计算机 - 组件

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计算机系统由三个组件组成：中央处理单元、输入设备和输出设备。输入设备将数据提供给处理器（处理单元），处理器处理数据并生成有用的信息，这些信息通过输出设备显示给用户。输出设备用于在计算机屏幕上或打印形式上向用户显示处理后的数据。下图描绘了计算机系统的主要组件：

图：计算机系统的组件

中央处理单元

中央处理单元 (CPU) 也被称为“计算机的大脑”。它控制着计算机所有组件的操作。

图：中央处理单元

CPU 本身具有三个组件，如下所示：

• 控制单元 (CU)

• ALU（算术逻辑单元）

• 内存或存储单元

控制单元

顾名思义，控制单元充当 CPU 的“大脑”。它执行指令并管理 CPU 内部的数据流，以执行计算机程序指定的任务。它在取指令-解码-执行周期中发挥着关键作用，这是一个 CPU 运行程序指令的基本过程。

控制单元的功能

• 指令获取 - 要运行和执行程序；CU 从 RAM（随机存取存储器）中获取指令。

• 指令解码 - 它解码获取的指令以确定要执行的操作。

• 指令执行 - CU 通过向 CPU 内部的适当功能单元（例如，用于算术和逻辑运算的 ALU）发送控制信号来执行指令

• 控制流管理 - 控制单元负责监督程序的控制流。它通过更新程序计数器来实现这一点，程序计数器使 CPU 能够根据条件语句或跳转转到序列中的下一条指令。

• 异常处理 - 系统通过适当地将中央处理单元 (CPU) 的控制流转移到管理此类异常的计划程序，从而有效地管理异常和中断，包括硬件故障、系统调用和外部事件。

• 流水线控制（在流水线 CPU 中） - 现代 CPU 采用流水线设计；CU 控制流水线的步骤，并确保指令快速安全地处理。

• 同步 - 在多核处理器的上下文中，CU 在促进跨多个内核的指令执行协调方面发挥着至关重要的作用，从而确保适当的同步和数据一致性的维护。

算术逻辑单元 (ALU)

算术逻辑单元 (ALU) 是一个组件，它已被广泛优化和设计以同时执行多个任务。它通常被构建为快速执行操作。它与其他 CPU 组件（例如寄存器、内存和控制单元）协同工作以执行复杂的指令。

ALU 的功能

• 算术运算 - ALU 可以执行基本的算术运算，例如加法、减法、乘法和除法。

• 逻辑运算 - ALU 还可以执行逻辑运算，如 AND、OR、NOT、XOR 和位移运算。

• 比较 - ALU 可以比较两个二进制值，并确定它们是否相等、大于或小于彼此。此功能在编程和排序算法中得到最广泛的应用。

内存单元

内存或存储单元是一个硬件组件，用于存储数据和指令，并在需要时检索它们。主要地，计算机内存被分类为临时内存（RAM）和永久内存（辅助存储器）。RAM 用于短期、快速的数据访问，对于活动程序的执行至关重要。另一方面，存储器或辅助存储器提供永久数据存储。因此，内存和存储单元都是计算机系统的重要组成部分。

内存的功能

内存（RAM - 随机存取存储器）

• RAM 也称为主存储器或临时存储器；它是一种易失性存储器，用于临时存储数据。

• 当计算机电源关闭或重新启动时，RAM 中的内容会被擦除。

• RAM 用于程序或指令执行。

• 一旦我们启动计算机；系统必要的文件、程序和操作系统文件被加载到 RAM 中，以确保计算机平稳运行。

• 计算机的 RAM 越大，它处理多任务的能力就越强，运行应用程序的速度就越快，因为数据可以更快地访问。

存储（硬盘、SSD、闪存驱动器等）

• 存储设备用于永久存储数据，即使计算机关闭时也是如此。

• 它们本质上是非易失性的；即使电源关闭或系统重新启动，数据也能保持完整。

• 最流行和最常用的存储设备是硬盘 (HD)、固态硬盘 (SSD)、USB 闪存驱动器和光盘（例如 DVD）、U 盘。

• 这些设备的数据存储容量从千兆字节 (GB) 到太字节 (TB) 甚至更多，具体取决于存储设备的类型和大小。

输入设备

用于向计算机系统提供输入的设备称为输入设备。

键盘

键盘是最常见且非常流行的输入设备，它有助于将数据输入到计算机中。键盘的布局类似于传统的打字机，尽管提供了一些额外的按键来执行其他功能。有不同类型的键盘；每个都针对特定用途而设计。

