第3章 计算机硬件系统
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3
本章教学设问
一台完整的微机中硬件包括哪些主要组成部分？ 微机中的各个硬件组成部分是如何连接在一起的？ 微机的主要性能指标有哪些？ 说明中央处理器的组成和功能。 微机上内存条的主要性能指标有哪些？ 内存和外存的关系是什么？ 微机中常见的外存储设备有哪些？ 微机中常用的移动存储设备有哪几种？ 常用的打印机分为哪几种类型？它们是如何工作的？
扇区
（2）读写方式
磁头径向进退找磁道 盘片旋转读扇区
磁道
25
（3）存储容Hale Waihona Puke Baidu的计算
计算公式
硬盘容量=每扇区容量×扇区数×柱面数×磁头数
例题：某个硬盘有15个磁头，8894个柱面，每道63 个扇区，每个扇区容量 512字节，计算该硬盘的 容量。
容量=512字节/扇区×63扇区/磁道×8894磁道/面×15面 =4303272960字节 =4GB
39
3.3 常用的外部设备
1．键盘 2．鼠标
通过RS232C串行接口、PS/2鼠标插口或USB接口与主机 连接。 按照工作原理可以分为：机械式、光电式和光机式。
3．其它输入设备
扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器（OCR）、 触摸屏、手写笔、麦克风、数码相机等
40
4．显示器 （1）分类
阴极射线管（CRT）和液晶显示器（LCD）
12
3.1.3 计算机的主要性能指标
1．字长
字长：计算机的运算部件一次能处理的固定位数的二 进制数据的位数 字长越长，运算速度和精度相应地也就越高 字长从8位，到16位、32位，发展到今天的64位。
2．主频
也称为时钟频率，是决定计算机的运算速度的重要指 标，主频越高，运算速度越快，主频使用的单位有 Hz、MHz和GHz。
② 外部接口：主要用来连接外部设备
键盘/鼠标接口 并行接口：又称为打印机接口，因为它主要的用途就是连接打印机 串行接口：用于连接串行通信设备 USB接口：通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口，广泛用于连接 鼠标、键盘、移动硬盘、U盘、电视卡、数码相机、打印机等。 网络接口
36
2. 接口
接口解决的问题 ● 信号电平和驱动能力 ● 信号形式匹配 ● 信息格式问题 ● 时序匹配问题
37
38
（1）接口的类型
① 内部接口：主要用于连接主板和硬盘或光驱
ATA接口：又称为并行ATA接口或IDE接口，每个接口最多可以连接2台存储 设备 SATA接口：串行ATA（Serial ATA）接口，每个接口只能连接一台存储设备
(1) CD-ROM: 只读光盘(650MB左右) (2) CD-R: 一次性刻录光盘 (3) CD-RW:可擦写光盘 (4) DVD:数字视盘(4.7GB~17.7GB)
29
（2） 光盘特点
存储容量大 不受电磁干扰，可靠性高 存取速度快
（3）主要技术指标
容量、传输率、读写时间
30
3、可移动外存
(1)指令：硬件能够识别和执行的一步操作 (2)程序：若干个指令的集合 (3)存储程序是计算机自动工作的基础
6
2. 计算机的工作过程
1. 指令的概念和指令的执行过程 (1)指令
计算机能够识别和执行的一步基本操作
(2)指令系统
一个计算机系统中所有指令的集合
(3)程序
按一定顺序组织在一起的指令序列
7
指令执行过程
3．存储器
具有记忆功能的器件，主要作用是存放程序、数据及运算结果
11
五个基本部分组成
4．输入设备
向计算机输入程序、数据等信息的设备，它的主要作 用是将信息转换为计算机可以识别的二进制代码， 并输入到计算机中。
5．输出设备
是输出计算机内部数据的设备，它的主要作用是将计 算机处理后的结果显示或打印出来。
21
4. 内存的主要技术指标
（1）存储容量
存储容量表示内存中所含的内存单元数量，每个内存 单元一般以字节为单位。
（2）存取速度
存取速度可用“存取时间”和“存取周期” 来衡量。 存取时间是从CPU送出存储器地址到存储器的读写操 作完成所经历的时间。 存取周期是指连续启动两次独立的存储器操作所需的 最小时间间隔。
26
（4）硬盘分区与格式化
① 低级格式化
