专升本信息技术

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1、信息技术

1.1 信息与信息技术

1.1.1、信息定义

定义1: 上信息是指“事物运动的状态及状态变化的方式”。

定义2：站在认识主体立场上来看，信息则是“认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用”。

信息与数据的关系： (掌握)
信息是对人有用的数据，这些信息将可能影响到人们的行为与决策，而数据则是信息的符号化表示

1.1.2、信息技术

信息技术 (掌握)

信息技术(Information Technology，简称IT)指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一类技术。基本的信息技术包括：
	＞ 扩展感觉器官功能的感测（获取）与识别技术。
	＞ 扩展神经系统功能的通信技术。
	＞ 扩展大脑功能的计算（处理）与存储技术。
	＞ 扩展效应器官功能的控制与显示技术。

具体案例：雷达、卫星遥感等感测与识别技术使人们的感知范围、感知精度和灵敏度大为提高：电话、电视、因特网(Internet)等通信技术与光、电、磁等信息存储技术几乎消除了人们交流信息的空间和时间障碍；计算机、机器人等信息处理和控制技术大大增强了人们的信息加工处理和控制能力。

现代信息技术 （常考填空题）

1、现代信息技术的主要特征是：以数字技术为基础、以计算机及其软件为核心采用电子技术（包括激光技术）进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制

2、现代信息技术的三大领域：微电子技术。通信技术、数字技术（计算帆技术）。

1.1.3、信息化与信息社会

1、蒸汽机的发明引发了从英国开始的第一次工业革命。
2、发电机和电动机的发明引发了第二次工业革命，它使电气化与工业化有机结合，以美国为代表的工业化国家取得了快速的经济发展。
3、从20世纪80年代开始，信息技术引发了第三次工业革命.

1.2 数字技术

1.2.1、比特的概念 (掌握)

1、数字技术的处理对象是比特“，其英文为“bit, 中文意译为一进位数字“或二进位，也可以简称为“位”。比特只有两种状态（取值）：它或者是数字0，成者是数字1。 

2、比特既没有颜色，也没有大小和重量。比特是组成数字信息的最小单位。比特在不同场合有不同的含义，使用它来表示数值、文“字、符号、图像和声音等。

1.2.2比特的存储

1、比特的存储经常使用种称为触发器的双稳态电路来完成。触发器有两个稳定状态。可分别用来表示0和1，在输入信号的作用下，它可以记录1个比特.使用集成电路制成的触发器工作速度极快，其工作频率可达到GHz的水平(1Hz10H2).
	
2、磁盘是利用磁介届表面区域的磁化状态来存储二进位信息的。光盘则通过“刻” 在盘片光滑表面上的微小凹坑来记录进位信息。

3、寄存器和丰导体存储器在电切断以后所存储的信息会丢失，它们称为易失性存储器。而磁盘和光盘即使断电以后也能保持所存储的信息不变，属于非易失性存储器，可用来长期存储信息。
经常使用的单位有： (掌握)
	千字节（简写为KB),1KB=2^10字节=1024B	(8bit=1b)
	兆字节（简写为MB),1MB=2^20字节=1024K
	吉字节（简写为B), 1GB=2^30字节=1024MB(千兆字节）
	太字节（简写为TB),1TB=2^40字节=1024GB(兆兆字节）

1.2.3、比特的传输

	信息是可以传输的，在数据通信和计算机网络中传输三进位信息时，由于是位一位串行传输的，传输速率的度量单位是每秒多少比特。
经常使用的传输速率单位如下: （掌握）
	比特/秒(b/s),也称“bps”。
	千比特/秒(kb/s),1kb/s=10^3比特 /秒=1000 b/s(小写k表示1000)
	兆比特/秒(Mb/s),1Mb/s=10^6比特 /秒=1000 kb/s
	古比特/秒(Gb/s),1Gb/s=10^9比特 /秒=1000 Mb/s
	太比特/秒(Tb/s),1Tb/s=10^12比特 /秒=1000 Gb/s
注意：小写字母k表示1000，大写字母K表示1024

1.2.4、比特的运算

逻辑加：

逻辑加（也称"或"运算，用符号 "OR"、"V" 或 "+"表示）
运算规则如下：
1+0=1，1+1=1，0+0=0. （只要有1结果就为1）

逻辑乘：

逻辑乘（也称"与"运算，用符号 "AND"、"到过来的V" 或 "."表示）
运算规则如下：
1.0=0，1.1=1，0.0=0. （只要有0结果就为0）

取反：

取反（也称"非"运算，用符号 "NOT" 或 "-"表示）运算
运算规则如下：
0取反为1，1取反为0.

