計算機概述

計算機的基本組成:

• 儲存器:　　　　　實現記憶功能的部件用來存放計算程式及參與運算的各種資料
• 運算器:　　　　　負責資料的算術運算和邏輯運算即資料的加工處理
• 控制器:　　　　　負責對程式規定的控制資訊進行分析,控制並協調輸入,輸出操作或記憶體訪問
• 輸入裝置:　　　　實現計算程式和原始資料的輸入
• 輸出裝置:　　　　實現計算結果輸出

組成的聯絡:

• 圖一
  
• 圖二
  

計算機的工作過程:

• 使用者開啟程式
• 系統把程式程式碼段和資料段送入計算機的記憶體
• 控制器從儲存器中取指令
• 控制器分析,執行指令,為取下一條指令做準備
• 取下一條指令,分析執行,如此重複操作,直至執行完程式中全部指令,便可獲得全部指令

馮·諾依曼機制:

• 程式儲存
• 採用2進位制

計算機系統的體系結構:

• 圖一:
  
• 圖二
  

資料概述

資料資訊的兩種基本方法:

• 按值表示:　　要求在選定的進位制中正確表示出數值，包括數字符號，小數點正負號
• 按形表示:　　按一定的編碼方法表示資料

資訊的儲存單位:

•  1KB=2^10B=1024Byte
•  1MB=2^20B=1024KB
•  1GB=2^30B=1o24MB
•  1TB=2^40B=1024GB

浮點表示法:

公式:　　N=2^(+-e)*(+-s)

說明:

• E為階碼　　它是一個二進位制正整數
• 階符（Ef）　　E前的+—為階碼的符號
• S稱為尾數它是一個二進位制正小數
• 尾符（Sf）　　S前的+—為尾數的符號
• “2”是階碼E的底線

R進製表示法:

計算機中常用的進位制數的表示:

進位制　　　　二進位制　　　　八進位制　　　　十進位制　　　　十六進位制　　

規則　　　　 　 逢二進一　　　 逢八進一　　    逢十進一　　    逢十六進一
基數　　　　  　R=2　　　　　 R=8　　　　　 R=10　　　　 R=16
數碼　　　　　  0、1　　　　   0…7　　　　　 0…9　　　　 　0…F
權　　　　　 　 2^i　　　　　  8^i　　　　　  10^i　　　　   16^i
形式表示　　　  B　　　　　　  Q　　　　　　  D　　　　   　 H

不同進位制之間的轉化:

• 十進位制與R進位制轉換:
  　　十進位制轉R進位制:
  　　　　整數的轉化:　　　　“採用除R取餘法”，從最後一次除得餘數讀取.
  　　　　小數部分的轉化:　　“採用乘R取整數”將所得小數從第一次乘得整數讀起，就是這個十進位制小數所對應的R進位制小數
  　　R進位制轉十進位制:
  　　　　使用權相加，即將各位進位制數碼與它對應的權相乘，其積相加，和數即為該R進位制數相對應的十進位制數
• 二進位制，八進位制，十六進位制轉化:
  •  （二進位制 八進位制）“三位並一位”
  • （八進位制 二進位制）“一位拆三位”
  • （二進位制 十六進位制）“四位並一位”
  • （十六進位制 二進位制）“一位拆四位”
  • （十六進位制 八進位制）“一位拆兩位”
  • （八進位制 十六進位制）“二位並一位”

原碼,反碼,補碼,BCD碼:

二進位制的原碼,反碼及補碼:

• 真值:　　一個數的正號用“+”表示,負號用“—”表示,即為該數真值
• 機器數:　　以0表示整數的符號,用1表示負數的符號,並且每一位數值也用0,1表示,這樣的數叫機器數也叫機器碼
• 原碼:　　數的原碼錶示在機器中用符號位的0和1表示數的正負號,而其餘表示其數本身
• 反碼:
  • 對於正數其反碼與原碼相同
  • 對於負數其反碼與原碼的符號位不變數值各位取反即0變1,1變0
• 補碼:
  • 對於正數其補碼與原碼相同
  • 對於負數補碼與原碼的符號位不變,數值各位取反,末尾加1

