冯·诺依曼模型 (The von Neumann Model)
核心概念：
1. 冯·诺依曼模型的基本结构：
• 该模型描述了现代计算机的基本结构，包含以下关键组件：
• 输入设备 (Input device)：
• 用于从用户向计算机传递信息，信息被存储到计算机的内存中。
• 例如：键盘、鼠标。
• 处理器 (Processor)：
• 处理输入信息，执行指令，并进行计算和逻辑操作。
• 处理器直接与内存交互，以访问和存储数据。
• 内存 (Memory)：
• 存储程序和数据。
• 内存分为主存储（RAM）和次级存储（如硬盘）。
• 输出设备 (Output device)：
• 将处理后的结果展示给用户。
• 例如：显示器、打印机。
2. 数据流：
• 数据从输入设备进入计算机，经由处理器处理（需要访问内存中的程序和数据），最终通过输出设备展示结果。
数据存储概述 (Data Storage - Overview)
1. 数据存储的组成：
• 数据存储分为以下四个主要部分：
• 主存储 (Main memory)：
• 计算机操作数据时的主要存储区域。
• 大容量存储 (Mass storage)：
• 包括硬盘、固态硬盘等，用于长期存储大量数据。
• 存储层次结构 (Memory hierarchy)：
• 描述了计算机中不同层次的存储器，从速度和容量的角度优化。
• 通常包括寄存器、缓存、主存储和辅助存储。
• 信息编码 (Coding of information)：
• 描述数据在存储器中的编码方式，如二进制表示。
2. 存储的重要性：
• 数据存储是计算机功能的基础，主存储用于程序执行，大容量存储用于长期保存数据。
数据存储类型 (Data Storage)
1. 数据存储的定义：
• 数据存储是计算机设备保存和保留数据的能力。
2. 两种主要存储类型：
• 主存储 (Main memory)：
• 用于存储正在运行的程序和当前操作的数据。
• 例如：RAM（随机存取存储器）。
• 大容量存储 (Mass storage)：
• 用于长期存储程序和数据，通常容量大但访问速度慢。
• 例如：硬盘、固态硬盘。
主存储 (Main Memory)
1. 定义：
• 主存储是计算机内部的物理存储，用于支持处理器执行程序。
• 处理器只能操作加载到主存储中的数据。
2. 主存储的重要性：
• 决定程序的执行能力：
• 主存储容量决定了可以同时运行的程序数量。
• 影响数据存储分配：
• 数据量过大会导致内存不足，需要优化存储分配。
3. 主存储与性能的关系：
• 内存越大，程序运行效率越高，程序执行时不需要频繁从硬盘读取数据。
主存储中的 RAM (Random Access Memory)
核心概念：
1. RAM 的作用：
• RAM 是主存储的核心组成部分，支持处理器快速存取数据。
• 数据在计算机关机时从 RAM 中丢失（属于易失性存储器）。
2. 随机访问 (Random Access)：
• RAM 可以以任何顺序访问存储单元，而不需要像磁带一样依次读取。
• 每个存储单元都有唯一的地址，处理器可以直接访问指定地址的数据。
3. 与串行存储的对比：
• 串行存储（如磁带）要求按顺序读取数据，而 RAM 支持快速随机访问。
4. RAM 的内存模型：
• 由一系列地址和内容组成。
1. RAM 的定义：
• RAM（随机存取存储器）是一种可直接访问的存储介质，每个存储单元都有唯一的地址，称为 地址。
• 这种存储器可以通过地址随机访问数据，而无需依赖数据的顺序存储。
2. 存储单元（Word）：
• 内存可以看作一个由编号的存储单元组成的集合，每个单元叫做一个 字（Word），用来存储信息。
• 每个字都分配了一个唯一的 地址，如图中从 0 到 5 的地址。
3. 随机访问：
• 在 RAM 中，任何一个字都可以直接访问，而无需逐一访问前面的数据。这种特性被称为 随机访问（Random Access）。
• 这与磁带或光盘的顺序访问不同，后者需要按照特定顺序读取数据。
4. 访问时间：
• 在 RAM 中，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的，即 访问时间（Access Time） 与存储位置无关。
Words, Bytes, 和 Bits 的定义
1. 存储单元的进一步细分：
• 一个存储单元（Word）可以进一步分解为更小的存储单元，称为 比特（Bits）。
• 比特是内存中最小的存储单位，存储 0 或 1 两种状态。
2. 比特的排列：
• 比特在存储单元内按照位置排列，每个比特都有一个编号，如图中从 31 到 0。
3. 不同计算机的字长：
The number of bits in a word may vary between