1.3 微电子与集成电路技术

微电子技术是 实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术，它以集成电路为核心。

1.3.1、集成电路概述

	集成电路（IC)是20世纪50年代出现的，它以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻、电容等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。 现代集成电路使用的半导体材料主要是硅，也可以是化合物半导体如砷化镓等。 (1)
1、按晶体管数目分类
	小规模（SSI）:小于100 个电子元件 (small 集成对象一般为 门电路芯片)
	中规模（MSI)：100~3000		(middle)
	大规模（LSI):3000 ~10万		(large)
	超大规模（VLSI:10 万～100万	  (very large 市场上常用于PC机的CPU集成电路芯片) 
	极大规模（ULSI)：大于100万    

2、按结构、工艺分类
	双极型、金属-氧化物-半导体（MOS)型和双极-MOS型。

3、按功能分类
	数字集成电路和 模拟集成电路。

4、按用途分类 
	按用途分类：有通用集成电路和 专用集成电路（ASIC)。 main(）
	例如：微处理器和存储器芯片等都属于通用集成电路，而专用集成电路是按照某种应用的特定要求专门设计、定制的集成电路。	(1)
	中、小规模集成电路一般以简单的门电路或单级放大器为集成对象，大规模集成电路则以功能部件、子系统为集成对象。 现在PC机中使用的微处理器、芯片组、图形加速芯片等都是超大规模和极大规模集成电路。(1)

1.3.2、集成电路的制造

	集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装需要几百道工序，工艺复杂且技术难度非常高，其中有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成，生产、控制及测试设备也异常昂贵。

1.3.3、集成电路的发展趋势

1、集成电路的特点：

1. 体积小、重量轻、可靠性高。

2. 集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。 main()

3. 晶品体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。

4. 芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。

5. 摩尔（Moore)定律：单块集成电路的集成度平均每18—24个月翻一番。注意摩尔定律不可能永远成立。 main()

2、集成电路的现状和发展趋势：

	当前，世界上集成电路批量生产的主流技术已经达到12~14英寸晶圆、32nm（纳米）或22nm甚至14 nm 的工艺水平，并还在进一步提高。例如Intel公司微处理器2013的最新产品（Core i7），已经采用了22nm和14nm的工艺技术。在未来的十多年时间里，集成电路的技术还将得到进一步的发展。
	1m = 10^6 微米
	1m = 10^9 纳米/nm
	0.09微米 = 90纳米 (1微米=1000纳米)

1.3.4、IC卡

1、基本概念：

IC卡简称”集成电路卡”，把集成电路芯片密封在塑料卡基片内部，使其成为能存储、处理和传输数据的体。

2、IC卡按集成电路芯片分类：

1. 存储器卡一主要用于数据的存储，应用领域广泛，如电话卡、公交卡、医疗卡、饭卡等。
2. CPU 卡一也叫智能卡，具有存储、处理数据的功能，安全性能和智能花程度高。如SIM 卡。

3、IC卡按使用方式分类： (掌握)

1. 接触式IC卡 一 如电话卡，卡上通常含有一个金属触点，用于相应的读写系统进行操作。 
2. 非接触式IC卡 一 采用电磁感应方式无线传输数据，方便、快捷。 	

1.4 进制转化与原码反码补码概述

1.4.1、十进制数与二进制数

	十进制数是由10个不同的符号（0，1，2，3，4,5，6，7，8，9)组合表示的，用字符D表示十进制或默认不写。这些符号处于十进制数中不同位置时，其权值各不相同。例如：
2886.32D代表的实际数值是 2×10^3 + 8×10^2 + 8×10^1 + 6×10^0 + 3×10^-1 + 2×10^-2
	在十进计数制中，基数是“10”，它表示这种计数制一共使用 10个不同的数字符号，计数规则是“逢十进一”。
	使用比特来表示的数称为二进制数。它的基数是“2”，用字符B来表示，只使用两个不同的数字符号，即0和1，采用“逢二进一”的计数规则。例如:
	(110.11）。的实际数值是(110.11)2 =1×2^2 + 1×2^1 + 0×2^0 + 1×2^-1 + 1×2^-2 = （6.75）10 
也可以这样来表达：
	1110.11B=1×2^2 + 1×2^1 + 0×2^0 + 1×2^-1 + 1×2^-2 = 6.75D
	