原碼,反碼,補碼之間的關係:

BCD碼:

(二→十進位制) 用思維二進位制程式碼對一位十進位制數進行編碼
例：(931)10=(1001 0011 0001)2

BCD奇偶校驗碼:

十進位制　　　　　　BCD碼　　　　　　奇校驗碼　　　　　　偶校驗碼　　　　
0　　　　　　　　　0000　　　　　　　00001　　　　　　 　00000
1　　　　　　　　　0001　　　　　　　00010　　　　　　　 00011
2　　　　　　　　　0010　　　　　　　00100　　　　　　　 00101
3　　　　　　　　　0011　　　　　　　00111　　　　　　　 00110
4　　　　　　　　　0100　　　　　　　01000　　　　　　　 01001 

二進位制四則運算:

運算規則:

• 加法規則:　　0+0=0;　　0+1=1+0=1 1+1=1
• 減法規則:　　0-0=0;　　1-0=1;　　1-1=0;　　0-1=1
• 乘法規則:　　0*0=0;　　0*1=1*0=0;　　1*1=1
• 除法規則:　　0∕1=0;　　1∕1=1

運算公式:

• 【X】補+【Y】補=【X+Y】補
• 【X-Y】補=【X+(-Y)】補=【X】補+【-Y】補

邏輯運算:

• 定義:　　實現了邏輯變數之間的運算
• 分類:
  • 邏輯加法 (‘或’運算)
  • 邏輯乘法 (‘與’運算)
  • 邏輯否定 (‘非’運算)

邏輯運算:

• ‘或’:
  • 運算規則:　　0∪0=0;　　0∪1=1;　　1∪0=1;　　1∪1=1【1—真,0—假】
  • 運算式:　　C=A∪B 或 C=A+B(只有決定某一事件條件中有一個或一個以上成立,這事件才能發生)
• ‘與’:
  • 運算規則:　　0∩0=0;　　0∩1=0;　　 1∩0=0;　　 1∩1=1
  • 運算式:　　C=A∩B 或 C=A－B 或C=A*B(只有決定某一事件的所有事件全部具備,這事才能發生)
• ‘非’:
  • 運算規則:　　ō = 1;　　ī = 0
  • 運算式:　　C=A(當決定某一事件的條件滿足時,事件不發生,反之事件發生)
• ‘異或’:
  • 運算規則:　　0異或0=0;　　0異或1=1;　　1異或0=1;　　1異或1=0
  • 運算式:　　C=A異或B【相同為0,不同為1】

邏輯代數常用公式

• 0-1律:　　　    　A+0=A;　　A*0=0
• 重疊律:　　　　   A+1=1;　　A*1=A;　　A+A=1;　　A*A=A
• 互補律:　　　　   A*(!A)=0;　　A+(!A)=1
• 又拾律:　　　   　!(!A)=A
• 交換律:　　　　   A+B=B+A;　　A*B=B*A
• 結合律:　　　   　A+(B+C)=(A+B)+C;　　A*(B*C)=(A*B)*C
• 分配率:　　　　   A*(B+C)=A*B+A*C;　　A+(B*C)=(A+B)*(A+C)
• 摩爾定律:　　　　!(A+B)=(!A)*(!B);　　!(A*B)=(!A)+(!B)

匯流排

定義:　　連線計算機各部件之間或各計算機直接的一束公共資訊線,它是計算機中傳送資訊程式碼的公共途徑

特點:

• 同一組匯流排在同一時刻只能接受一個傳送源,否則會發生衝突
• 資訊的傳送則可同時傳送給一個或多個目的地

分類:

• 傳送分類
  • 序列匯流排　　二進位制各位在一條線上是一位一位傳送的
  • 並行匯流排　　一次能同時傳送多個二進位制位數的匯流排
• 資訊分類
  • 資料匯流排　　在中央處理器與記憶體或I/0裝置之間傳送資料
  • 地址匯流排　　用來傳送單元或I/O裝置介面資訊
  • 控制匯流排　　負責在中央處理器或記憶體或外設之間傳送資訊
• 物件位置分類
  • 片內匯流排　　指計算機各晶片內部傳送資訊的通道<I^2C匯流排,SPL匯流排,SCI匯流排>
  • 外部匯流排　　微機和外部裝置之間匯流排用了外掛板一級互連<ISA匯流排,EISA匯流排,PCI匯流排>
  • 系統匯流排　　微機中各外掛與系統板<USB匯流排,IEEE-488匯流排,RS-485匯流排,RS-232-C匯流排>

匯流排標準依據:　　物理尺寸,引線陣列,訊號含義,功能和時序,工作頻率,匯流排協議

中央處理器

運算器組成:

• 算術邏輯單元(ALU)
• 通用暫存器組(R1 ~Rn)
• 多路選擇器(Mn)
• 標誌暫存器(FR)

控制器組成:

• 時標發生器(TGU)
• 主脈衝振盪器(MF)
• 地址形成器(AGU)
• 程式計數器(PC)
• 指令暫存器(IR)
• 指令譯碼器(ID)

匯流排:

• 資料匯流排(DBUS)
• 地址匯流排(ABUS)
• 控制匯流排(CBUS)

CPU執行原理圖:

CPU主要效能指標:

• 主頻:CPU內部工作的時鐘頻率,是CPU運算時工作頻率
• 外頻:主機板上提供一個基準節拍供各部件使用,主機板提供的節拍成為外頻
• 信頻:CPU作頻率以外頻的若干倍工作,CPU主頻是外頻的倍數成為CPU的信頻,這CPU工作頻率=信頻*外頻
• 基本字長:CPU一次處理的二進位制數的位數
• 地址匯流排寬度:地址匯流排寬度(地址匯流排的位數)決定了CPU可以訪問的儲存器的容量,不同型號的CPU匯流排寬度不同,因而使用的記憶體的最大容量也不一樣
• 資料匯流排寬度:資料匯流排寬度決定了CPU與記憶體輸入∕輸出裝置之間一次資料傳輸的資訊量

儲存器

定義:　　計算機儲存是存放資料和程式的裝置

分類:

• 主儲存器:　　也稱記憶體,儲存直接與CPU交換資訊,由半導體儲存器組成
• 輔助儲存器:　　也稱外存,存放當前不立即使用的資訊,它與主儲存器批量交換資訊,由磁帶機,磁帶盤及光碟組成

儲存層次:

記憶體與外存的比較:

　　　　　　主存　　　　　　　　　 　  　  輔存　　　　　　　　　　　　  

型別　　　　ROM　　　　RAM　　 　　  　 軟盤　　　   硬碟　　　  光碟　　

造價　　　　高　　　　    高　　　　　　　  低++　　　 低　　　　　低+

速度　　　　快　　　　　 快　　　　　　　  慢++　　　 慢　　　　   慢+

容量　　　  小+　　　　  小　　　　　　　   —　　　　　—　　　　　 —

斷電　　　  有　　　　　 無　　　　　　　   有　　　　　有　　　　　有

主存:

功能:

主儲存器是能由CPU直接編寫程式訪問的儲存器,它存放需要執行的程式與需要處理的資料,只能臨時存放資料,不能長久儲存資料

組成:

• 儲存體(MPS):　　由儲存單元組成（每個單元包含若干個儲存元件,每個元件可存一位二進位制數）且每個單元有一個編號,稱為儲存單元地址（地址）,通常一個儲存單元由8個儲存元件組成
• 地址暫存器(MAR):　　由若干個觸發器組成,用來存放訪問暫存器的地址,且地址暫存器長度與暫存器容量相匹配（即容量為1K,長度無2^10=1K）
• 地址譯碼器和驅動器
• 資料暫存器(MDR):　　資料暫存器由若干個觸發器組成,用來存放儲存單元中讀出的資料,或暫時存放從資料匯流排來的即將寫入儲存單元的資料【資料儲存器的寬度（w）應與儲存單元長度相匹配】

主要技術指標:

• 儲存容量:　　一般指儲存體所包含的儲存單元數量（N）
• 存取時間(TA):　　指儲存器從接受命令到讀出∕寫入資料並穩定在資料暫存器（MDP）輸出端
• 儲存週期(TMC):　　兩次獨立的存取操作之間所需的最短時間,通常TMC比TA長
• 存取速率:　　單位時間內主存與外部（如CPU）之間交換資訊的總位數
• 可靠性:　　用平均故障間隔時間MTBF來描述,即兩次故障之間的平均時間間隔

高速緩衝儲存器:

定義:　　高速緩衝儲存器是由存取速率較快的電路組成小容量儲存單元,即在記憶體的基礎上,再增加一層稱為高速緩衝儲存器

特點:　　比主存快5 ~10倍

虛擬儲存器:　　它是建立在主存-輔存物理結構基礎之上,由附加硬體裝置及作業系統儲存管理軟體組成的一種儲存體系,它將主存與輔存的地址空間統一編址,形成一個龐大的儲存空間,因為實“際上CPU只能執行調入主存的程式,所以這樣的儲存體系成為“虛擬儲存器”

ROM與RAM

RAM(隨機儲存器)

可讀出,也可寫入,隨機存取,意味著存取任一單元所需的時間相同,當斷電後,儲存內容立即消失,稱為易失性

ROM(只讀儲存器)

• 定義:　　ROM一旦有了資訊,不易改變,結構簡單,所以密度比可讀寫儲存器高,具有易失性
• 分類:
  • 固定掩模型ROM（不能再修改）
  • PROM可程式設計之讀儲存器（由使用者寫入,但只允許程式設計一次）
  • EPROM可擦除可程式設計只讀儲存器(可用紫外線照射擦除裡面內容)
  • E2PROM電擦除可程式設計只讀儲存器（由電便可擦除裡面內容）

輔存(硬碟)

說明:　　是以鋁合金圓盤為基片,上下兩面塗有磁性材料而製成的磁碟

優點:　　體積小,重量輕,防塵性好,可靠性高,儲存量大,存取速度快,但多數它們固定於主機箱內,故不便攜帶,價格也高於軟盤

效能指標:　　轉速,超頻效能,快取,單碟容量,傳輸模式,發熱量,容量,平均等待時間

硬碟組成圖:

注意:

在整顆磁碟的第一個磁區特別的重要,因為他記錄了整顆磁碟的重要資訊！ 磁碟的第一個磁區主要記錄了兩個重要的資訊,分別是：

• 主要啟動記錄區(Master Boot Record, MBR)：可以安裝啟動管理程式的地方,有446 bytes
  <MBR是很重要的,因為當系統在啟動的時候會主動去讀取這個區塊的內容,這樣系統才會知道你的程式放在哪裡且該如何進行啟動>
• 分割表(partition table)：記錄整顆硬碟分割的狀態,有64 bytes

磁碟分割槽表(partition table):

利用參考對照磁柱號碼的方式來切割硬碟分割槽！ 在分割表所在的64 bytes容量中,總共分為四組記錄區,每組記錄區記錄了該區段的啟始與結束的磁柱號碼. 若將硬碟以長條形來看,然後將磁柱以直條圖來看,那麼那64 bytes的記錄區段有點像底下的圖示：

上圖中我們假設硬碟只有400個磁柱,共分割成為四個分割槽,第四個分割槽所在為第301到400號磁柱的範圍.

由於分割表就只有64 bytes而已,最多隻能容納四筆分割的記錄, 這四個分割的記錄被稱為主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根據上面的圖示與說明,我們可以得到幾個重點資訊：

• 其實所謂的『分割』只是針對那個64 bytes的分割表進行配置而已！
• 硬碟預設的分割表僅能寫入四組分割資訊<主要分割與擴充套件分配最多可以有四條(硬碟的限制)>
• 這四組分割資訊我們稱為主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽
• 擴充套件分配最多隻能有一個(作業系統的限制)
• 邏輯分割是由擴充套件分配持續切割出來的分割槽,如果擴充套件分配被破壞,所有邏輯分割將會被刪除
• 能夠被格式化後,作為資料存取的分割槽為主要分割與邏輯分割.擴充套件分配無法格式化
• 分割槽的最小單位為磁柱(cylinder)
• 邏輯分割的數量依作業系統而不同,在Linux系統中,IDE硬碟最多有59個邏輯分割(5號到63號), SATA硬碟則有11個邏輯分割(5號到15號)
• 當系統要寫入磁碟時,一定會參考磁碟分割槽表,才能針對某個分割槽進行資料的處理