• QWERTY 键盘 - QWERTY 是最常用的键盘。它以键盘顶行前六个字母命名。

QWERTY 键盘通常在个人计算机中找到，并且被认为是打字机的标准配置。这些设备专门设计用于一般的打字任务。

• 机械键盘 - 机械键盘上的每个按键都有一个机械开关。不同类型的开关提供不同级别的触觉反馈和触发力。

打字员和需要精确且舒适打字体验的游戏玩家喜欢这些开关，因为它们提供触觉和声音反馈。

• 薄膜键盘 - 笔记本电脑和廉价台式机键盘采用薄膜键盘。按下时，按键会接触到按键下方的橡胶或硅胶膜以记录击键。

• 人体工程学键盘 - 长时间打字会导致肌肉紧张和不适；人体工程学键盘专门设计用于缓解这些问题。

这些包括分离式键盘和轮廓键盘，它们弯曲以适合自然的手部姿势。

• 游戏键盘 - 游戏键盘针对游戏性能进行了优化。

它们通常具有可更改的照明、可编程按键和防鬼键技术，以防止在快速游戏过程中错失按键。一些游戏键盘包括机械开关，以实现更快的响应速度。

• 无线键盘 - 无线键盘使用蓝牙或射频连接到计算机和其他设备，无需电线。

笔记本电脑、平板电脑和智能电视使用它们来实现便利性和移动性。

• 虚拟键盘 - 基于软件的虚拟键盘用于智能手机和平板电脑。点击或滑动虚拟按键以输入文本或方向。

• 折叠键盘 - 折叠键盘便携且方便。

旅行者和需要小键盘的人可以折叠或包裹它们以进行存储和运输。

键盘上的按键

下表描述了键盘上的不同按键，如下所示：

鼠标

鼠标是最流行的输入设备。它也被称为指向设备。它是一种非常著名的光标控制设备，具有一个小型手掌大小的盒子，底部有一个圆球，该圆球感应鼠标的移动，并在按下鼠标按钮时向 CPU 发送相应的信号。通常，它有两个按钮，称为左按钮和右按钮，按钮之间有一个滚轮。鼠标可用于控制屏幕上光标的位置，但不能用于将文本输入到计算机中。