		
1. 二进制 ——→ 十进制		main()
将二进制数的每一位乘上其对应的权值然后累加起来即可。如：
(111.001)B = (1×2^2 + 1×2^1 + 1×2^0 + 0×2^-1 + 0×2^-2 + 1×2^-3) = 7.125

2. 十进制整数 ——→ 二进制整数	main()
十进制整数转换成二进制整数可以采取 “除以2逆序取余法”  从余数下往上取值。 例如:
2 29  余1
 2 14  余0
  2 7   余1
   2 3   余1
    2 1	  余1
∴ 29D = 11101B

3. 十进制小数 ——→ 二进制小数		main()
	采取“乘以2顺序取整法”,即把给定的十进制小数不断乘以2，取乘积的整数部分作为二进制小数的最高位，然后把乘积小数部分再乘以2，取乘积的整数部分,得到二进制小数的第2位，重复上述过程,但是有时得到的是近似值。
0.6875 × 2 = 1.3750	 得1	(取整数部分的值)
0.3750 × 2 = 0.7500  得0
0.7500 × 2 = 1.5000  得1
0.5000 × 2 = 1.0000  得1 (得到1.0000可以停止了，但有时取不到1.000这时候就需要用≈符号)
∴ 0.6875 = 0.1011B	(余数上往下取值,)

1.4.2、二进制数的运算

与十进制数一样,对二进制数也可以进行加、减、乘、除等四则运算。
重点掌握加和减就可以了。

1.4.3、八进制与十六进制

八进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7共8个符号, 逢八进一, 用Q或o来表示, 例如: 
八进制转十进制 main(1)
	(365.2)8 = 3×8^2 + 6×8^1 + 5×8^0 + 2×8^-1 = (245.25)10
也可以这样表达
	365.2Q = 3×8^2 + 6×8^1 + 5×8^0 + 2×8^-1 = 245.25

十六进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F等16个符号, 其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制的10、11、12、13、14、15。用H来表示十六进制, 在十六进制数中, 低位逢十六进一、高位借一当作十六。例如：
十六进制转十进制 (1)
	F5.4H = 15×16^1 + 5×16^0 + 4×16^-1 = 245.25

1.4.4、二进制和八进制直接转化 (掌握)

1位八进制数与3位二进制数的对应关系:
八进制数		二进制数
0				000
1				001
2				010
3				011
4				100
5				101
6				110
7				111
如：2467.32Q = 010 100 110 111. 011 010 B (头和尾的0可以去掉) 

1.4.5、二进制和十六进制直接转化 (掌握)

1位十六进制数与4位二进制数的对应关系:
十大进制数		二进制数
8				1000
A				1010
C				1100
E				1110 
如: 35A2.CF H = 0011 0101 1010 0010. 1100 1111B (头和尾的0可以去掉) 

1.4.6、信息在计算机中的表示

1、数值信息的表示：

	数值信息指的是数学中的数，它有正负和大小之分。计算机中的数值信息分成整数和实数两大类。整数不使用小数点，或者说小数点始终隐含在个位数的右面，所以整数也叫做”定点数”。 计算机中的整数分为两类：不带符号位的整数（也称为无符号数）， 此类整数一定是正整致：谐符号位的整数，此类整数既表示正整数，又可表示负整数。

1. 无符号整数	main()
	无符号整数常常用于表示地址、索引等正整数，它们可以是8位16位~32位、64位甚至位数更多。
	8个二进位表示的正整数其取值范围是：0~255(2^8-1)
	16个二进位表示的正整数其取值范围是：0~65535(2^16-1）
	n个二进位表示的正整数其取值范围是：0~2^n-1.

