作系统中，由于驱动程序已事先置入，故不需要再另外安装。 ② 可移动硬盘 尽管优盘具有体积小、性能高等优点，但它的存储容量一般在16MB~1GB之间，对于需要较大数据量存储的情况，优盘就无法满足要求了。这样，可移动硬盘（也称USB硬盘）就应运而生了。外型见图2-15。 可移动硬盘与主机内的“温盘”相比具有较强的抗震性，市面上的USB硬盘的容量一般在10GB~80GB之间。可移动硬盘的使用方法与优盘一样，不再赘述。 除了优盘和移动硬盘，还有一些其他设备可以作为移动存储设备。比如Zip驱动器，MP3播放器往往同时具有优盘的功能。 3．输入设备 输入设备是计算机中用来输入程序和数据的部件。 常见的输入设备有：键盘、鼠标、麦克风、扫描仪、手写板、数码相机、摄像头等。这里只介绍最常用的键盘和鼠标。? （1）键盘 键盘是计算机最常用也是最主要的输入设备，由按键、键盘架、编码器、键盘接口组成。微型机用户普遍采用的是104键的键盘。 键盘的工作主要由其内置的单片机负责控制，单片机控制着键盘的加电自检、扫描键盘以及键盘与主机的通讯等。当键盘的键被按下时，单片机扫描程序识别按键的当前位置，编码器则输出此按键所对应的扫描码，并通过接口电路传送给CPU，若CPU正忙，单片机会先将键入的内容送到键盘的缓冲区中，等待CPU的处理，直到CPU空闲时为止。 微机键盘的接口主要有PS/2和USB，还有一些高档键盘采用无线连接。 （2）鼠标 鼠标是一种常用输入设备，通过移动鼠标可以快速定位屏幕上的对象，是计算机图形界面必备的外设之一。 鼠标的操作一般有：移动、拖动、单击、双击和右击等。 鼠标的工作原理 当鼠标器在平面上移动时，通过机械或光学的方法把鼠标移动的距离和方向转换成脉冲信号传送给主机，鼠标驱动程序将脉冲个数转换成鼠标器的水平方向和垂直方向的位移量，从而控制显示器上光标箭头随鼠标的移动而移动。 鼠标分类 从不同的角度，鼠标有不同的分类方法。 按接口的类型分类，鼠标通常可以分为COM、PS/2、USB三类(见图2-16)，传统的鼠标是COM口连接的,它占用了一个串行通讯口。由于丰富的外设不断涌出和主板频繁的的升级，人们逐渐开始使用PS/2鼠标，把本来为数不多的串行通讯口让给其他外设使用，因此COM鼠标在市场上已成强弩之末。PS/2鼠标是目前市场上的主流产品，种类繁多，造型多样。各厂家新近日又纷纷推出了各自的USB接口鼠标。 按内部构造分类，鼠标可以分为机械式、光机式和光电式三大类。 机械式鼠标的结构最为简单，由鼠标底部的胶质小球带动X方向滚轴和Y方向滚轴，在滚轴的末端有译码轮，译码轮附有金属导电片与电刷直接接触。鼠标的移动带动小球的滚动,再通过摩擦作用使两个滚轴带动译码轮旋转，接触译码轮的电刷随即产生与二维空间位移相关的脉冲信号。由于电刷直接接触译码轮和鼠标小球与桌面直接摩擦,所以精度有限，电刷和译码轮的磨损也较为厉害，直接影响机械鼠标的寿命。因此，机械式鼠标已基本淘汰而被同样价廉的光机鼠取而代之。 所谓光机鼠标,顾名思义就是一种光电和机械相结合的鼠标，是目前市场上最常见的一种鼠标。光机鼠标在机械鼠标的基础上，将磨损最厉害的接触式电刷和译码轮改进成为非接触式的LED对射光路元件（主要是由一个发光二极管和一个光栅轮）,在转动时可以间隔的通过光束来产生脉冲信号。由于采用的是非接触部件使磨损率下降，从而大大地提高了鼠标的寿命，也能在一定范围内提高鼠标的精度。光机鼠标的外形与机械鼠标没有区别，不打开鼠标的外壳很难分辨。出于这个原因，虽然市面上绝大部分的鼠标都采用了光机结构，但习惯上人们还称其为机械式鼠标。如图2-17所示。 光电鼠标通过发光二极管（LED）和光敏管协作来测量鼠标的位移，一般需要一块专用的光电板将LED发出的光束部分反射到光敏接收管，形成高低电平交错的脉冲信号。这种结构可以做出分辨率较高的鼠标，且由于接触部件较少，鼠标的可靠性大大增强，适用于对精度要求较高的场合。不过光电鼠标的价格较高，尤其是专业的高精度鼠标价格更是昂贵，而且光电鼠标必须还配有一块光学鼠标垫，由于鼠标垫大都有不耐脏、不便携带等致命缺点，往往会给使用者带来相当大的麻烦。在原有光电鼠标基础上，罗技及其合作者于1996年开发了一种更新式的光学鼠标，这是一种基于Marble感应技术的轨迹球产品，见图2-18。轨迹球作为鼠标家族的一员，可不像它的前辈一样满桌子乱跑。它安静地趴在桌面的一角，替用户节省大量的空间，并且降低了长时间操作手腕的疲劳程度。它以前多用于专业领域，但现在已经逐渐走向平民，被大量的笔记本电脑和一体化工控机所广泛采用。 4．输出设备 输出设备用于输出计算机的处理结果，显示器、打印机、绘图仪、音箱等都属于输出设备。这里只介绍最常用的显示器和打印机。 显示器 在微机系统中，显示器能把计算机内的数据转换为各种直观的字符、图形和图像，是人机对话或对生产过程控制进行监控的主要输出设备。 ① 显示器的分类 按照显示器的显示管分类，分为阴极射线管显示器CRT（cathode-ray-tube）和液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）。在现在的应用中，LCD分为无源阵列彩显DSTN－LCD（俗称伪彩显）和薄膜晶体管有源阵列彩显TFT－LCD（俗称真彩显）。