最常见的鼠标类型如下：

• 光学鼠标 - 光学鼠标通过 LED 灯和传感器检测运动。它们可以在许多表面上工作，并且是最常见的鼠标。

• 轨迹球鼠标 - 轨迹球鼠标顶部有一个静止的球，用户可以用手指或拇指滚动。

移动控制屏幕光标。当空间或精度受限时，使用轨迹球鼠标。

• 无线鼠标 - 蓝牙或 USB 接收器将无线鼠标连接到计算机和设备。它们是无绳的，因此移动更加自由。

无线鼠标可以充电或使用一次性电池。

• 有线鼠标 − 它们无需电池或无线连接即可工作，对于不想担心信号干扰的用户来说，是不错的解决方案。它们使用物理线缆连接到计算机。

• 游戏鼠标 − 游戏鼠标具有可配置按钮、可调节DPI和符合人体工程学的符合人体工程学设计，方便长时间使用。游戏鼠标针对快速、精确的移动进行了优化。

操纵杆

操纵杆也是一种指向设备，用于移动显示器屏幕上的光标位置。它是一个杆，其上下两端都带有球形球。下方的球形球在一个插座中移动。操纵杆可以向四个方向移动。

操纵杆的功能类似于鼠标。它主要用于计算机辅助设计 (CAD) 和玩电脑游戏。

光笔

光笔是一种类似于笔的指向设备。它用于选择显示的菜单项或在监视器屏幕上绘制图片。它由一个光电管和一个放置在小管中的光学系统组成。

当光笔的笔尖在监视器屏幕上移动并按下笔按钮时，其光电管传感元件会检测屏幕位置并将相应的信号发送到CPU。

轨迹球

轨迹球是一种输入设备，主要用于笔记本电脑或便携式电脑，而不是鼠标。这是一个半插入的球，通过在球上移动手指，可以移动指针。

由于整个设备没有移动，因此轨迹球比鼠标需要的空间更少。轨迹球有多种形状，例如球形、按钮形或方形。

扫描仪

扫描仪是一种输入设备，其工作原理更像是复印机。当某些信息以纸质形式提供，并且需要将其传输到计算机的硬盘以供进一步处理时，可以使用它。

扫描仪从源捕获图像，然后将其转换为可以存储在磁盘上的数字形式。在打印这些图像之前，可以对其进行编辑。

数字化仪

数字化仪是一种将模拟信息转换为数字形式的输入设备。数字化仪可以将来自电视或摄像机的信号转换为一系列数字，这些数字可以存储在计算机中。计算机可以使用它们来创建摄像机指向的任何事物的图片。

数字化仪也称为平板电脑或绘图板，因为它将图形和图片数据转换为二进制输入。作为数字化仪的图形平板电脑用于精细的绘图和图像处理应用程序。

麦克风

麦克风是一种输入声音的输入设备，然后将其存储为数字形式。

麦克风用于各种应用，例如向多媒体演示文稿添加声音或混合音乐。

磁墨水字符识别器 (MICR)

MICR 输入设备通常用于银行，因为每天需要处理大量的支票。银行代码号码和支票号码用特殊类型的墨水印在支票上，该墨水包含可机读的磁性材料颗粒。

此读取过程称为磁墨水字符识别 (MICR)。MICR 的主要优点是速度快且错误率低。

光学字符识别器 (OCR)

OCR 是一种用于读取印刷文本的输入设备。

OCR 光学扫描文本，逐个字符地进行扫描，将其转换为机器可读代码，并将文本存储在系统内存中。

条形码阅读器

条形码阅读器是一种用于读取条形码数据（以明暗线条形式存在的数据）的设备。条形码数据通常用于商品标签、书籍编号等。它可以是手持式扫描仪，也可以嵌入固定式扫描仪中。

条形码阅读器扫描条形码图像，将其转换为字母数字值，然后馈送到条形码阅读器连接的计算机。

光标阅读器 (OMR)

OMR 是一种特殊类型的光学扫描仪，用于识别笔或铅笔所做的标记类型。它用于在少数备选方案中选择并标记其中一个。

它专门用于检查选择题考试的答题纸。

输出设备

以下是计算机中使用的一些重要的输出设备。

• 显示器

• 图形绘图仪

• 打印机

显示器

显示器，通常称为视觉显示单元 (VDU)，是计算机的主要输出设备。它从称为像素的小点形成图像，这些像素以矩形形式排列。图像的清晰度取决于像素的数量。

显示器使用两种类型的观看屏幕。

• 阴极射线管 (CRT)

• 平板显示器

阴极射线管 (CRT) 显示器

CRT 显示器由称为像素的小图像元素组成。像素越小，图像清晰度或分辨率越高。形成一个完整的字符（例如单词“help”中的字母“e”）需要多个发光的像素。

一次可以在屏幕上显示有限数量的字符。屏幕可以分为一系列字符框 - 屏幕上字符可以放置的固定位置。大多数屏幕能够水平显示 80 个数据字符和垂直显示 25 行。

CRT 有一些缺点 -

• 尺寸大

• 功耗高

平板显示器

平板显示器指的是一类视频设备，与 CRT 相比，其体积、重量和功耗都降低了。您可以将它们挂在墙上或戴在手腕上。平板显示器的当前用途包括计算器、视频游戏、显示器、笔记本电脑和图形显示。

平板显示器分为两类 -

• 发射显示器 − 发射显示器是将电能转换为光的设备。例如，等离子显示面板和 LED（发光二极管）。

• 非发射显示器 − 非发射显示器使用光学效应将阳光或其他光源的光转换为图形图案。例如，LCD（液晶显示器）。

图形绘图仪

计算机图形和工程应用使用图形绘图仪在纸张或其他介质上创建高质量、准确和详细的图形或图。它可以精确地绘制连续线，并且适合矢量图形，这与标准打印机不同。图形绘图仪的主要特点如下 -

