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计算机基础导论

微机原理 彭东稳 6955次浏览 已收录 0个评论

一、计算机硬件发展轨迹

1946年,美国宾夕法尼大学莫尔研究所研制出世界上第一台电子数字积分计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)。计算机问世50年来,虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别,但基本体系结构没有变,都属于冯·诺依曼计算机。

美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了电子数字计算机存储程序和程序控制的工作原理确定计算机的逻辑结构由五大部分组成:分别是运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。如下图:

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计算机元器件的变革作为标志,将计算机的发展划分为四个阶段 :

第一代计算机(1946~1958年):采用电子管作为主要元器件体积大、寿命短、成本高、可靠性差;主存储器采用汞迟线、磁鼓、磁芯等存储信息,容量小;输入设备落后。

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第二代计算机(1958~1964年):采用晶体管作为主要元器件;体积小、成本降低、可靠性提高;采用磁芯为主存储器,磁带和磁盘作为外存储器。

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第三代计算机(1964~1971年):主要元器件由半导体集成电路代替分立元件的晶体管,用半导体存储器做主存储器,磁盘作为外存储器;计算速度可达每秒百万次。

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第四代计算机(1971年1979):以大规模和超大规模集成电路微处理器为计算机的主要功能部件。用半导体存储器做主存储器,容量更大的硬盘、软盘与光盘作为外存储器;计算机体积小、功能强、更便宜。

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苹果公司

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PC机时代(1980-现在)

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计算机系统组成

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二、硬件系统

1)中央处理器(CPU)

运算器和控制器合在一起称为中央处理器 。

什么是运算器?

运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件,算术运算指加、减、乘、除等算术操作;逻辑运算指逻辑乘(与)、逻辑加(或)等逻辑操作。在运算过程中,操作结果暂时存放在运算器的累加器中。它的任务是对信息进行加工处理。运算器由算术逻辑单元、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。

什么是控制器?

控制器是计算机的神经中枢。它按照主频的节拍产生各种控制信号,以指挥整机工作,即决定在什么时间、根据什么条件执行什么动作,使整个计算机能够有条不紊自动执行程序。
控制器要从内存中按顺序取出各条指令。每取出一条指令,就分析这条指令,然后根据指令的功能向各部件发出控制命令,控制它们执行这条指令中规定的任务。当各部件执行完控制器发出的命令之后,都会发出对执行情况的“反馈信息”。当控制器得知一条执行完后,会自动顺序取出下一条要执行的命令,重复上面的工作过程,只不过对不同的指令发出不同的控制命令而已。例如,现在控制器取出程序中的第一条指令,经控制识别出这是一条加法指令,于是它发出如下控制命令序列到各部件中去:

① 向内存发出取数命令,按指令所指出的地址取出加数。

② 把取出的加数送到运算器中,和原来已取出来暂时存在运算器中的被加数进行加法运算。

③ 向内存发出存数命令,并送去准备存数的地址,把结果存到内存中指定的单元。

上面用文字描述的命令,在计算机中都是由控制器发出的电信号实现的。

2)存储器

计算机的工作过程就是在程序的控制下对数据信息进行加工处理的过程。因此,计算机中必须有存放程序和数据的部件,这个部件就是存储器。存储器的主要功能是保存信息。它的作用类似一台录音机。使用时可以取出原记录内容而不破坏其信息,这种取数操作称为存储器的“读”。也可以把原来保存的内容抹去,重新记录新的内容,这种存数操作称为存储器的“写”。

存储器的度量单位,最小的存储单位是比特(bit,简写b),它表示一个二进制位。其次是字节(byte,简写B,1B=8b)、千字节(简写K或者KB,1KB=1024B)、兆字节(简写M或者MB,1MB=1024KB)、吉字节(简写G或者GB,1GB=1024MB)、存储器的容量是以字节为基本单位的。每个英文字母要占一个字节,一个汉字要占两个字节。