见图2-19。 按显示色彩分类，分为单色显示器和彩色显示器；单色显示器已经成为历史。 按显示屏幕大小分类，以英寸为单位，通常有14英寸、15英寸、17英寸和20英寸，或者更大。 显示器与主机的连接，需要通过接口电路，即显示器适配器，或称显示卡。显示器显示画面是由显示卡来控制的。显示卡的显示标准有以下几种： MDA 单色字符显示系统适配器，只用于显示字符。采用9×14点阵的字符窗口，满屏显示80列×25行字符，分辨率为720×350。 CGA 彩色图形显示系统适配器，可兼容字符和图形两种方式。在图形方式下，可以显示320×200像素4种颜色的彩色图形。 EGA 扩展的彩色图形显示系统适配器。在图形方式下，分辨率为640×350像素，16种颜色。 VGA：视频图形显示系统适配器。字符窗口采用9×16点阵的字符窗口，在图形方式下，分辨率为640×480像素，256种颜色，刷新频率为60Hz。VGA显示适配器还增添了一个新接口VFC，允许来自其他设备的图形，图像信号与适配器生成的图形信号合成。 SVGA：Super-VGA模式，该模式兼容MDA、CGA、EGA、VGA的显示方式，还支持1280×1024像素光栅，每像素点24位颜色深度，刷新频率可达75Hz。 ② 显示器的主要技术指标 像素和分辨率 像素是指组成图像的最小单位，若你仔细观察报纸上的文字和黑白照片，会发现它们是由很多小点组成，这就是像素。 分辨率指屏幕上像素的数目，通常用水平方向和垂直方向像素个数的乘积来表示。比如，分辨率为1024×768是说在水平方向上有1024个像素点，在垂直方向上有768个像素点。 为了控制像素的亮度和彩色深度，每个像素需要很多个二进制位来表示，如果要显示256种颜色，则每个像素至少需要8位（一个字节）来表示，即2 8=256；当显示真彩色时，每个象素要用3个字节的存储量（称24位真彩色）。 每种显示器均有多种供选择的分辨率模式，能达到较高分辨率的显示器的性能较好。目前17寸的显示器最高分辨率一般可以达到1280×1024。 点距 屏幕上相邻像素的两个同色点（比如两个红色点）的距离称为点距，常见点距规格有0.39mm、0.31mm、0.28mm、0.25mm等。显示器点距越小，在高分辨率下越容易取得清晰的显示效果。 显示面积 显示面积指显像管的可见部分的面积。显像管的大小通常以对角线的长度来衡量，以英寸单位(1英寸=2.54cm)，常见的有14英寸、15英寸、17英寸、20英寸几种。显示面积都会小于显示管的大小。显示面积用长与高的乘积来表示，通常人们也用屏幕可见部分的对角线长度来表示，比如15英寸显示器的显示面积一般是13.5英寸，这会因显示器的品牌不同略有差异，比较好的15寸显示器的显示面积可以达到13.8英寸。 扫描频率 电子束采用光栅扫描方式，从屏幕左上角一点开始，向右逐点进行扫描，形成一条水平线；到达最右端后，又回到下一条水平线的左端，重复上面的过程；当电子束完成右下角一点的扫描后，形成一帧。此后，电子束又回到左上方起点，开始下一帧的扫描。这种方法也就是常说的逐行扫描显示。 而隔行扫描指电子束在扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后再返回来扫描剩下的线，这与电视机的原理一样。隔行扫描的显示器比逐行扫描闪烁得更厉害，也会让使用者的眼睛更疲劳。 完成一帧所花时间的倒数叫垂直扫描频率，也叫刷新频率，比如60Hz、75Hz等等。 带宽 带宽是指每秒钟电子枪扫描过的图像点的个数，以MHz（兆赫兹）为单位，表明了显示器电路可以处理的频率范围。比如，在标准VGA方式下，如果刷新频率为60Hz，则需要的带宽为640×480×60＝18.4MHz；在1024×768的分辨率下，若刷新频率为70Hz，则需要的带宽为55.1MHz。以上的数据是理论值，实际所需的带宽要高一些。 早期的显示器是固定频率的，现在的多频显示器采用自动跟踪技术，使显示器的扫描频率自动与显示卡的输出同步，从而实现了较宽的适用范围。 带宽的值越大，显示器性能越好。 显示器的色温 在一些高档的显示器上一般都会提供色温调节的功能，由于不同地区和不同种族人的眼睛对颜色的识别略有差别，所以销售在不同地区的显示器都要将颜色调节得非常合适这一地区人的使用，调节色温就是为了完成这些功能，不过具有这种调节功能的显示器价格都非常高。 （2）打印机 打印机是微机常用的输出设备之一，用于打印各种文档、程序、图形、图像等。打印机通常通过并行接口与主机相连接。 ① 打印机的种类 打印机有很多种类，家庭及办公常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等，另外还有热升华打印机、热蜡打印机等，用于高级印刷。 针式打印机以其便宜、耐用、可打印多种类型纸张等原因，普遍应用在多种领域，我们常用的EPSON LQ－1600K、STAR CR－3240等属于宽行针式打印机。EPSON LQ－100、NEC－P2000则属于窄行针式打印机。 　　宽行打印机可以打印A3幅面的纸，窄行打印机一般只能打印A4幅面的纸张；同时针式打印机可以打印穿孔纸，它在银行、机关、企事业单位电脑应用中发挥了很大作用；另外，针式打印机有其它机型所不能代替的优点，就是它可以打印多层纸，这使之在报表处理中的应用非常普遍。