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電腦概述
電腦的基本組成:
- 儲存空間: 實現記憶功能的組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: 實現計算程式和未經處理資料的輸入
- 輸出裝置: 實現計算結果輸出
組成的聯絡:
電腦的工作過程:
- 使用者開啟程式
- 系統把程式碼段和資料區段送入電腦的記憶體
- 控制器從儲存空間中取指令
- 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:
電腦系統的體繫結構:
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，包括數字記號，小數點加號或減號
- 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
浮點標記法:
公式: N=2^(+-e)*(+-s)
說明:
- E為階碼 它是一個二進位正整數
- 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進位標記法:
電腦中常用的進位數的表示:
進位制 二進位 八進位 十進位 十六進位
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
數位 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
不同進位之間的轉化:
- 十進位與R進位轉換:
十進位轉R進位:
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，就是這個十進位小數所對應的R進位小數
R進位轉十進位:
使用權相加，即將各位進位數位與它對應的權相乘，其積相加，和數即為該R進位數相對應的十進位數
- 二進位，八進位，十六進位轉化:
- （二進位 八進位）“三位並一位”
- （八進位 二進位）“一位拆三位”
- （二進位 十六進位）“四位並一位”
- （十六進位 二進位）“一位拆四位”
- （十六進位 八進位）“一位拆兩位”
- （八進位 十六進位）“二位並一位”
原碼,反碼,補碼,BCD碼:
二進位的原碼,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,並且每一位元值也用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表示數的加號或減號,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) 用思維二進位代碼對一位十進位數進行編碼
例：(931)10=(1001 0011 0001)2
BCD同位碼:
十進位 BCD碼 奇數同位碼 偶校正碼
0 0000 00001 00000
1 0001 00010 00011
2 0010 00100 00101
3 0011 00111 00110
4 0100 01000 01001
二進位四則運算:
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: 串連電腦各組件之間或各電腦直接的一束公用資訊線,它是電腦中傳送資訊代碼的公用途徑
特點:
- 同一組匯流排在同一時刻只能接受一個發送源,否則會發生衝突
- 資訊的發送則可同時發送給一個或多個目的地
分類:
- 傳送分類
- 串列匯流排 二進位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位元的匯流排
- 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
- 對象位置分類
- 片內匯流排 指電腦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擴充卡一級互連<ISA匯流排,EISA匯流排,PCI匯流排>
- 系統匯流排 微機中各外掛程式與系統板<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,引線數組,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:
- 算數邏輯單位(ALU)
- 通用寄存器組(R1 ~Rn)
- 多路選取器(Mn)
- 標誌寄存器(FR)
控制器組成:
- 時標發生器(TGU)
- 主脈衝振蕩器(MF)
- 地址形成器(AGU)
- 程式計數器(PC)
- 指令寄存器(IR)
- 指令解碼器(ID)
匯流排:
- 資料匯流排(DBUS)
- 地址匯流排(ABUS)
- 控制匯流排(CBUS)
CPU運行原理圖:
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:主板上提供一個基準節拍供各組件使用,主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一次處理的位元的位元
- 地址匯流排寬度:地址匯流排寬度(地址匯流排的位元)決定了CPU可以訪問的儲存空間的容量,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轉送的資訊量
儲存空間
定義: 電腦儲存是存放資料和程式的裝置
分類:
- 主儲存空間: 也稱記憶體,儲存直接與CPU交換資訊,由半導體儲存空間組成
- 輔助儲存空間: 也稱外存,存放當前不立即使用的資訊,它與主儲存空間批量交換資訊,由磁帶機,磁帶盤及光碟片組成
儲存層次:
記憶體與外存的比較:
主存 輔存
類型 ROM RAM 磁碟片 硬碟 光碟片
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:
主儲存空間是能由CPU直接編寫程式訪問的儲存空間,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,每個元件可存一位位元）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
- 地址寄存器(MAR): 由若干個觸發器組成,用來存放訪問寄存器的地址,且地址寄存器長度與寄存器容量相匹配（即容量為1K,長度無2^10=1K）
- 地址解碼器和磁碟機
- 資料寄存器(MDR): 資料寄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【資料存放區器的寬度（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): 指儲存空間從接受命令到讀出∕寫入資料並穩定在資料寄存器（MDP）輸出端
- 儲存周期(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元
- 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
高速緩衝儲存空間:
定義: 高速緩衝儲存空間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空間
特點: 比主存快5 ~10倍
虛擬儲存空間: 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“虛擬儲存空間”
ROM與RAM
RAM(隨機儲存空間)
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(唯讀記憶體)
- 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空間高,具有易失性
- 分類:
- 固定掩模型ROM（不能再修改）
- PROM可程式化之讀儲存空間（由使用者寫入,但只允許編程一次）
- EPROM可擦除可程式化唯讀記憶體(可用紫外線照射擦除裡面內容)
- E2PROM電擦除可程式化唯讀記憶體（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,價格也高於磁碟片
效能指標: 轉速,超頻效能,緩衝,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：
- 主要開機記錄區(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
磁碟分割表(partition table):
利用參考對照磁柱號碼的方式來切割硬碟分區！ 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：
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
- 擴充分配最多隻能有一個(作業系統的限制)
- 邏輯分割是由擴充分配持續切割出來的分割槽,如果擴充分配被破壞,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 , 操縱杆 , 光筆
- 類比: 語音 , 模數轉化
- 映像: 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(以介面類型):
滑鼠分類:
- PS∕2介面 , USB介面 ( 以介面類型 )
- 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 , 語音辨識器
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
- 非撞擊式印表機
- 原理: 用各種物理或化學的方法印刷字元
- 分類: 雷射印表機 , 噴墨式列印
- 特點: 速度快，品質高，無雜訊，但價格高
- 主要效能指標: 解析度 , 介面類型 , 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; 電漿顯示器
- 主要技術指標: 像素 , 解析度 , 螢幕尺寸 , 重新整理頻率 , 點距 , 像素色彩
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: 串列口; 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: 可程式化介面; 不可程式化介面
輸入輸出控制方式:
- 程式查詢方式 :
- 中斷控制方式:
- 直接儲存空間存取方式
- 輸入輸出處理機方式
電腦的時標系統
時序控制方式:
同步控制方式:
- 定義將操作時間劃分為許多刻度,周期長度固定,每個時間周期完成一步操作,各頁操作應在規定刻度內完成
- 優缺點
- 優點：時序關係比較簡單,控制組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,稱這一時鐘訊號為電腦主頻,其周期稱為刻度,稱完成一個基本操作所需要的時間為機器周期
非同步控制方式:
- 定義各項操作按其需要選擇不同的時間,不受統一刻度的約束,各步操作間的銜接與各組件之間資訊交換,採取應答的方式
- 優缺點:
- 優點：時間緊湊,能按不同組件,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:
映像顯示:
指令周期公式:
指令周期 = 刻度*組成一個機械周期所需T的個數*組成一個指令周期所需M個數
電腦群組成原理