厂家在硬盘出厂前完成。对一个新硬盘划分磁道和扇 区，标注地址信息、标记/修复物理坏道等低层操作。
② 分区
划分主引导扇区、操作系统引导扇区、文件分配表FAT、 目录区和数据区5部分。常用的分区格式有FAT32和 NTFS。
③ 高级格式化
将清除硬盘上的数据，重新生成引导信息，初始化文 件分配表FAT，标注逻辑坏道等
1）程序控制单元 2）算术逻辑单元 3）寄存器组
2. CPU性能
1）字长 2）高速缓存 3）核心数量 4）时钟主频
16
3.2.2 存储器
概述
（1）作用: 存放数据和程序 （2）主要技术指标：容量，速度 （3）分类：内存储器和外存储器
17
1. 内存储器
(1) 特点
存取速度较快，容量相对较小
(2)内存操作
13
3.1.3 计算机的主要性能指标
3．核数
微处理器芯片中同时具有两个或两个以上的微处理器内 核，例如有双核、四核或八核等，称为多核处理器
4．运算速度
通常表示为每秒钟执行的加法指令数目，用每秒百万次 指令MIPS（Million Instructions Per Second）表示。
14
3.1.3 计算机的主要性能指标
27
（5）硬盘的主要性能指标
1）速度
一般用“转速”来衡量，转速决定了硬盘内部的传输 率。例如7200 r/min转、10 000 r/min和15 000r/min等
2）容量
80 GB ~1024GB（即1TB）
3）接口
IDE、PATA、SATA和SCSI
28
2、光盘
采用激光原理存储和读取信息
（1） 光盘的分类
由于程序是由一系列的指令构成的，因此，一个程序 的执行过程就是分别执行程序中每一条指令的过程
9
3.1.2 硬件系统
五个基本部分组成
10
五个基本部分组成
1．运算器
对数据进行处理的部件，主要作用是进行算术运算和逻辑运算
2．控制器
计算机的指挥中心，主要作用是从内存读取指令并执行指令， 协调并控制计算机的各个部件按指令序列执行操作。 控制器和运算器合称中央处理单元CPU（Central Processing Unit）
（1）取出指令
将要执行的指令从内存取到CPU内部的指令寄存器中
（2）分析指令
将保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器中进行分析
（3）执行指令
根据译码结果判断该指令要完成的操作，然后向各个部件发出 完成该操作的控制信号，完成该指令的功能
（4）形成下一条指令的地址
为执行下一条指令做好准备
8
程序的执行过程
上讲内容回顾
以前没有被提问过的同学在纸上完成以下题目， 写上姓名、班级和学号后交给我： 1、请写出字母A和a 的ASCII码 2、已知汉字“国”在GB2312－1980中是25区90位， 请写出该汉字的区位码、国标码和机内码
1
第3章 计算机硬件系统
2
本章教学目标
• • • • • • • • • • 了解存储程序的概念 掌握计算机的硬件系统组成 掌握计算机的主要性能指标 了解微型计算机的组成 掌握中央处理器的功能 理解内存储器的存储原理 了解高速缓冲存储器的工作原理 熟悉外存储器的分类和性能 了解总线和接口的分类和作用 熟悉常用的外部设备
1. 分类
1) 优盘:1GB ~ 16GB 2) USB硬盘:10GB ~500GB
2. 通过USB接口使用
31
4、微机的存储系统
32
5、虚拟存储系统
在操作系统的支持下，将主存储器和硬磁盘存储 器的一部分作为一个整体，用软硬件相结合的 方法进行管理，使得程序员能够对主存、辅存 统一编址，从而形成一个比实际主存储器的存 储容量大得多的地址空间，这个空间称为虚拟 地址空间。
（2）按传递的信息类型
数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus） 和控制总线CB（Control Bus）。
总线标准的发展：ISA、EISA、PCI和AGI等。
35
总线的性能指标
① 总线宽度。也称为总线位宽，是指总线一次操 作能传输的二进制数据的位数，单位为bit （位）。 ② 总线时钟频率。总线上单位时间（每秒）内可 传送数据的次数，单位为MHz。 ③ 传输单个数据所需的时钟周期。 ④ 总线带宽。单位时间（每秒）可传送数据量的 多少，常用单位为MB/s。 总线带宽=总线宽度（字节）×总线频率×每时钟 周期传输数据的次数
33
3.2.5 总线和接口