但针式打印机的打印效果比较普通，而且噪音较大，所以在普通家庭及办公应用中有逐渐被喷墨和激光打印机所取代的趋势。 喷墨打印机的价格也较便宜，而且它打印时噪音较小，图形质量较高，成为当前家庭打印机的主流。它也有宽行和窄行之分，而且有很多型号可以打印彩色图像，提供了一个较高的性能价格比。喷墨打印机适合打印单页纸，它的打印质量在很大程度上决定于纸张的质量。它的进纸方式及面板控制和针式打印机相似，但它是通过墨盒喷墨打印。 激光打印机更趋于智能化，比如HP6L打印机，它没有电源开关，平时自动处于关机状态，当有打印任务时自动激活。它有自己的内存和处理器，能单独处理打印任务，大大减轻了计算机的负担。 激光打印机的分辨率很高，有的能达到600dpi以上，打印效果精美细致，但其价格较高，所以常用于激光照排系统以及办公室应用。 激光打印机也有宽行、窄行及彩色、黑白之分，但宽行和彩色机型都很昂贵，所以用于打A4单页纸的窄行黑白机型是目前比较普遍应用的。 ② 打印机的主要技术指标 分辨率 和显示器一样，打印机衡量图像清晰度最重要的指标就是分辨率，如果分辨率越高，自然图像清晰度就越好。在打印机领域里，分辨率一般都用dpi（点/英寸）这个单位来衡量，300dpi是人眼分辨打印文本与图像的边缘是否有锯齿的临界点，再考虑到其它许多因素一般选用分辨率在360dpi以上的打印机就可以了。分辨率越大，图像输出的色点也就越小越多，图像就会更加细腻而真实。 打印速度 评价一台打印机是否优异，不仅要看打印图像的品质，还要看它是否有良好的打印速度。一般打印机的打印速度是用每分钟打印多少页纸来衡量的，厂商在标注产品的技术指标时通常还会分别区分黑白和彩色两种打印速度。打印速度的快慢主要取决于覆盖面积的不同，大家都知道在打印文本和图像的时候打印速度会有所不同，另外分辨率也直接关系到打印速度的快慢，如果分辨率越高，打印速度自然也就越慢了。 打印幅面 所谓打印幅面，就是打印机所能打印的纸张的大小。对于针式打印机，规格有两种：80列和132列，即每行可打印80个或132个字符。对喷墨打印机和激光打印机，幅面一般为A3、A4和B4。 打印缓冲存储器 打印机设置较大的缓冲存储器是为了满足高速打印和打印大型文件的需要。缓冲存储器的大小将影响打印速度。针式打印机的缓冲存储器一般为16KB。喷墨打印机和激光打印机的缓冲存储器因在图形方式下要存储大量的图形点阵信息，并且是整页装入，因此其缓冲存储器较大，通常容量可达4~16MB。 5．其它外部设备 随着微机的应用领域不断扩大化，特别是多媒体技术的应用，外部设备种类日益增多，目前常用的其他外部设备有声音卡、视频卡、网卡和调制解调器。 　　声音卡（又称声效卡，声卡）是多媒体计算机中用来处理声音的接口卡。声卡可以把来自话筒、 收录音机、CD机等设备的语音、音乐等声音变成数字信号交给计算机处理，并以文件形式存盘，还可以把数字信号还原成为真实的声音输出。 声卡尾部的接口从机箱后侧伸出，上面有连接麦克风、音箱、游戏杆和 MIDI设备的接口。 视频卡是多媒体计算机中处理活动图像的适配器，其功能是将视频信号数字化。视频卡接受来自摄像机、录像机、电视机和各种激光视盘的视频信号。它可以分为：视频转换卡、视频捕获卡、视频叠加卡、动态视频捕获/播放卡、视频JPEG／MPEG压缩卡。 网络接口卡(NIC -Network Interface Card)又称网络适配器 (NIA-Network Interface Adapter)，简称网卡。用于实现联网计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。在局域网中，每一台联网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络电缆系统。网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制(如：CSMA/CD)、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码(如：曼彻斯特代码的转换)、数据的串、并行转换等功能。 ?调制解调器（Modem）是调制器和解调器的简称。Modem是拨号上网必不可少的外部设备。因为计算机的数据是数字信号，欲将数字信号通过传输线路传送到远距离处的另一台计算机或其他终端，必须将其转换成适于传输的模拟信号，在接收端又必须将接收到的模拟信号恢复成原来的数字信号。在计算机与电话系统之间连接调制解调节器后，可以利用电话系统实现计算机之间的远程通信。常见的用途有：信息检索、电子邮件及传真、文件传送、远程计算机的实时交互。 6．设备驱动程序 （1）设备驱动程序的概念 设备驱动程序是对连接到计算机系统的设备进行控制驱动，使操作系统（OS）能更好的管理和使用计算机硬件的程序。 每一种计算机设备都需要驱动程序才能正常工作运行。安装了功能卡或外设之后，还必须再安装它们的驱动程序，这些设备才可以使用。比如，安装打印机之后，如果没有安装打印机驱动程序，计算机就不知道有打印机的存在，当然就无法使用打印机。