                               
2. 带符号整数	main()
	带符号的整数必须使用一个二进位作为其符号位，一般总是最高位（最左的一位），“0”表示”（正数），"1"表示"一”（负数），其余各位则用来表示数值的大小。
 	如： 00101011 = +43		10101011 = -43
	数值为负的整数在计算机内不采用 “原码” 而采用 “补码” 的方法进行表示。负数使用补码表示时，符号位也是“1"，但绝对值部分的表示却是对原码的每一位取反后再在末位加 “1” 所得到的结果。案例如下：
	-43 => 1010 1011 原码		main()
	第一步 取反：  1101 0100 反码
	第二步 加 1:   1101 0101 补码

注意正数的原码、反码、补码是一样的。
	8个二进位补码表示取值范围是：-128~127（-2^7 ~ 2^7-1)
	16个二进位补码表示取值范围是：-32768-32767（-2^15 ~ 2^15-1)
	n个二进位补码表示取值范围是：-2^n-1 ~ 2^n-1 - 1
注意相同的位数，补码表示比原码麦示多表示一个数。
        

3. 浮点数
	实数通常是既有整数部分又有小数部分的鼓。整数和纯小数只是实数的特例。浮点数的长度可以是32位，64位甚至更长。一般说来，位数越：可表示的数的范国越大，精度也越高。 相同长度的浮点数和定点数，浮点数可表示的数的范围要比定点数大得多。 (1) 
	任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之积，乘幂中的指数部分用来指出实数中小数点的位置，纯小数部分决定了有效数字（一般要求纯小数部分的首位为非的有效数值）。通常阶码位数越多，可表示的实数的范围越大。尾数越多，可表示的实数的精度越高。

2、文字符导的表示：

	西文字符集由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊符号所组成。目前计到机中使用得最广泛的西文字符集及编码是ASCII字符集和 ASCII码，即美钢相准信息交换码。它已被国际标准化组织（ISO）批准为国际标准，在全世界通用。 基本的ASCII字行集共有128个字符，包括96个可打印字符（常用的字母：数标点符号等）和32个控制字符，每个字符使用7个二进位进行编码（叫做标准ASCII码） (1)
	虽然标准ASCII 码是7位的编码，但由于 "字节是计算机中最基本的存储和处理单位" ：故一般仍使用一个字节来存放一个ASCII码。每个字节中多余出来的位（最高位）在计算机内部通常保持为“0”，而在数据传输时可用作奇属校验位。
	常见的ASCII码： main()
	0~9：48~57		空格: 32		A~Z: 65~90		a~z: 97~122

3、图像等信息的表示：

	图像在计算机中的表示要比字符更复杂一些。为了在计算机中表示一幅图像，首先必须把图像离散成为M列、N行，这个过程称为图像的取样，取样后的图像分解成为 M×N 个取样点，每个取样点称为图像的1个像素，彩色图像的像素通常由红、绿、蓝（R、G、B）三个基色（分量）组成，灰度图像和黑白图像的像素只有一个亮度分量。像素的每个分量均采用无符号整数来表示。
	以黑白图像为例，像素只有“黑”与“白“2种，因此每个像素只需要用1个二进制位即可表示。

1.5 总结

1、进制的计算

二进制：0~1 B
八进制：0~7 Q、o
十进制：0~9 D
十六进制：0~F H

1. 任意其他进制数转换为 十进制通用方法
(abc.ef)x = c*x^0 + b*x^1 + a*x^2 + e*x^-1 + f*x^-2
x可以为 2、8、16进制。上面这种情况肯定可以精确转化。


2. 十进制转化为 其他任意进制通用方法
efg.ab
	整数部分：efg采用x取余数的方法，这个不存在等于的情况。
	小数部分：0.ab采用乘以x取整方法，这个存在不精确 需要约等于的情况。
案例：
8 215 余7
 8 27  余2
   8 3  余3
0.25×8=2.00
∴ 215.25 转八进制为 327.2

    
3. 二进制、八进制与十六进制的快速转换
二进制：1011110101111.01 
对应八进制：1 3 6 5 7 .2		(草稿纸上从右边开始3位一组，001 011 110 101 111 .010)

八进制：7 3 2 4 .3
对应二进制：111 011 010 100 .011	
对应十六进制：E D 4 .6		(把二进制换成四位一组1110 1101 0100 .0110)

**2、数的表示范围 **

无符号整数
   8个二进位表示的正整数其取值范围是：0~255(2^8-1)
   16个二进位表示的正整数其取值范围是：0~65535(2^16-1）
   n个二进位表示的正整数其取值范围是：0~2^n-1.