• 矢量图形 − 矢量图形允许图形绘图仪使用连续点而不是像光栅打印机那样的点来精确创建线条和形状。

• 笔或笔状工具 − 用于图形绘图仪的笔或类似的工具在纸上绘制。笔可以在可移动臂上沿 X 和 Y 方向移动以绘制复杂的形状。

• 应用 − 图形绘图仪用于工程、建筑、制图和纺织品设计。在数字化之前，它们很流行用于技术图纸和图表。

矢量图形绘图仪输出准确且详细的图形。即使数字印刷使它们的使用范围减少，它们仍然用于需要准确性和高质量输出的行业和应用中。

打印机

打印机是一种输出设备，用于在纸上打印信息。

打印机有两种类型 -

• 冲击式打印机

• 非冲击式打印机

冲击式打印机

冲击式打印机通过在色带上敲击字符来打印字符，然后将其压在纸上。

冲击式打印机的特点如下 -

• 消耗品成本非常低

• 噪音很大

• 由于成本低，因此适用于批量打印

• 与纸张有物理接触以生成图像

这些打印机有两种类型 -

• 字符打印机

• 行式打印机

字符打印机

字符打印机是指一次打印一个字符的打印机。

它们进一步分为两种类型

• 点阵打印机 (DMP)

• 菊花轮打印机

点阵打印机

在市场上，最受欢迎的打印机之一是点阵打印机。这些打印机因其易于打印和经济的价格而受欢迎。打印的每个字符都以点模式的形式出现，打印头由大小为 (5*7、7*9、9*7 或 9*9) 的针矩阵组成，这些针伸出来形成一个字符，这就是为什么它被称为点阵打印机的原因。

优点

• 价格低廉

• 使用广泛

• 可以打印其他语言字符

缺点

• 速度慢

• 质量差

菊花轮打印机

打印头位于轮子上，对应于字符的针就像雏菊（花）的花瓣一样，因此被称为雏菊轮打印机。这些打印机通常用于需要发送少量字母的办公室中的文字处理，质量非常好。

优点

• 比 DMP 更可靠

• 质量更好

• 字符字体可以轻松更改

缺点

• 比 DMP 慢

• 噪音大

• 比 DMP 贵

行式打印机

行式打印机是指一次打印一行字符的打印机。

它们有两种类型 -

• 滚筒打印机

• 链式打印机

滚筒打印机

这种打印机形状像滚筒，因此被称为滚筒打印机。滚筒的表面被分成许多轨道。轨道的总数等于纸张的大小，即对于 132 个字符的纸张宽度，滚筒将有 132 个轨道。字符集压印在轨道上。市场上提供的不同字符集有 48 个字符集、64 个和 96 个字符集。滚筒旋转一次打印一行。滚筒打印机的速度很快，每分钟可以打印 300 到 2000 行。

优点

• 速度非常快

缺点

• 非常昂贵

• 字符字体无法更改

链式打印机

在这种打印机中，使用字符集链，因此称为链式打印机。标准字符集可能包含 48、64 或 96 个字符。

优点

• 字符字体可以轻松更改。

• 可以使用同一台打印机打印不同的语言。

缺点

• 噪音大

非冲击式打印机

非冲击式打印机在打印字符时不使用色带。这些打印机一次打印一整页，因此也称为页面打印机。

这些打印机有两种类型 -

• 激光打印机

• 喷墨打印机

非冲击式打印机的特点

• 速度快于冲击式打印机

• 噪音低

• 高质量

• 支持多种字体和不同的字符大小

激光打印机

这些是非冲击式页面打印机。它们使用激光光产生形成字符所需的点，并在页面上打印。

优点

• 速度非常快

• 非常高质量的输出

• 良好的图形质量

• 支持多种字体和不同的字符大小

缺点

• 价格昂贵

• 无法用于在一张打印纸上打印多份文档副本

喷墨打印机

喷墨打印机是非冲击式字符打印机，基于一项相对较新的技术。它们通过向纸张喷射微小的墨滴来打印字符。喷墨打印机可以产生具有良好外观的高质量输出。

它们产生的噪音较小，因为没有敲击动作，并且具有多种打印模式可供选择。彩色打印也是可能的。某些型号的喷墨打印机也可以打印多份副本。

优点

• 高质量打印

• 更可靠

缺点

• 价格昂贵，因为每页成本较高

• 与激光打印机相比速度较慢