因此驱动程序是功能卡或外设与计算机之间沟通的接口，若没有安装驱动程序或是安装了不正确的驱动程序，计算机就无法正常地使用这些装置。当你购买了新的功能卡(如显示卡、声卡等)或外设(如打印机、调制解调器或扫描仪等)，除了参考使用手册正确地安装驱动程序之外，包装中的驱动程序软盘或光盘都要好好保存，如果不幸操作系统需要重新安装时，这些驱动程序也要重新安装一次。 常见的需要用户自己安装的驱动程序：显卡驱动程序、声卡驱动程序、网卡驱动程序、MODEM 驱动程序、打印机驱动程序、USB设备驱动程序等。 （2）硬件设备的“即插即用”概念 微软公司在开发Windows95时，为克服用户对外部设备硬件参数设定造成的困扰而开发出了一项新功能：即插即用（Plug and Play：PnP）结构体系。这是一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准，由Intel和Microsoft联合制定。 通常，当用户需要安装新的硬件时，往往要考虑到该设备所使用的DMA和中断号IRQ资源，以避免设备之间因竞争而出现冲突，甚至导致机器无法正常工作。因为有了PnP，使得硬件设备的安装大大简化，用户无须再做跳线，也不必使用软件配置程序，一切都可由操作系统代为完成，但是所安装的新硬件必须是符合PnP规范的，否则是行不通的。即插即用是Windows95及以后的操作系统的最显著特征之一，基于Intel体系结构的其它微机操作系统目前尚不具备该特性。 即插即用特性并不是配一个Windows95及以后的操作系统就可以行得通，它需要主板具有PnP功能，这样在系统启动时由BIOS自动读取提供有PnP功能之接口卡的设定参数，自动分配各项资源，并将分配后的设定参数存入主机板中的Flash RAM，再由操作系统向该主板的Flash RAM读取分配后的PnP接口卡的相关设定参数，配置到设备驱动程序中。如此则避免了以往因I/O地址相互冲突所造成的困扰，使整个电脑在执行各种程序时有效地发挥系统功能。 即插即用计算机系统的具体内容包括： 支持PnP 的BIOS：PnP BIOS提供基本指令集，用于确定在系统开机自检（POST）时所需要的最基本设备。这些设备至少包括显示器、 键盘、磁盘驱动器等。 PnP操作系统：Windows95是第一个PnP操作系统，以后的Windows 操作系统都支持即插即用。 PnP硬件：即插即用硬件是指由PnP操作系统自动配置的一组PC设备。PnP也同样支持打印机、调制解调器、串口COM和并口LPT等，基于ISA和EISA的适配卡则需要进行适当的修改。 PnP设备驱动程序：Microsoft提供的设备驱动程序支持基本PnP设备，例如IDE、CD-ROM等。 （3）设备驱动程序的安装 在完成了计算机的基本硬件安装并安装了Windows98/Me/2000/XP操作系统以后，就可以进行新装计算机设备驱动程序的安装了。安装前准备好要安装的硬件设备及其驱动程序，按说明将设备正确地连接到计算机上，然后安装相应的设备驱动程序。 安装的顺序是：主板驱动程序→显卡驱动程序→声卡驱动程序→其他设备驱动程序。 2．3计算机中数的表示 2．3．1进位计数制 在日常生活中，人们通常使用十进制数，但实际上存在着多种进位计数制，如二进制（两只鞋为一双）、十二进制（十二个信封为一打）、二十四进制（一天24小时）、六十进制（60秒为一分，60分为一小时）等等。计算机是由电子器件组成的，考虑到经济、可靠、容易实现、运算简便、节省器件等因素，在计算机中采用的数制是二进制。 一切进位计数制都有两个要素：基数和位权值。按基数来进位、借位，用位权值来计数。 每一种计数制中数码的的个数称为基数，不同的计数制是以基数来区分的。若以R代表基数，则： R=2为二进制，可使用的数字为0，1，共2个数符； R=8为八进制，可使用的数字为0，1，2，…，6，7，共8个数符； R=10为十进制，可使用的数字为0，1，2，…，8，9，共10个数符； R=16为十六进制，可使用的数字为0，…，9，A，B，C，D，E，F，共16个数符。 所谓“按基数来进位、借位”，就是在执行加法或减法时，要遵循“逢R进一，借一当R”的规则，例如： 二进制数的规则是“逢二进一，借一当二”；十进制数的规则是“逢十进一，借一当十”；十六进制数的规则是“逢十六进一，借一当十六”。 在任何数制中，一个数的每个位置各有一个“位权值”。例如，十进制数357.65有5个数符，从左到右它们的位权值分别为102，101，100，10-1，10-2，虽然第二、五两个位置上的数符都是5，但第二位上的5表示50（5×101）,第五位上的5表示0.05（5×10-2）。按照“用位权值计数”的原则，十进制数357.65的值可以写为： （357.65）10=3×102+5×101+7×100+6×10-1+5×10-2 =300+50+7+0.6+0.05 因此，对于任意一个R进制数N可以按“权”展开为：  其中i表示位数，R代表基数，表示各位的值。 在计算机内部，一切信息的存储、处理与传送均采用二进制的形式。但由于二进制数的阅读与书写很不方便，为此，在阅读与书写时又通常用十六进制或八进制来表示，这是因为十六进制和八进制与二进制之间有着非常简单的对应关系，表2-1给出了常用计数制的对照表。 