带符号整数
	带符号的整数必须使用一个二进位作为其符号位，一般总是最高位（最左的一位），“0”表示”（正数），“1”表示“一”（负数），其余各位则用来表示数值的大小。
        如： 00101011 = +43		10101011 = -43
        如：-43 => 1010 1011 原码		
        第一步 取反：  1101 0100 反码
        第二步 加 1:   1101 0101 补码
        

	注意正数的原码、反码、补码是一样的。
	注意相同的位数，补码表示比原码麦示多表示一个数。
			原码		反码		补码
		+0 0000..00	  0000..00	0000..00
		-0 1000..00	  1111..11	0000..00 (-0的补码可以看作是特殊情况)
		∴ -0的补码可以为 1 0000 0000 (-128)

8个二进位原码表示取值范围是：-127~127（-2^8-1 -1 ~ 2^7-1 -1)
8个二进位补码表示取值范围是：-128~127（-2^8-1 ~ 2^8-1 - 1)
n个二进位原码表示取值范围是：-127~127（-2^n-1 -1 ~ 2^n-1 -1)
n个二进位补码表示取值范围是：-128~127（-2^n-1 ~ 2^n-1 - 1)

————————————

2、计算机组成原理

2.1 计算机的组成与分类

2.1.1、计算机的发展 (掌握)

按照计算机所使用的主要元器件，可以分为四代
1. 第一代是电子管
2. 第二代是品体管
3. 第三代是中小规模集成电路
4. 第四代是大规模和超大规模集成电路

2.1.2 、计算机的组成

计算机系统：硬件和软件两部分组成。 main()
	1. 计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。	main()
    例如，计算机的处理器芯片、存储器芯片、底板、各类扩充板卡、机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机、硬盘等，它们都是计算机的硬件。

	2. 计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。（软件是由程序数据及相关文档组成） main()
    程序用来指挥计算机硬件—步步自动地进行规定的操作，数据则为程序处理的对象，文档是软件设计报告、操作使用说明等，它们都是软件不可缺少的组成部分。

2.1.3、计算机的逻辑组成（从功能上来讲）

	"计算机硬件主要包括 中央处理器（CPU)、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备五大部分，它们通过总线互相连接。CPU、内存储器、总线等构成了计算机的“主机“，输入／输出设备和外存储器等通常称为计算机的” 外围设备”，简称一外设。"	 main()

1. 中央处理器(CPU)
	负责对输入信息进行各种处理（例如计算、排产、分类检索等）的部件称为“处理器”。超大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都可以制作在一块面积仅为几个平方厘米的半导体芯片上，因为体积很小，"这样的处理器称为“微处理器”。(处理器和微处理器概念同等，CPU属于处理器或微处理器的范畴)" 
	一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同的任务，有的用于绘图，有的用于通信。其中"承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中央处理器(CPU)"。为了提高处理速度，计算机可以包含2个、4个、8个甚至几百个、几千个CPU。使用"多个CPU 实现超高速计算的技术称为“并行处理”"近些年来，个人计算机（PC)、平板电脑、智能手机等也普遍采用集成有2个、4个基至更多CPU在同一芯片内的所谓“多核”CPU芯片，使它们的性能得到进一步提高。
        

2. 内存储器和外存储器
存储器分为两大类：	main()
	>内存储器（简称内存或主存）
	>外存储器（简称外存或辅存）
	"内存存取速度快而容量相对较小（成本较高），外存存取速度较慢而容量相对很大"。内存储器与CPU 高速连接，它用来存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据。CPU 工作时，它所执行的指令及处理的数据都是从内存中取出的产生的结果一般也存放在内存中。
	"外存储器也称为辅助存储器，它能长期存放计算机系统中几乎所有的信息"。计算机执行程序时，外存中的程序及相关的数据必须先传送到内存，然后才能被CPU存取和使用。


3. 输出设备
	“输出”（output)表示把信息送出计算机。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式。显示器、打印机、绘图仪等都是输出文字和图形的设备，音箱是输出语音和音乐的设备。