存储器根据作用上的不同,存储器分为两大类:内存储器和外存储器。

内存储器

内存储器(又称主存储器,MainMemory):通过系统总线与CPU直接相连的存储器称为内存储器,用来存放当前正在使用的或随时要使用的程序或数据,位于主板上。

内存用来存放当前正在使用的或者随时要使用的程序或数据。计算机运算之前,程序和数据通过输入设备送入内存。运算开始后,内存不仅要为其他部件提供必需的信息,也要保存运算的中间结果及最后结果。总之,它要和各个部件直接打交道,进行数据传送。因此为了提高计算机的运算速度,要求内存能进行快速的存数和取数操作。对于内存,CPU直接对它进行访问。目前,计算机和微型计算机内部使用的都是半导体存储器。

① 地址:内存由许多存储单元组成,每一个存储单元可以存放若干位数据代码,该代码可以是指令,也可以是数据。为区分不同的存储单元,所有存储单元均按一定的顺序编号,称为地址编码,简称地址。当计算机要把一个信息代码存入某存储单元中或从某存储单元中取出时,首先要告诉该存储单元的地址,然后由存储器查找与该地址对应的存储单元,查到以后才能进行数据的存取。这种情形和我们在一幢大楼里找人时一样,要按照他的住址或房间号寻找。

② 存储容量:存储容量是描述计算机存储能力的指标。它通常以KB、MB为单位(1KB=1024B= 210 B,1MB=1024KB= 220 B),例如内存为64MB的微型计算机的实际内存容量为64×1024×1024=67108864字节。更大的容量单位是GB(千兆字节)。显然,存储容量越大,能够存储的信息越多。

③ ROM和RAM:按照存取方式,存储器可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两类。

随机存储器实际上是是指可读、可写的存储器,这类存储器的缺点是断电后存储的信息就会消失,属于易失存储器。它常用来存放正在执行的程序或程序所使用的数据、运算结果等。

只读存储器存储的信息只能读(取出),不能改写(存入)。断电后信息也不会丢失,可靠性高。常用于存放系统程序或使用频率较高的程序。

内存储器分为只读存储器、随机读/写存储器和高速缓冲存储器三类。只读存储器的内容只能读出而不能写入,断电后信息不丢失。随机读/写存储器(RAM):随机读/写存储器的内容既可以读出,又可以修改,重新写入。但是,断电后RAM中的信息将丢失。外存储器(又称辅助存储器,Auxiliary Memory)。Cache即高速缓冲存储器,容量小,但存取速度较RAM快。

外存储器

由于价格和技术方面的原因,内存的存储容量受到限制。为了满足存储大量的信息,就需要采用价格便宜的辅助存储器,又称外存。常用的外存储器有磁带存储器、磁盘存储器、光盘存储器等。外存用来存放“暂时不用”的程序或数据。外存容量要比内存大得多,但它存取信息的速度要比内存慢。通常外存不与计算机内其他装置交换数据,只与内存交换数据,而且不是按单个数据进行存取,而是以成批数据进行交换。

外存与内存有许多不同之处,外存储器不直接与微处理器打交道,要使用外存中的数据必须先将其调入内存,再由处理器进行处理。外存不怕停电,磁盘上的信息可保存数年之久。另外外存的容量不像内存那样受多种限制,可以很大,如磁盘的容量有10GB、40GB等,光盘容量则更大。

介绍常用外存储器:

软盘

1. 磁道:是为磁盘建立一定格式时形成的磁化轨迹,以同心圆环形式存在。

2. 扇区:将磁道划分为若干区段(sector)称为扇区。各扇区存放的字节为512字节。

3. 软盘的存储容量计算公式:存储容量=存储面数×磁道数×扇区数×512。

硬盘

1. 每个硬盘由一组盘片组成,每个盘片的每面对应一个磁头,每盘面上又划分磁道、磁道又划分扇区。

2. 硬盘的存储容量为:盘面数×磁道数(柱面数)×扇区数×512(Byte)。

3. 特点:存储容量大、可靠性高。

光盘

1. 分为只读型(CD-ROM)、只写一次型(CD-R)和可擦写型(CD-RW)。

2. 容量为650M。

3. 一般的光驱只能读取光盘,只有称为刻录机的光盘驱动器才具有对光盘的写入功能,但也只能对可写性光盘进行写操作。

4. DVD全称为Digital Versatile Disc(数字通用光盘),同CD相比,DVD具有更高的存储数据量。

U盘

1. “移动存储器”,要通过USB接口与电脑相连,属即插即用设备,可带电插拔,在Window 2000或XP系统下无需安装驱动程序就能直接使用,在Windows98下需要安装驱动程序。

2. U盘的内部封装半导体存储芯片,这一芯片被称为Flash Memory(即“闪存”)。

3. 容量大,存储速度快,体积小,便于携带,性能可靠等。

存储系统的三级层次结构

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3)输入设备

输入设备的任务是输入操作者提供的原始信息,并将它变为机器能识别的信息,然后存放在内存中。微型计算机系统中常用的输入设备有键盘、鼠标器、图形扫描仪、数字化仪、条形码输入器。

  • 键盘

键盘是计算机最常用的输入设备。用户的各种命令,程序和数据都可以通过键盘输入计算机,使人和计算机直接进行联系,起着人与计算机进行信息交流的桥梁作用。目前,微机上常用的键盘有101键和104键。键盘上的键可分为4个区域:

① 打字键盘区(主键盘区):包括字母键、数字键、标点符号键、空格键、表格键、大写字母锁定键、换档键、退格键及回车键。

②功能键区:在键盘的最上面一排,包括F1~F12。在不同的系统软件中,这些功能键的作用不相同。它们的功能也可以由用户自行定义。如果结合控制键共同使用,还可以有更多的功能。

③ 编辑键盘区:位于主键盘区与小键盘区之间,用于编辑文件。

④ 小键盘区:位于键盘的右边,其排列类同于计算器数字键的顺序,为专门从事数字工作的人员提供了方便。

常用的一些控制键的功能是:

Enter:回车键。所有键盘输入,均在按此键后才被计算机确认。

CapsLock:大写锁定键。按一次此键(CapsLock指示灯亮),所有字母键锁定为大写字母键,直接按字母键显示大写字母。再按一次此键(CapsLock指示灯灭),字母键恢复为小写字母键,此时直接按字母键显示小写字母。

Shift:换档键。按此键后,再按主键盘区上的双符号键,则显示上一行符号键。按此键后,再按副键盘区上的光标控制键,则显示数字键。若主键盘上的字母键在小写状态下,则按此键后,再按字母键,则显示大写字母。若主键盘上的字母键在大写状态下,则按此键后,再按字母键,则显示小写字母。

Tab:制表定位键。每按一次,光标右移8个字符。

Backspace:退格键。每按一次,便删除光标左侧的字符。

NumLock:数字锁定键。当按一下数字锁定键NumLock时,该键上面的一个指示灯亮,小键盘作数字键用。再按一下NumLock键时,指示灯灭,小键盘作编辑键使用。

PrintScreen:打印屏幕键。

其他一些控制键多数要联合使用,由软件来决定其功能。例如,Ctrl十A1t十Del的联合使用,可以重新启动(热启动)微机系统。

  • 鼠标

鼠标是一种手持式的坐标定位部件,是为替代光标移动键进行光标定位操作和替代回车键操作。在各种软件的支持下,通过鼠标器上的按钮完成某种特定的功能。目前使用的鼠标有机械鼠、光学鼠和光学机械鼠,它通过RS-232C串行口和主机相连接。

  • 图形扫描仪

图形扫描仪(Scanner)是一种图形、图像的专用输入设备。利用它可以迅速地将图形、图像、照片、文本从外部环境输入到计算机中。

  • 条形码读入器

条形码是一种用线条和线条间的间隔按一定规则表示数据的条形符号。它具有准确、可靠、灵活、实用、制作容易、输入速度快等优点,广泛用于物资管理、商品、银行、医院等部门。阅读条形码要用专门的条形码阅读设备在条形码上扫描,将光信号转换为电信号,经译码后输入计算机。