different computers; 32 bits in a word is common
4. 字节（Byte）：
• 一个字节是一个由 8 位比特组成的存储单元。
• 字节是计算机中最常用的基本存储单位。
存储单位的换算
1. 存储单位的层次：
• 1 Byte = 8 bits，即 1 字节包含 8 个比特。
• 1 Kilobyte (KB) = 2^10 Bytes = 1024 Bytes。
• 1 Megabyte (MB) = 2^10 KB = 1024 KB。
• 1 Gigabyte (GB) = 2^10 MB = 1024 MB。
• 1 Terabyte (TB) = 2^10 GB = 1024 GB。
这些单位是存储器容量的基本衡量标准。
常见存储器大小
1. RAM 和常见存储器容量：
• RAM：典型的 RAM 模块大小为 512 MB 或 1 GB。
• 软盘（Floppy Disk）：1.44 MB。
• CD（光盘）：650 MB。
• Memory Disc（存储卡）：通常为 1 GB 或更多。
• DVD：4.7 GB。
• 硬盘（Hard Drive）：通常范围为 120–200–300 GB，现代硬盘可能更大。
2. 对比说明：
• 8 MB 大小足以存储莎士比亚的所有作品。
• 0.8 GB 大小可存储人类基因组的信息量。
RAM 的种类
1. 两种 RAM 的区别：
• 动态 RAM (DRAM)：
• 使用电容器存储数据。
• 优点：便宜。
• 缺点：需要周期性刷新refreshed.（因为电容器capacitors会泄漏电荷）。
• 静态 RAM (SRAM)：
• 使用触发器（flip-flops）存储数据。
• 优点：速度更快。
• 缺点：成本更高。
2. 两种 RAM 的共同点：
• （volatile）易失性：当电源关闭时，RAM 中的所有数据都会丢失。
DRAM 的刷新机制
1. 电容器泄漏（capacitors leak charge）：
• DRAM 依赖电容器存储电荷来表示数据。
• 由于真实电容器会发生电荷泄漏，存储数据会逐渐消失。
2. 刷新过程：
• 为了保持数据的完整性，DRAM 需要周期性地刷新，即重新充电以恢复电容器的电荷。
以下是您上传的关于内存和存储的图示内容的详细逐页解析：
ROM Chips（只读存储器）
1. ROM 的定义：
• ROM（Read-Only Memory，只读存储器）是一种非易失性存储器。
• 数据一旦写入 ROM，通常是只读的，无法被修改。
2. ROM 的用途：
• ROM 中存储的软件称为 固件（Firmware）。
• 固件是一种嵌入在硬件中的特殊软件，用于控制硬件功能。
• 常见的用途是保存系统的引导程序（Bootstrap Software）和基本输入输出系统（BIOS）。
3. BIOS：
• BIOS 全称是 Basic Input Output System，是电脑启动过程中执行的第一个程序。
• 它负责初始化硬件、检测系统设备，并启动操作系统。
4. ROM 的特性：
• 因为数据不可更改，ROM 非常适合存储必须始终保持不变的重要数据，如 BIOS 和引导程序。
Other Forms of Memory（其他形式的内存）
1. 高速缓存（Cache Memory）：
• Cache 是一种小型且快速的内存，用于加速处理器对内存数据的访问。
• 它可以是内置在处理器内部（L1 缓存）或外部的（L2/L3 缓存）。
• 缓存充当 处理器和主存（RAM）之间的桥梁，存储处理器最近或经常需要的数据。
• 特性：
• 快速读取和写入。
• 支持 同时读写（Simultaneous Read/Write）。
2. 视频内存（VRAM）：
• VRAM（Video RAM）是专门为显卡设计的内存。
• 它用于存储与图形相关的数据，例如屏幕帧缓冲（Frame Buffer）。
Cache 与主存的关系
1. 层次结构：
• CPU（处理器）：直接从缓存中读取数据，因为缓存比主存速度更快。
• Cache（缓存）：保存主存中经常使用的数据块，以减少主存访问的延迟。
• Main Memory（主存）：主要存储所有程序和数据。
2. 数据传输：
• 从主存到缓存的传输是按 块（Block） 进行的。
• 从缓存到 CPU 的传输是按 字（Word） 进行的。
• 这说明缓存效率更高且访问速度更快。
Mass Storage（大容量存储）
1. 定义：
• 大容量存储（Mass Storage）是指可以存储大量数据的设备。
• 不同于主存（RAM），大容量存储可以在设备断电后保留数据。
2. 特性：
• 非易失性：即使计算机断电，数据依然可以保留。