4. 输入设备
	“输入”（input)是把信息送入计算机的过程。键盘、鼠标器、扫描仪、麦克风以及条码、磁卡、IC卡的扫描器或阅读器等。
	

5. 总线与I/O接口
	总线(bus)是用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）。有些计算机把用于连接CP和内存的总线称为CPU总线（或前端总线），把连接内存和I/O设备（包括外存）的总线称为I/O总线。为了方便地更换与扩充I/O设备，计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连。	

2.1.4、计算机的分类

1. 巨型计算机
	"巨型计算机也称超级计算机，它采用大规模井行处理的体系结构，包含有数以千万计的CPU。"它有极强的运算处理能力，运算速度达到每秒千万亿次浮点运算，大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、生物信息处理等领域。
	
	
2. 大型计算机
	"大型计算机（mainframe)指运算速度快，存储容量大"，通信连网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，通常含有几十个基至更多个CPU。它可以同时运行多个操作系统，因此不像是一台计算机而更像是多台虚拟机，因而可以替代多台普通的服务器，一般用于为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，承担主服务器（企业级服务器）的功能，在信息系统中起着核心作用。


3. 服务器
	服务器（Server)原木只是一个逻辑上的概念，指的是网络中专门为其他计算机提供资源和服务的那些计算机及相关软件：巨、大、中、小、微各种计算机原理上都可以作为服务器使用。但由于服务器往往需要具有较强的计算能力、高速的网络通信和良好的多任务处理功能，因此计算机生产厂商专门开发了用作服务器的一类计算机产品。与普通的PC相比，服务器需要连续工作在7×24小时的环境中，对可靠性、稳定性和安全性等要求更高。


4. 个人计算机
	个人计算机也称个人电脑PC机或微型计算机，它们是20 世纪80年代初由于单片微处理器的出现而开发成功的。"个人计算机的特点是体积小巧，结构精间（主机与外设组合在一起）功能丰富，使用方便"，通常由个人自己操作使用，并由此而得名。
	个人计算机分成台式机和便携机（笔记本电脑）两大类。需要注意，由于平板电脑和智能手机的软硬件结构、配置和应用有许多新的特点。虽然它们也是个人计算机的一个品种，但人们在很多场合提及时，往往专指那些使用微软公司windows操作系统和Intel（或AMD）公司CPU芯片的台式机和笔记本电脑，而把智能手机、平板电脑等称为“移动终端”。


5. 嵌入式计算机
	如果集成电路芯片中不仅包含微处理器，而且把存储器、输入/输出控制与接口电路等也都集成在芯片中，甚至把电子系统的模拟电路、数字/模拟混合电路和无线通信使用的射频电路等也都集成在单个艺片中，这样的超大规模集成电路称为SC(System on Chip)，国内称为片上系统或系统级芯片。
	现在，片上系统（SoC)己经成为嵌入式计算机的核心，嵌入式计算机是内敬在其他设备中的专用计算机，它们安装在手机，数码相机，MP3插放器、计算机外围设备、电视机机顶盒、汽车和空调等产品中，执行着特定的任务。

2.2 CPU的结构和原理

2.2.1、CPU的结构

CPU主要由三个部分组成（"运算器、控制器、寄存器组成"），分别如下

主要部件					功能
运算器(ALU)			"对数据进行各种算术运算和逻辑运算"，也称为算术逻辑运算部件。

控制器		CPU的指挥中心，协调机器各个部件工作，"它有一个指令计数器，用来存放CPU正在执行的指令的地址"。

寄存器组			"临时存放参加运算的数据和得到的中间结果"，由几十个寄存器组成。

"注意CPU里面还含有高速级存（Cache），一般是几MB。CPU包含若干个寄存器用来临时存放数据。"

2.2.2、CPU的工作原理

	日前我们所用的计算机是按照美籍甸牙利数学家 "冯．诺伊曼提出的 存储程序控制原理 进行工作的。"
	"科学家们正在研究的生物计算机采用非冯·诸依曼结构"。生物计算机也称仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。信息以波的形式传播, 当波沿着蛋白质分子链传播时, 会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化。运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍,它具有很强的抗电磁干扰能力, 并能彻底消除电路间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一, 且具有巨大的存储能力。生物计算机具有生物体的一些特点, 如能发挥生物本身的调节机能, 自动修复芯片上发生的故蹄, 还能模仿人脑的机制等。