1、总线 各部件之间传输信息的通道。 主要作用
连接各部件和传递数据与控制信号
34
总线分类
（1）按连接部件分类
内部总线：同一部件内部各部分之间的连接总线，例 如CPU中连接控制器、运算器和寄存器的总线 系统总线：一台计算机的各部件之间相互连接的总线， 例如CPU、内存、I/O接口之间的连接总线
1)读：将内存单元内容取入CPU，原单元内容不改变 2)写：CPU将信息放入内存，内存原有内容被覆盖。
18
（3）内存组成
1）内存单元
内存的基本组成单位 每个单元存储一个字节(8位二进制)的数据
2）单元的地址
从0开始,每个单元对应的一个编号 作用: 实现对单元内容的寻址 38F04H 单元中存放的数据
4
计算机组成
完整的计算机系统由硬件(Hardware)和软件 (Software)两部分组成
硬件是指客观存在的物理实体，即由电子元件和机 械元件构成的各个部件。 软件是指运行在硬件上的程序、运行程序所需的数 据和相关的文档的总称。
没有软件的计算机称为“裸机”
5
3.1 计算机硬件概述
3.1.1 冯 • 诺依曼计算机的概念 1、冯 • 诺依曼原理 （1）硬件由五部分组成 （2）使用二进制表示数据和指令 （3）存储程序
（2）主要技术指标
尺寸、像素（Pixel）、点距、分辨率
（3）显示卡
连接显示器和主机，显示卡由显示控制器、显示存储 器和接口电路组成
41
5．打印机
（1）打印机的分类 击打式打印机
针式打印机（也称为点阵打印机）和字符式打印机
非击打式打印机
静电打印机、喷墨打印机、激光打印机和热敏打印机
42
（2）主要性能指标
内存地址
19
单元内容 10110110
3）单元的内容
2、内存的分类
1）RAM
随机存取存储器,关机后存放的信息会丢失 RAM又可以分为静态RAM（Static RAM，SRAM）和动态 RAM（Dynamic RAM，DRAM）。
2）ROM
只读存储器,关机后存放的信息不会丢失
20
3、内存条
内存主要是以芯片的形式出现，通常将若干个内 存芯片固定在一个电路板上，这个电路板一般 是条状的，因此称为“内存条” 。
5. 存储容量的单位
1) 1bit: 1位二进制表示的信息量 2) 1Byte: 8位二进制表示的信息量 3) 1KB=1024 Byte 4) 1MB=1024 KB 5) 1GB=1024 MB 6) 1TB=1024 GB
15
3.2 微型计算机的硬件
3.2.1 中央处理器CPU 1. 基本结构
22
3.2.3高速缓冲存储器（Cache）
用在CPU和内存之间 协调两者之间的速度差别
23
3.2.4 外存储器
联机外存 —— 硬磁盘
光盘
可移动磁盘 U盘
脱机外存
存储卡
24
1、磁盘
（1）信息存储格式
1) 记录面 = 磁头数 (编号) 2) 磁道: 记录面上的同心圆(编号) 柱面：所有记录面上同一编号的磁道 3) 扇区：每个磁道划分为扇区 (编号)
分辨率
用DPI表示，即每英寸打印的点数。
打印速度
针式打印机用每秒打印字符数CPS表示 喷墨打印机和激光打印机用每分钟打印页数（PPM） 表示。
打印幅面
43
微机系统的组成
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本章教学设问
一台完整的微机中硬件包括哪些主要组成部分？ 微机中的各个硬件组成部分是如何连接在一起的？ 微机的主要性能指标有哪些？ 说明中央处理器的组成和功能。 微机上内存条的主要性能指标有哪些？ 内存和外存的关系是什么？ 微机中常见的外存储设备有哪些？ 微机中常用的移动存储设备有哪几种？ 常用的打印机分为哪几种类型？它们是如何工作的？
扇区
（2）读写方式
磁头径向进退找磁道 盘片旋转读扇区
磁道
25
（3）存储容Hale Waihona Puke Baidu的计算
计算公式
硬盘容量=每扇区容量×扇区数×柱面数×磁头数
例题：某个硬盘有15个磁头，8894个柱面，每道63 个扇区，每个扇区容量 512字节，计算该硬盘的 容量。
容量=512字节/扇区×63扇区/磁道×8894磁道/面×15面 =4303272960字节 =4GB
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3.3 常用的外部设备
1．键盘 2．鼠标