• 示例：硬盘、光盘、USB 设备等。
Types of Mass Storage（大容量存储的类型）
1. 常见类型：
• 硬盘（Hard Disks）：存储容量大，速度快，是最常用的存储设备。
• 光盘（Optical Disks）：
• CD-ROM（只读光盘）。
• CD-RW（可重写光盘）。
• DVD（数字多功能光盘）。
• 移动存储设备：
• USB 磁盘。
• 软盘（Floppy Disks）。
2. 其他存储设备：
• 包括磁带、固态硬盘（SSD）等，它们在不同场景下用于数据备份或快速存储。
Hard Disk Drives（硬盘驱动器，HDD）
1. 硬盘驱动器的作用：
• HDD 是计算机中最重要的永久性存储设备。
• 它存储操作系统、应用程序和用户数据。
2. 与其他大容量存储的区别：
• 容量：硬盘的存储容量通常比其他设备更大。
• 速度：硬盘的读写速度通常比光盘、软盘等设备更快。
• 固定性：硬盘通常安装在计算机内部，不像 USB 磁盘那样可随时拔插。
以下是对您上传的内容逐页详细解析：
RAM vs. Mass Storage (HDD)
1. RAM 和硬盘的区别：
• RAM 是易失性存储器：数据在断电时丢失。
• 硬盘是非易失性存储器：即使断电，数据也会被保留。
2. 速度比较：
• RAM 的访问时间是 10 纳秒（10^-8 秒）。
• 硬盘的寻址时间是 10 毫秒（10^-2 秒）。
• RAM 比硬盘快大约 一百万倍。
3. 成本比较：
• 例如，8 GB RAM 的成本约为 50 英镑，而 1 TB 硬盘的成本也是 50 英镑。
• 1 MB 的 RAM 比 1 MB 的硬盘大约贵 125 倍。
Storing Real-World Data in Digital
1. 从模拟到数字的转换：
• 模拟数据（Analog Data）：连续的、自然界中的数据，如声音和光。
• 数字数据（Digital Data）：离散的二进制表示形式，由 0 和 1 组成。
2. 原因：
• 数字化使得数据更容易存储、处理和传输。
• 数字数据更耐噪声干扰并且便于复制。
Converting Analog Signal to Digital: Sampling Rate
1. 采样的概念：
• 模拟信号是连续的，需要以一定的频率对其进行采样以转换为数字信号。
• 采样频率（Sampling Rate） 是每秒采样的次数。
2. 采样不足的风险：混叠（Aliasing）：
• 图中显示：当采样频率低于信号变化的频率时，生成的数字信号不能准确表示原始信号，导致失真（混叠）。
Storage Requirements for Digital Audio
1. 音频存储需求计算：
• CD 质量音频：
• 采样率：44.1 KHz（每秒采样 44,100 次）。
• 每采样点位数：16 位。
• 数据速率：（比特每秒）。
2. 立体声音频（Stereo Audio）：
• 每采样点位数加倍（左声道和右声道）：。
• 数据速率：。
3. 存储需求：
• 存储高质量音频需要更高的采样率和分辨率，但同时增加了存储空间需求。
编码问题
问题 1：
• 问：计算机系统用哪种编码方案来表示字母、数字和特殊字符？
• 选项：
• a. Magnetic（磁性）。
• b. Analog（模拟）。
• c. Binary（二进制）。
• d. Optical（光学）。
• 正确答案：c. Binary（二进制）。
问题 2：
• 问：以下哪项是易失性存储器？
• 选项：
• A. ROM。
• B. RAM。
• C. DVD。
• D. Hard Disk。
• 正确答案：B. RAM。
问题：以下哪项具有最佳访问速度？
• A. Register（寄存器）
• B. Cache（缓存）
• C. DVD
• D. RAM
答案：A. Register（寄存器）
1. 寄存器（Register）：
• 位于 CPU 内部，是最快的存储单元。
• 它的访问速度极快，因为数据直接存储在处理器核心中，不需要额外的访问路径。
• 主要用于临时存储 CPU 计算中需要的数据。
2. 缓存（Cache）：
• 次于寄存器，位于 CPU 内部或非常接近处理器。
• 它的速度快于 RAM，但比寄存器慢。
• 存储频繁使用的数据，以减少对 RAM 的访问。
3. RAM：
• 相较于寄存器和缓存，RAM 速度较慢。
• 存储运行中的程序和数据，但它需要通过总线（bus）与 CPU 进行数据交换。
4. DVD：
• 属于外部存储设备，速度最慢。
• 用于数据存档或分发，无法直接参与高效计算。
总结： 在存储器层次中，寄存器具有最快的访问速度，其次是缓存、RAM，而 DVD 最慢。