2.2.3、CPU的性能指标

"计算机的性能在很大程度上是由CPU决定的。CPU的性能主要表现在程序执行速度的快慢, 而程序执行的速度与CPU相关的因素有很多。"

1. 字长(位数),字长指的是CPU中通用寄存器/定点运算器的宽度(即二进制整数运算的位数)。 由于存储器地址是整数, 整数运算是定点运算器完成的, 因而定点运算器的宽度也就大体决定了地址码位数的多少。地址码的长度决定了CPU可访问的存储器最大空间, 这是影响CPU性能的一个重要因素。个人计算机使用的CPU大多是32位处理器, 近些年使用的Core2和Core ia 3/i5/7则是64位处理器。

2. 主频(CPU时钟频率), 指CPU中电子线路的工作额率, 它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。目前大多数CPU的主频在1GHz~4GHz之间。

3. CPU总线速度。CPU总线(前端总线)的工作频率和数据线宽度决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢, 总线速度越快, CPU的性能将发挥得越充分。

4. 高速缓存(Cache))的容量与结构。程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问内存的次数。通常,Cache 容量越大、级数越多,其效用就越显著。

5. 指令系统。
6. 逻辑结构

7. 内核个数。为提高CPU芯片的性能, 现在CPU芯片往往包含有2个、4个、6个甚至更多CPU内核,每个内核都是一个独立的CP, 有各自的1级和2级Cache，共享3级cache 和前端总线。在操作系统支持下, 多个CPU内核并行工作, 内核越多, CPU芯片的整体性能越高。

2.2.4、指令和指令系统

"指令用二进制表示, 规定计算机执行什操作。指包括两部分: 操作码和操作数地址。"
	操作码：指出计算机应该执行何种操作。
	操作数地址（操作数）：指出该指令所处理的数据或数据所在的位置。
	每一种CPU都有它自己独特的一组指令。"CPU 所能执行的所有的指令的集合称为计算机的指令系统或指令组。机器指令由操作码和操作数组成。" 
    
	关于兼容性问题：
	"同一公司生产的CPU，一般保持向下兼容"，即新处理器中保留老处理器中的所有指令，同时扩充功能更强的新指令。
	"不同公司生产的CPU 各有自己的指令系统，它们未必互相兼容"。现在大部分PC 机都使用 Intel 公司的微处理器作为CPU，而许多平板电脑、智能手机使用的则是英国 ARM公司设计的微处理器，它们的指令系统有很大差别，再加上操作系统也不相同，因此PC机上的程序代码不能直接在平板电脑和智能手机上运行，反之也是如此。但有些PC机使用 AMD 公司的微处理器，它们与 Intel 处理器的指令系统基本一致，因此这些PC机相互兼容。

2.3 存储体系

2.3.1、存储器定义与分类

	计算机能够把程序和数据（包括原始数据、中间运算结果与最终结果等）存储起来，具有这种功能的部件就是“存储器”。
	"计算机包括两大存储体系，分别是内存储器和外存储器。"

2.3.2、内存和外存特点及区别

1、内存储器（简称内存或主存）

	"存取速度快、容量相对小，价格相对高，一般使用DRAM（动态随机存储器）芯片组成。直接与CPU 相连接（CPU 可直接访问）"。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新（Refresh)一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。（关机就会丢失数据）
	常见的内存有：寄存器、Cache（L1、L2)、主存储器（RAM和ROM）。

2、外存储器（简称外存或辅存）

	"存取速度慢、容量相对大，价格相对低。不直接与CPU 相连接（CPU 不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）"。非易失性，用于长期存放各类信息。
	常见的有：U盘、硬盘、光盘、后备存储器（带库、光盘库）

3、存储体系

2.3.3、内存储器

内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成。半导体存储器芯片按照是否能随机地进行读写，分为"只读存储器（Read Only Memory 简称ROM）和随机存取存储器（Random Access Memory 简称RAM）两大类。"

1. 只读存储器
	只读存储器（Read only Memory简称ROM），是一种能够永久或半永久地保存数据的存储器，即使掉电（或关机）后，存放在ROM中的数据也不会丢失，所以叫做非易失性存储器。
	日前广泛使用的Flash ROM（快擦除ROM，或闪速存储器），是一种新型的非易失性存储器，在低电压下，存储的信息可读不可写，而在较高电压下，存储的信息可以更改和删除。经常用于PC中的BIOS 程序，还可使用在数码相机和优盘中。