總結:

• 扇區(Sector)為最小的物理儲存單位，每個扇區為 512 bytes；
• 將扇區組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小單位；
• 第一個扇區最重要，裡面有：(1)主要啟動區(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)， 其中 MBR 佔有 446 bytes，而 partition table 則佔有 64 bytes。

輸入/輸出裝置

輸入裝置

分類:

• 字元:　　鍵盤
• 圖形:　　滑鼠器 , 操縱桿 , 光筆
• 模擬:　　語音 , 模數轉化
• 影象:　　攝影機 , 掃描器 , 傳真機
• 光學閱讀:　　光學標記閱讀機 , 光學字元閱讀機

鍵盤分類(以介面型別):

•  PS∕2介面的
• USB介面的
• 無線的

滑鼠分類:

•  PS∕2介面 , USB介面 ( 以介面型別 )
• 機械式滑鼠 , 光電式滑鼠 ( 以內部構造 )
• 兩鍵滑鼠 , 三鍵滑鼠 ( 以按鍵數 )

語音輸入裝置: 主要部分:　　輸入器 , 模數轉換器 , 語音識別器

輸出裝置

印表機:

• 分類:
  • 擊打式印表機
    • 原理:　　利用機械動作打擊‘字型’使色帶和列印紙相撞
    • 分類:　　活字式列印 , 點陣式列印
    • 特點:　　結構簡單，價格便宜
  • 非擊打式印表機
    • 原理:　　用各種物理或化學的方法印刷字元
    • 分類:　　鐳射印表機 , 噴墨式列印
    • 特點:　　速度快，質量高，無噪聲，但價格高
• 主要效能指標:　　解析度 , 介面型別 , 列印速度

顯示器:

• 顯示器解析度:　　螢幕上光柵的行數和列數
• 分類:　　陰極射線管顯示器;  液晶顯示器;  等離子顯示器
• 主要技術指標:　　畫素 , 解析度 , 螢幕尺寸 , 重新整理頻率 , 點距 , 畫素色彩

輸入輸出裝置介面和控制方式

輸入輸出裝置介面:

• 資料傳送:　　序列口;  並行口;  程式型介面;  DMA型介面
• 通用性:　　通用介面;   專用介面
• 功能選擇:　　可程式設計介面;  不可程式設計介面

輸入輸出控制方式:

• 程式查詢方式 :
  
• 中斷控制方式:
  
• 直接儲存器存取方式
• 輸入輸出處理機方式

計算機的時標系統

時序控制方式:

同步控制方式:

• 定義 將操作時間劃分為許多時鐘週期,週期長度固定,每個時間週期完成一步操作,各頁操作應在規定時鐘週期內完成
• 優缺點
  • 優點：時序關係比較簡單,控制部件在結構上易於集中,設計方便
  • 缺點：在時間安排利用上不經濟
• 在同步控制方式中,都有統一的時鐘訊號,各種微操作都是在這一時鐘資訊的同步下完成的,稱這一時鐘訊號為計算機主頻,其週期稱為時鐘週期,稱完成一個基本操作所需要的時間為機器週期

非同步控制方式:

• 定義 各項操作按其需要選擇不同的時間,不受統一時鐘週期的約束,各步操作間的銜接與各部件之間資訊交換,採取應答的方式
• 優缺點:
  • 優點：時間緊湊,能按不同部件,裝置實際需求分配時間
  • 缺點：是實際非同步應答所需控制比較複雜

三級時標系統:

• 指令週期
• 機器週期
• 時鐘週期

影象顯示:

指令週期公式:

指令週期 = 時鐘週期*組成一個機械週期所需T的個數*組成一個指令週期所需M個數