  • 光笔

光笔是用来显示屏幕上作图的输入设备,与相应的硬件和软件配合,可实现在屏幕上作图、改图及进行图形放大、移动、旋转等操作。

  • 触摸屏

触摸屏是一种快速实现人机对话的工具。一般直接在荧光屏前安装一块特殊的玻璃屏,当手指触摸屏幕时,引起触点正反面间电容值或电阻发生变化,控制器将这种变化翻译成(x,y)坐标值,再送给计算机。

4)输出设备

微型计算机中常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

  • 显示器

显示器是微型计算机不可缺少的输出设备。显示器可显示程序的运行成果,显示输入的程序或数据等。

① 显示器的组成。显示器由监视器和显示控制适配器(又称显示卡)两部分组成。

② 监视器种类。监视器按其颜色可分为单色监视器和彩色监视器两大类。目前微型机上使用的多为彩色监视器。监视器按其显示器件可分为阴极射线管(CRT)监视器和液晶(LCD)监视器两大类。目前大部分微型计算机都使用CRT监视器,而便携式微型机则使用LCD监视器。

监视器按其屏幕尺寸大小可分为12英寸、14英寸、17英寸和21英寸等几种。

③ 监视器分辨率。监视器屏幕上的字符和图形是由一个个像素(pixel)组成的。像素的大小直接影响显示效果。以12英寸监视器为例,其有效显示区域为210mm×160mm。此种监视器的水平方向可排列640个像素,垂直方向可排列480个像素。这时,我们称该种监视器的分辨率为640×480。监视器的分辨率越高,其清晰度越好,显示效果越好。

④ 显示卡。它是插在微型机主机箱内扩展槽上的一块电路板,用于将主机输出的信号转换成监视器所能接受的形式。显示卡是决定显示器类型和性能的重要部件。

  • 打印机

打印机是从计算机获得硬拷贝的输出设备。打印机通过电缆线连接在主机箱的并行接口上,实现与主机之间的通信。打印机分为以下三种:

点针式打印机:通过打印头中的钢针打击色带,在打印纸上以点阵形式构成字符。速度慢、打印质量差且打印过程中噪声大。

激光打印机:印刷原理类似于静电复印。输出速度快、打印质量高。

喷墨打印机:将墨水直接喷到纸上实现印刷。印刷质量好,但速度和质量比不上激光打印机

  • 绘图仪

绘图仪(P10tter)是一种输出图形的硬拷贝设备。绘图仪在绘图软件的支持下可绘制出复杂、精确的图形,是各种计算机辅助设计(CAD)不可缺少的工具。

5)BUS总线

  • 按连接方式

内部总线:内部总线是同一功能部件内部各部件之间的总线。

系统总线:系统总线是计算机系统内部各部件之间的总线。

外部总线:多台计算机之间及计算机与其他设备之间的总线,用于设备级的互连。

  • 总线的组成

数据总线:传送数据的总线称为数据总线。数据总线的数量一般和CPU的字长相同,它决定了CPU和计算机其它部件之间每次交换数据的位数。

地址总线:传送地址信息的总线称为地址总线。它用于传送CPU发出的地址信息(地址总线的数量限制了CPU的最大寻址能力,也就是计算机所能配置的最大内存容量。例如,80286CPU有24根地址线,其最大寻址能力为224个地址,即16MB,可配内存最大容量为16MB。)

控制总线:传送控制信息的总线称为控制总线。

通用串行总线(USB,Universal Serial Bus):USB接口提供了外部设备和主机的无接口卡连接方式。

三、典型的PC机构成

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四、软件系统

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系统软件是计算机系统的一部分,它是支持应用软件的运行的。为用户开发应用系统提供一个平台,应用软件是指计算机用户利用计算机的软、硬件资源为某一专门应用目的而开发的软件。例如:科学计算、工程设计、数据处理、事务管理等方面的程序。下面说一说一般常用的软件。