表2-1 各种数制对照表 十进制 二进制 八进制 十六进制  0 0000 0 0  1 0001 1 1  2 0010 2 2  3 0011 3 3  4 0100 4 4  5 0101 5 5  6 0110 6 6  7 0111 7 7  8 1000 10 8  9 1001 11 9  10 1010 12 A  11 1011 13 B  12 1100 14 C  13 1101 15 D  14 1110 16 E  15 1111 17 F   2．3．2数值型数据的表示形式 在计算机中对数据进行运算操作时，符号位如何表示呢？是否也同数值位一道参加运算操作呢？为了妥善的处理好这些问题，就产生了把符号位和数字位一起用“0”、“1”编码来表示相应的数的各种表示方法，如原码、补码、反码等。为了区别一般书写表示的数和机器中这些编码表示的数，通常将前者称为真值，后者称为机器数。真值：即是符号用“+”、“-”表示的原值。?机器数：是数在计算机中的表示形式，正号用“0”表示，负号用“1”表示。? 1.原码表示法 数的原码表示：原码是最简单的机器数表示法。对正数，符号位 = 0 ，数值位 = 数的绝对值。对负数，符号位 = 1 ，数值位 = 数的绝对值。因此，原码表示法通常称为“符号-绝对值”表示法。 例如，Ｘ＝+0100101，则[Ｘ]原＝00100101 　　　Ｘ＝-0100101，则[Ｘ]原＝10100101 　　式中[X]原是机器数，Ｘ是真值 对于0，原码表示有“+0”、“-0”之分，即： [+0]原=00000000 [-0]原=10000000 2．反码表示法 数的反码表示：对正数，同原码表示 。对负数，先将其表示为相反数（正数）的原码，然后将每一位的数取反，即0变为1，1变为0 ，就得到负数的反码 。 例如，X＝+0100101，则[X]反＝00100101 　　　X＝-0100101，则[X]反＝11011010 对于0，反码表示也有“+0”、“-0”之分，即： [+0]反=00000000 [-0]反=11111111 3.补码表示法 　　采用原码表示法简单易懂，但它的最大缺点是加法运算复杂。这是因为，当两数相加时，如果是同号则数值相加；如果是异号，则要进行减法。而在进行减法时还要比较绝对值的大小，然后用大数减去小数，最后还要给结果选择符号。为了使加减运算简单化，人们考虑能否让符号和数值一样参加运算，而不因正负号的不同分别处理呢？为此提出了机器数的补码表示法。 我们先以时钟对时为例说明补码的概念。假设现在的标准时间为10点正； 而有一只时钟才指向7点钟，为了校准时间，可以采用两种方法：一是将时针向前拨10-7=3 格；二是将时针退12-3=9格。这两种方法都能将时钟对准到10点，由此可以看出， 加3和减9是等价的，就是说3是(-9)对12的补码，可以用数学公式表示 +3＝-9（mod12） mod12的意思就是12模数，这个“模”表示自动被加上或被减去的数值，原因就是时钟最大能表示12。上式在数学上称为同余式。 上例中，之所以7+3=10和7-9=-2(mod12)等价，当表指针小于0时，自动加上12；最后得到-2+12=10；若表指针超过12时，将自动减去12。从这里可以得到一个启示，就是负数用补码表示时，可以把减法转化为加法。这样，在计算机中实现起来就比较方便。 数的补码表示：对正数，同原码表示。对负数，先将其表示为反码，然后在该反码的最低位加"1"，即得到它的补码 。 例如，X＝+0100101，则[X]补＝00100101 　　　X＝-0100101，则[X]补＝11011011 对于0，补码表示是唯一的，即： [+0]补=00000000 [-0]补=00000000 补码的运算规则是： [X+Y]补=[X]补+[Y]补 ，[X-Y]补=[X]补+[-Y]补， 因此，采用补码表示法进行加、减法运算就比原码方便得多了。因为不论数是正还是负,计算机总是做加法,减法运算可变为加法运算。 4．数据单位 计算机中采用了下列不同的数据单位： （1）位（bit） 位是计算机表示数据的最小单位，在计算机内部，数据均是以二进制来表示的，其中每一位二进制数在计算机中称为位。每个二进制位只有０和１两种状态，即：一个bit只能表示一个“1”或“0”。 （2）字节（Byte） 简记为B。规定 l个字节等于8个二进制数位，即 lByte=8 bits。字节是个重要的数据单位，表现在： 字节是计算机处理数据的基本单位，即以字节为单位解释信息； 计算机存储器是以字节为单位组织的，每个字节都有一个地址码(就像门牌号码一样),通过地址码可以找到这个字节，进而能存取其中的数据； 计算机存储器容量大小是以字节数来度量的，经常使用的单位有 B、KB、MB、GB。1KB=210B=1024B 1MB=1024KB=210×210B=1048576B  1GB=1024MB=210×210×210B=1073741824B （3）字(Word) 计算机一次存取、传送和处理的数称为一个字，一个字含有的二进制数位称为字长。字长是衡量计算机性能的一个重要标志，字长越长，计算机数据处理的速度越快。