通过RS232C串行接口、PS/2鼠标插口或USB接口与主机 连接。 按照工作原理可以分为：机械式、光电式和光机式。
3．其它输入设备
扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器（OCR）、 触摸屏、手写笔、麦克风、数码相机等
40
4．显示器 （1）分类
阴极射线管（CRT）和液晶显示器（LCD）
12
3.1.3 计算机的主要性能指标
1．字长
字长：计算机的运算部件一次能处理的固定位数的二 进制数据的位数 字长越长，运算速度和精度相应地也就越高 字长从8位，到16位、32位，发展到今天的64位。
2．主频
也称为时钟频率，是决定计算机的运算速度的重要指 标，主频越高，运算速度越快，主频使用的单位有 Hz、MHz和GHz。
② 外部接口：主要用来连接外部设备
键盘/鼠标接口 并行接口：又称为打印机接口，因为它主要的用途就是连接打印机 串行接口：用于连接串行通信设备 USB接口：通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口，广泛用于连接 鼠标、键盘、移动硬盘、U盘、电视卡、数码相机、打印机等。 网络接口
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2. 接口
接口解决的问题 ● 信号电平和驱动能力 ● 信号形式匹配 ● 信息格式问题 ● 时序匹配问题
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38
（1）接口的类型
① 内部接口：主要用于连接主板和硬盘或光驱
ATA接口：又称为并行ATA接口或IDE接口，每个接口最多可以连接2台存储 设备 SATA接口：串行ATA（Serial ATA）接口，每个接口只能连接一台存储设备
(1) CD-ROM: 只读光盘(650MB左右) (2) CD-R: 一次性刻录光盘 (3) CD-RW:可擦写光盘 (4) DVD:数字视盘(4.7GB~17.7GB)
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（2） 光盘特点
存储容量大 不受电磁干扰，可靠性高 存取速度快
（3）主要技术指标
容量、传输率、读写时间
30
3、可移动外存
(1)指令：硬件能够识别和执行的一步操作 (2)程序：若干个指令的集合 (3)存储程序是计算机自动工作的基础
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2. 计算机的工作过程
1. 指令的概念和指令的执行过程 (1)指令
计算机能够识别和执行的一步基本操作
(2)指令系统
一个计算机系统中所有指令的集合
(3)程序
按一定顺序组织在一起的指令序列
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指令执行过程
3．存储器
具有记忆功能的器件，主要作用是存放程序、数据及运算结果
11
五个基本部分组成
4．输入设备
向计算机输入程序、数据等信息的设备，它的主要作 用是将信息转换为计算机可以识别的二进制代码， 并输入到计算机中。
5．输出设备
是输出计算机内部数据的设备，它的主要作用是将计 算机处理后的结果显示或打印出来。
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4. 内存的主要技术指标
（1）存储容量
存储容量表示内存中所含的内存单元数量，每个内存 单元一般以字节为单位。
（2）存取速度
存取速度可用“存取时间”和“存取周期” 来衡量。 存取时间是从CPU送出存储器地址到存储器的读写操 作完成所经历的时间。 存取周期是指连续启动两次独立的存储器操作所需的 最小时间间隔。
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（4）硬盘分区与格式化
① 低级格式化
厂家在硬盘出厂前完成。对一个新硬盘划分磁道和扇 区，标注地址信息、标记/修复物理坏道等低层操作。
② 分区
划分主引导扇区、操作系统引导扇区、文件分配表FAT、 目录区和数据区5部分。常用的分区格式有FAT32和 NTFS。
③ 高级格式化
将清除硬盘上的数据，重新生成引导信息，初始化文 件分配表FAT，标注逻辑坏道等
