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Lecture 19

news 来源：原创 2025/7/18 4:47:50

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。

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