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2．4数据表示 在学习本节的内容之前，先要区分两个概念：数据和信息。数据是计算机处理的对象，是信息的载体，或称为编码了的信息；信息是有意义的数据的内容。计算机要处理的信息除了数值信息以外，还有字符、图像、视频和音频等非数值信息。而计算机只能识别和存储两个数字“0”和“1”。要使计算机能处理这些信息，首先必须将各类信息转换成“0”和“1”表示的代码，这一过程称为编码。计算机专家设计了各种方法来对数据进行编码和存储。在计算机里，不同编码方式的文件格式不同，如存储文本文档、图形数据或音频数据的文件格式各不相同。本节将介绍计算机怎样存储数值、字符、图像、视频和音频等信息。 2．4．1 数值数据的表示 在计算机中，数的长度按二进制位数来计算，由于计算机的存储器是以字节为单位进行数据的存取，所以数据长度也按字节计算。在同一计算机中，数据的长度常常是统一的，超出表示范围则无法表示，不足的部分用“0”填充，整数在高位补“0”，纯小数在低位补“0”。 在计算机中表示数值型数据，为了节省存储空间，小数点的位置总是隐含的。对于一般的数是采用定点数与浮点数两种方法来表示。 1．定点数 所谓定点数是指小数点位置固定不变的数。在计算机中，通常用定点数来表示整数与纯小数，分别称为定点整数与定点小数。 定点整数：一个数的最高二进制位是数符位，用以表示数的符号；而小数点的位置默认为在最低(即最右边）的二进制位的后面，但小数点不单独占一个二进制位。假设某计算机使用的定点数长度是2个字节，如果有一个十进制整数为+9963，它的二进制数为+10011011101011，在机内以二进制补码定点数表示，则格式如图2-22 所示： 0  0  1  0  0  1  1  0  1  1  1  0  1  0  1  1   ???? ?????????????? ? 因此，在一个定点整数中，数符位右边的所有二进制位数表示的是一个整数值。 当数据长度为2个字节时，补码表示的定点整数的表示范围是：  即： 如果把定点整数的长度扩充为4个字节，则补码表示的定点整数的表示范围达到： ，约为，即21亿多。 定点小数：一个数的最高二进制位是数符位，用来表示数的符号；而小数点的位置默认为在数符位后面，不单独占一个二进制位。如果有一个十进制整数为+0.7625，它的二进制数为+0.110010000101000…，在机内以二进制补码定点数表示，则格式如图2-23 所示： 0 1 1  0  0  1  0  0  0  0  1  0  1  0  0  0   因此，在一个定点小数中，数符位右边的所有二进制位数表示的是一个纯小数。 当数据长度为2个字节时，补码表示的定点小数的表示范围是：  2．浮点数 在计算机中，定点数通常只用于表示整数或纯小数。而对于既有整数部分又有小数部分的数，由于其小数点的位置不固定，一般用浮点数表示。 在计算机中所说的浮点数就是指小数点位置不固定的数。一般地，一个既有整数部分又有小数部分的十进制数D可以表示成如下形式: ???????????其中R为一个纯小数，N为一个整数。 如一个十进制数可以表示成：，十进制小数可以表示成。纯小数R的小数点后第一位一般为非零数字。 同样，对于既有整数部分又有小数部分的二进制数也可以表示成如下形式： ? 其中R为一个二进制定点小数，称为D的尾数；N为一个二进制定点整数，称为D的阶码，它反映了二进制数D的小数点的实际位置。 由此可见，每个浮点数由两部分组成，即阶码和尾数。浮点数的阶码相当于数学中的指数，其长度决定了数的表示范围；浮点数的尾数为纯小数，表示方法与定点小数相同，其符号将决定数的符号，其长度将影响数的精度。为了使有限的二进制位数能表示出最多的数字位数，要求尾数的小数点后的第一位为非零数字（即为“1”），这样表示的数称为“规格化”的浮点数。 在计算机中，通常用一串连续的二进制位来存放二进制浮点数，它的一般结构如图2-24所示： 阶符  N 数符  R   假定某计算机的浮点数用4个字节来表示，其中阶码占一个字节，尾数占3个字节，且每一部分的第一位用于表示该部分的符号。则数的表示范围可达到，远远大于4个字节定点整数的表示范围。 浮点数的阶码和尾数均为带符号数，可分别用原码或补码表示。 2．4．2字符数据的表示 1．字符的编码 计算机除了用于数值计算外，还要处理大量符号如英文字母、汉字等非数值的信息。例如，当你要用计算机编写文章时，就需要将文章中的各种符号、英文字母、汉字等输入计算机，然后由计算机进行编辑排版。 目前，国际上通用的且使用最广泛的字符有：十进制数字符号0～9，大小写的英文字母，各种运算符、标点符号等，这些字符的个数不超过128个。为了便于计算机识别与处理，这些字符在计算机中是用二进制形式来表示的，通常称之为字符的二进制编码。 由于需要编码的字符不超过128个，因此，用七位二进制数就可以对这些字符进行编码。但为了方便，字符的二进制编码一般占八个二进制位，它正好占计算机存储器的一个字节。目前国际上通用的是美国标准信息交换码（American Standanl Code for Information Interchange ），简称为ASCII码（取英文单词的第一个字母的组合）。