1）程序控制单元 2）算术逻辑单元 3）寄存器组
2. CPU性能
1）字长 2）高速缓存 3）核心数量 4）时钟主频
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3.2.2 存储器
概述
（1）作用: 存放数据和程序 （2）主要技术指标：容量，速度 （3）分类：内存储器和外存储器
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1. 内存储器
(1) 特点
存取速度较快，容量相对较小
(2)内存操作
13
3.1.3 计算机的主要性能指标
3．核数
微处理器芯片中同时具有两个或两个以上的微处理器内 核，例如有双核、四核或八核等，称为多核处理器
4．运算速度
通常表示为每秒钟执行的加法指令数目，用每秒百万次 指令MIPS（Million Instructions Per Second）表示。
14
3.1.3 计算机的主要性能指标
27
（5）硬盘的主要性能指标
1）速度
一般用“转速”来衡量，转速决定了硬盘内部的传输 率。例如7200 r/min转、10 000 r/min和15 000r/min等
2）容量
80 GB ~1024GB（即1TB）
3）接口
IDE、PATA、SATA和SCSI
28
2、光盘
采用激光原理存储和读取信息
（1） 光盘的分类
由于程序是由一系列的指令构成的，因此，一个程序 的执行过程就是分别执行程序中每一条指令的过程
9
3.1.2 硬件系统
五个基本部分组成
10
五个基本部分组成
1．运算器
对数据进行处理的部件，主要作用是进行算术运算和逻辑运算
2．控制器
计算机的指挥中心，主要作用是从内存读取指令并执行指令， 协调并控制计算机的各个部件按指令序列执行操作。 控制器和运算器合称中央处理单元CPU（Central Processing Unit）
（1）取出指令
将要执行的指令从内存取到CPU内部的指令寄存器中
（2）分析指令
将保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器中进行分析
（3）执行指令
根据译码结果判断该指令要完成的操作，然后向各个部件发出 完成该操作的控制信号，完成该指令的功能
（4）形成下一条指令的地址
为执行下一条指令做好准备
8
程序的执行过程
上讲内容回顾
以前没有被提问过的同学在纸上完成以下题目， 写上姓名、班级和学号后交给我： 1、请写出字母A和a 的ASCII码 2、已知汉字“国”在GB2312－1980中是25区90位， 请写出该汉字的区位码、国标码和机内码
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第3章 计算机硬件系统
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本章教学目标
• • • • • • • • • • 了解存储程序的概念 掌握计算机的硬件系统组成 掌握计算机的主要性能指标 了解微型计算机的组成 掌握中央处理器的功能 理解内存储器的存储原理 了解高速缓冲存储器的工作原理 熟悉外存储器的分类和性能 了解总线和接口的分类和作用 熟悉常用的外部设备
1. 分类
1) 优盘:1GB ~ 16GB 2) USB硬盘:10GB ~500GB
2. 通过USB接口使用
31
4、微机的存储系统
32
5、虚拟存储系统
在操作系统的支持下，将主存储器和硬磁盘存储 器的一部分作为一个整体，用软硬件相结合的 方法进行管理，使得程序员能够对主存、辅存 统一编址，从而形成一个比实际主存储器的存 储容量大得多的地址空间，这个空间称为虚拟 地址空间。
（2）按传递的信息类型
数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus） 和控制总线CB（Control Bus）。
总线标准的发展：ISA、EISA、PCI和AGI等。
35
总线的性能指标
① 总线宽度。也称为总线位宽，是指总线一次操 作能传输的二进制数据的位数，单位为bit （位）。 ② 总线时钟频率。总线上单位时间（每秒）内可 传送数据的次数，单位为MHz。 ③ 传输单个数据所需的时钟周期。 ④ 总线带宽。单位时间（每秒）可传送数据量的 多少，常用单位为MB/s。 总线带宽=总线宽度（字节）×总线频率×每时钟 周期传输数据的次数