2. 随机存储器
	随机存取存储器（Random Access Memory简称RAM)，多采用MOS（金属氧化物半导体）型半导体集成电路芯片制成，属于易失性存储器。根据其保存数据的机理又可分为SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）两类。
> SRAM
   原理："SRAM 芯片用于构造高速Cache（高速缓冲存储器），简称缓存"。它的速度几乎与CPU一样快。Cache 中的数据只是主存很小一部分内容的副本。
   特点：
	1) 与DRAM 相比，它的电路较复杂，集成度低，功耗较大制造成本高，价格贵。
	2) "Cache的一个重要指标就是“命中率”"，即CPU需要的指令或数据在Cache中能直接找到的概率。一般来说Cache 容量越大越好, 访问Cache 的命中率就越高。由于成本原因, Cache的容量并不大。
	3) Cache 分为一级缓存和二级缓存,应用的早期一级缓存被设计在CPU内部,二级缓存被设计在主板上,随着集成电路制造工艺的改进,现在一级缓存和二级缓存都被设计在CPU内部。二级缓存的容量要大于一级缓存的容量。
    一级缓存(L1 Cache))(容量:几KB~几十KB)
    二级缓存(L2 Cache))(容量:128KB~4MB) 

> DRAM 
	为了保持数据, DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新(Refresh)一次, 如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。关机就会丢失数据。
  存储容量
    含义:指存储器所包含的存储单元的总数。
    单位:MB(1MB=2^20字节)或GB(1GB=2^30字节)
    每个存储单元(一个字节)都有一个地址,CPU按地址对存储器进行访问。
    存取时间: 在存储器地址被选定后,存储器读出数据并送到CPU所需要的时间。

2.3.4、外存储器之硬盘存储器

> 长期保存各类信息,可读写,大容量,不便携带
> 组成:磁盘片(存储介质)；主轴与主轴电机；移动臂和磁头；控制电路。

1、硬盘存储器的工作原理:

工作原理
	硬盘的盘片由铝合金(最新的硬盘盘片采用玻璃材料)制成,盘片上涂有一层很薄的磁性材料, 通过磁层的磁化来记录数据。
	一般一块硬盘由1-4张盘片(1张盘片也称为1个单碟)组成, 它们都固定在主轴上, 主轴底部有一个电机, 当硬盘工作时, 电机带动主轴, 主轴带动磁盘高速旋转, 其速度为每分钟几千转、甚至上万转。盘片高速旋转时带动的气流将盘片上的磁头托起, 磁头是一个质量很轻的薄膜组件, 它负责盘片上数据的写入或读出。移动臂用来固定磁头, 使磁头可以沿着盘片的径向高速移动, 以便定位到指定的磁道。

2、硬盘存储器的主要性能指标：

> 存储容量: 
	常见的容量有:40GB、80CB.120CB、250GB、500GB、ITB.2B、3TB
	
> 平均存取时间:
	硬盘存储器的平均存取时间由硬盘的旋转速度(PC机硬盘大多为每分钟7200转、5400转或4200转)、磁头的寻道时间和数据的传输速率所决定。硬盘旋转速度越高,磁头移动到数据所在磁道越快。对于缩短数据存取时间越有利。目前这两部分时间大约在几毫秒至几十亳秒之间。
	
> 缓存容量(RAN Cache))
	高速缓冲存储器能有效地改善硬盘的数据传输性能, 理论上讲Cache 是越快越好、越大越好。目前硬盘的缓存容量大多已达到8B以上, 目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题,以提高硬盘的读写速度。

> 数据传输速率
	数据传输速率分为外部传输速率和内部传输速率。"外部传输速牢接口传输速率：指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度",它与采用的接口类型有关。现在采用的SATA接口一般为150MB/s-300MB/s."内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度。通常远小于外部传输速率",一般而言,当单建容量相同时,转速越高内部传输速率也越快。"内部速率是评价硬盘数据传输速率的最佳指标。"
	
> 平均等待时间
	指当磁头移动到数据所在的磁道后, 然后等待所要的数据块继续转动到头下的时间。它是盘片旋转周期的1/2。

> 平均寻道时间
	指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁道寻找相应

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