标准的ASCII编码使用7位二进制数来表示128个字符，包括英文大小写字母、数字、标点符号、特殊符号和特殊控制符。表2-2给出了ASCII码编码表。 表2-2 ASCII编码表 b7b6b5 b3b2b1b 0 000 001 010 011 100 101 110 111  0000 NUL DLE SP 0 @ P ` p  0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q  0010 STX DC2 “ 2 B R b r  0011 ETX DC3 # 3 C S c s  0100 EOT DC4 $ 4 D T d t  0101 ENG NAK % 5 E U e u  0110 ACK SYN & 6 F V f v  0111 BEL ETB ‘ 7 G W g w  1000 BS CAN ( 8 H X h x  1001 HT EM ) 9 I Y i y  1010 LF SUB * : J Z j z  1011 VT ESC + ; K [ k {  1100 FF FS , < L \ l |  1101 CR GS - = M ] m }  1110 SO RS . > N ^ n ~  1111 SI US / ? O _ o DEL   2．4．3 图像数据的表示 随着信息技术的发展，越来越多的图形、图像信息要求计算机来存储和处理。 在计算机系统中，有两种不同的图形、图像编码方式，即位图编码和矢量编码方式。两种编码方式的不同，影响到图像的质量、图像所占用的存储空间的大小、图像传送的时间和修改图像的难易程度。 1．位图图像 位图图像是以屏幕上的像素点信息来存储图像的。 最简单的位图图像是单色图像。单色图像只有黑白两种颜色，如果像素点上对应的图像单元为黑色，则在计算机中用“0”表示；如果对应的是白色，则在计算机中用“1”表示。 如果将屏幕的水平分辨率与垂直分辨率相乘，则得到屏幕的像素数，即：640×480=307 200。 对于单色图像，使用一位二进制数来表示一个像素，所以存储一幅满屏单色的位图图像的字节数也就能计算出来： 307 200÷8=38 400 因此分辨率为640×480的满屏单色图像需要38 400个字节来存储，这个存储空间不算大。但是单色图像看起来不太真实，很少使用。 灰度图像要比单色图像看起来更真实些。灰度图像用灰色按比壤允就枷瘢褂玫幕叶燃对蕉啵枷窨雌鹄丛秸媸怠? 通常计算机用256级灰度来显示图像。在256级灰度图像中，每个像素可以是白色、 黑色或灰度中254级中的任何一个，也就是说，每个像素有256种信息表示的可能性。所以在灰度图像中，存储一个像素的图像需要256个信息单元，即需要一个字节的存储空间；因此，一幅分辨率为640×480、满屏的灰度图像需要307 200个字节的存储空间。 计算机可以使用16、256或1 670万种颜色来显示彩色图像，用户将会得到更为真实的图像。 16色的图像中，每个像素可以有16种颜色。每个像素需要4位二进制数来存储信息。因此，一幅满屏的16色位图图像需要的存储容量为38 400×4=153 600个字节。 256色的位图图像，每个像素可以有256种颜色。为了表示256个不同的信息单元， 每个像素需要8位二进制数来存储信息，即一个字节。因此，一幅满屏的：256色位图图像需要的存储容量为307 200个字节，是16色的两倍，与256级灰度图像相同。 1670万色的位图图像称为24位图像或真彩色图像。其每个像素可以有1 670万种颜色。每个像素需要24位二进制数来存储信息，即3个字节。显然，一幅满屏的真彩色图像需要的存储容量更大。 从上面对位图图像的分析可知，包含图像的文件都很大。这样大的文件需要很大容量的存储器来存储，并且传输和下载的时间也很长。例如，从因特网上下载一幅分辨率为640×480的256色图像至少需要1分钟；一幅16色的图像需要一半的时间；而一幅真彩色图像则会需要更多的时间。 位图图像常用来表现现实图像，其适合于表现比较细致、层次和色彩比较丰富、包含大量细节的图像。例如扫描的图像，摄像机、数字照相机拍摄的图像，或帧捕捉设备获得的数字化帧画面。经常使用的位图图像文件扩展名有BMP、PCX、TIF、JPG和GIF等。 由像素矩阵组成的位图图像可以修改或编辑单个像素，即可以使用位图软件(也称照片编辑软件或绘画软件)来修改位图文件。可用来修改或编辑位图图像的软件，如Microsoft Paint、PC Painthrush、Adobe Photoshop、Micrografx Picture Publisher等，这些软件能够将图片的局部区域放大，而后进行修改。 2．矢量图像 矢量图像是由一组存储在计算机中，描述点、线、面等大小形状及其位置、维数的指令组成，而不是真正的图像。它是通过读取这些指令并将其转换为屏幕上所显示的形状和颜色的方式来显示图像的，矢量图像看起来没有位图图像真实。用来生成矢量图像的软件通常称为绘图软件，如常用的有Micrographx Designer和CorelDraw。 矢量图像的主要优点在于它的存储空间比位图图像小。