33
3.2.5 总线和接口
1、总线 各部件之间传输信息的通道。 主要作用
连接各部件和传递数据与控制信号
34
总线分类
（1）按连接部件分类
内部总线：同一部件内部各部分之间的连接总线，例 如CPU中连接控制器、运算器和寄存器的总线 系统总线：一台计算机的各部件之间相互连接的总线， 例如CPU、内存、I/O接口之间的连接总线
1)读：将内存单元内容取入CPU，原单元内容不改变 2)写：CPU将信息放入内存，内存原有内容被覆盖。
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（3）内存组成
1）内存单元
内存的基本组成单位 每个单元存储一个字节(8位二进制)的数据
2）单元的地址
从0开始,每个单元对应的一个编号 作用: 实现对单元内容的寻址 38F04H 单元中存放的数据
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计算机组成
完整的计算机系统由硬件(Hardware)和软件 (Software)两部分组成
硬件是指客观存在的物理实体，即由电子元件和机 械元件构成的各个部件。 软件是指运行在硬件上的程序、运行程序所需的数 据和相关的文档的总称。
没有软件的计算机称为“裸机”
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3.1 计算机硬件概述
3.1.1 冯 • 诺依曼计算机的概念 1、冯 • 诺依曼原理 （1）硬件由五部分组成 （2）使用二进制表示数据和指令 （3）存储程序
（2）主要技术指标
尺寸、像素（Pixel）、点距、分辨率
（3）显示卡
连接显示器和主机，显示卡由显示控制器、显示存储 器和接口电路组成
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5．打印机
（1）打印机的分类 击打式打印机
针式打印机（也称为点阵打印机）和字符式打印机
非击打式打印机
静电打印机、喷墨打印机、激光打印机和热敏打印机
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（2）主要性能指标
内存地址
19
单元内容 10110110
3）单元的内容
2、内存的分类
1）RAM
随机存取存储器,关机后存放的信息会丢失 RAM又可以分为静态RAM（Static RAM，SRAM）和动态 RAM（Dynamic RAM，DRAM）。
2）ROM
只读存储器,关机后存放的信息不会丢失
20
3、内存条
内存主要是以芯片的形式出现，通常将若干个内 存芯片固定在一个电路板上，这个电路板一般 是条状的，因此称为“内存条” 。
5. 存储容量的单位
1) 1bit: 1位二进制表示的信息量 2) 1Byte: 8位二进制表示的信息量 3) 1KB=1024 Byte 4) 1MB=1024 KB 5) 1GB=1024 MB 6) 1TB=1024 GB
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3.2 微型计算机的硬件
3.2.1 中央处理器CPU 1. 基本结构
22
3.2.3高速缓冲存储器（Cache）
用在CPU和内存之间 协调两者之间的速度差别
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3.2.4 外存储器
联机外存 —— 硬磁盘
光盘
可移动磁盘 U盘
脱机外存
存储卡
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1、磁盘
（1）信息存储格式
1) 记录面 = 磁头数 (编号) 2) 磁道: 记录面上的同心圆(编号) 柱面：所有记录面上同一编号的磁道 3) 扇区：每个磁道划分为扇区 (编号)
分辨率
用DPI表示，即每英寸打印的点数。
打印速度
针式打印机用每秒打印字符数CPS表示 喷墨打印机和激光打印机用每分钟打印页数（PPM） 表示。
打印幅面
43
微机系统的组成
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