矢量图像的存储空间依赖于图像的复杂性，每条指令都需要存储空间，所以图像中的线条、图形、填充模式越多，需要的存储空间越大。但总的来说；由于矢量图像存储的是指令，要比位图图像文件小得多。 其次，矢量图像还可以分别控制处理图中的各个部分，即把图像的一部分当作一个单独的对象，单独加以拉伸、缩小、变形、移动和删除，而整体图像不失真。不同的物体还可以在屏幕上重叠并保持各自的特性，必要时仍可分开。所以，矢量图像主要用于线性图画、工程制图及美术字等。经常使用的矢量图像文件扩展名有WMF、DXF、MGX和CGM等。 矢量图像的主要缺点是处理起来比较复杂，用矢量图格式表示一复杂图形需花费程序员和计算机的大量时间，比较费时，所以通常先用矢量图形创建复杂的图，再将其转换为位图图像来进行处理。 总之，显示位图图像要比显示矢量图像快，但位图图像所要求的存储空间大。矢量图像的关键技术是图形的制作和再现，而位图图像的关键技术则是图像的扫描、编辑、无失真压缩、快速解压和色彩一致性再现等。 2．4．4 视频数据的表示 视频是图像数据的一种，由若干有联系的图像数据连续播放而形成。人们一般讲的视频信号为电视信号，是模拟量，而计算机视频信号则是数字量。 视频信息实际上是由许多幅单个画面所构成的。电影、电视通过快速播放每帧画面，再加上人眼的视觉滞留效应便产生了连续运动的效果。视频信号的数字化是指在一定时间内以一定的速度对单帧视频信号进行捕获、处理以生成数字信息的过程。与模拟视频相比，数字视频的优点如下： (1)数字视频可以无失真地进行无限次复制，而模拟视频信息每转录一次，就会有一次误差积累，产生信息失真。 (2)可以用许多新方法对数字视频进行创造性的编辑，如字幕电视特技等。 (3)使用数字视频可以用较少的时间和费用创作出用于培训教育的交互节目，以及实现用计算机播放电影节目等。 数字视频也存在数据量大的问题。因为数字视频是由一系列的帧组成，每个帧是一幅静止的图像，并且图像也使用位图文件形式表示。通常，视频每秒钟需要显示30帧，所以数字视频需要巨大的存储容量。 一幅全屏的、分辨率为640x480的256色图像需要有307 200字节的存储容量。那 么一秒钟数字视频需要的存储空间是30乘上307 200，即9 216 000个字节，约为9兆。 两小时的电影需要66 355 200 000个字节，超过66GB。这样大概只有使用超级计算机才能播放。所以在存储和传输数字视频过程中必须使用压缩编码。 2．4．5 音频数据的表示 计算机可以记录、存储和播放声音。在计算机中声音可分成数字音频文件和MIDI 文件。 1．数字音频 复杂的声波由许许多多具有不同振幅和频率的正弦波组合而成，这些连续的模拟量不能由计算机直接处理，必须将其数字化才能被计算机存储和处理。 计算机获取声音信息的过程就是声音信号的数字化处理过程。经过数字化处理之后的数字声音信息能够像文字和图像信息一样被计算机存储和处理。如图2-25所示为模拟声音信号转化为数字音频信号的大致过程。 音频采样与量喊逊群褪奔淞男藕疟涑煞群褪奔渖喜涣男藕判蛄校词只２裳德手冈诓裳舻墓讨校棵胫佣陨舨饬康拇问２裳德室訦z为 单位，常用的采样频率有：44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz。 量化精度：对波形进行量化时的等分数值的多少，与存储一个数值的存储量相对应，通常有：8位、16位、32位、64位的量化精度。 采样频率越高，量化精度越高，单位时间内所得到的振幅值就越多，那么对原声音曲线的模拟就越精确。但此时所需要的计算机存储容量也越大，对计算机信息处理速度的要求也越高。 把数字化的声音文件以同样的采样频率转换为电压值去驱动扬声器，则可听到和原波形几乎一样的声音。 存储在计算机上的声音文件的扩展名为WAV、MOD、AU和VOC等。要记录和播放声音文件，需要使用声音软件；声音软件通常都要使用声卡。 2．MIDI文件 乐器数字接口(musical instrument digital interface，MIDl)是电子乐器与计算机之间的连接界面和信息交流方式。MIDI格式的文件扩展名为mid，通常把MIDI格式的文件简称为“MIDI文件”， MIDI，是数字音乐国际标准。数字式电子乐器的出现，为计算机处理音乐创造了极为有利的条件．MIDI声音与数字化波形声音充全不伺，它不是对声波进行胁裳炕捅嗦搿Ｋ导噬鲜且淮毙蛎睿糜诩锹嫉缱永制骷痰嗟男畔ⅲ⒘Χ取⑹敝党ざ痰取Ｕ庑┬畔⒊莆狹IDI消息，是乐谱的一种数字式描述。当需要播放时，只需从相应的MIDI文件中读出MIDI消息，生成所需要的乐器声音波形，经放大后由扬声器输出即可。 MIDI文件的存储容量较数字音频文件小得多。如3分钟的MIDI音乐仅仅需要10KB的存储空间，而3分钟的数字音频信号音乐需要15MB的存储容量。 习 题 二 简答题 1．简述计算机系统组成。 2．简述计算机的工作原理。 3．微型计算机的主板主要包含哪些部件？各部件的主要功能是什么？ 4．简述外部设备在系统中的作用。 5．将下面二进制数转化为对应的十进制数、八进制数、十六进制数。 ? （1）10110 （2）11001 （3）11001010 （4）01000101 6．简述位图图像和矢量图像在计算机中的存储方式。 ?