系统软件

1)操作系统OS(Operating System )

为了使计算机系统的所有资源(包括中央处理器、存储器、各种外部设备及各种软件)协调一致,有条不紊地工作,就必须有一个软件来进行统一管理和统一调度,这种软件称为操作系统。它的功能就是管理计算机系统的全部硬件资源、软件资源及数据资源,使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用,为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。
操作系统是一个庞大的管理控制程序,它大致包括如下管理功能:进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。实际的操作系统是多种多样的,根据侧重面不同和设计思想不同,操作系统的结构和内容存在很大差别。对于功能比较完善的操作系统,应具备上述5个部分。

2)语言处理程序

编写计算机程序所用的语言是人与计算机之间交换的工具,按语言对机器的依赖程度分为机器语言、汇编语言和高级语言。

① 机器语言(Machine Language)

机器语言是面向机器的语言,每一个由机器语言所编写的程序只适用于某种特定类型的计算机,即指令代码通常随CPU型号的不同而不同。它可以被计算机硬件直接识别,不需要翻译。一句机器语言实际上就是一条机器指令,它由操作码和地址码组成。机器指令的形式是用0、1组成的二进制代码串。

② 汇编语言(Assemble Language)

汇编语言是一种面向机器的程序设计语言,它是为特定的计算机或计算机系列设计的。汇编语言采用一定的助记符号表示机器语言中指令和数据,即用助记符号代替了二进制形式的机器指令。这种替代使得机器语言“符号化”,所以汇编语言也是符号语言。每条汇编语言的指令就对应了一条机器语言的代码,不同型号的计算机系统一般有不同的汇编语言。

计算机硬件只能识别机器指令,执行机器指令,对于用助记符表示的汇编指令是不能执行的。汇编语言编写的程序要执行的话,必须用一个程序将汇编语言翻译成机器语言程序,用于翻译的程序称为汇编程序(汇编系统)。

汇编程序是将用符号表示的汇编指令码翻译成为与之对应的机器语言指令码。用汇编语言编写的程序称为源程序,变换后得到的机器语言程序称为目标程序。

③ 高级语言

机器语言与汇编语言受机器限制费工费时,并且缺乏通用性,为解决此问题,人们努力创造一种独立于计算机的语言。从20世纪50年代中期开始到20世纪70年代陆续产生了许多高级算法语言。这些算法语言中的数据用十进制来表示,语句用较为接近自然语言的英文字来表示。它们比较接近于人们习惯用的自然语言和数学表达式,因此称为高级语言。高级语言具有较大的通用性,尤其是有些标准版本的高级算法语言,在国际上都是通用的。用高级语言编写的程序能使用在不同的计算机系统上。
但是,对于高级语言编写的程序计算机是不能识别和执行的。要执行高级语言编写的程序,首先要将高级语言编写的程序翻译成计算机能识别和执行的二进制机器指令,然后供计算机执行。

一般将用高级语言编写的程序称为“源程序”,而把由源程序翻译成的机器语言程序或汇编语言程序称为“目标程序”。把用来编写源程序的高级语言或汇编语言称为源语言,而把和目标程序相对应的语言(汇编语言或机器语言)称为目标语言。

计算机将源程序翻译成机器指令时,通常分两种翻译方式:一种为“编译”方式,另一种为“解释”方式。所谓编译方式是把源程序翻译成等价的目标程序,然后再执行此目标程序。而解释方式是把源程序逐句翻译,翻译一句执行一句,边翻译边执行。解释程序不产生将被执行的目标程序,而是借助于解释程序直接执行源程序本身。一般将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言的程序称为编译程序。

3)连接程序

连接程序以把目标程序变为可执行的程序。几个被编译的目标程序,通过连接程序可以组成一个可执行的程序。将源程序转换成执行的目标程序,一般分为两个阶段:

①翻译阶段:提供汇编程序或编译程序,将源程序转换成目标程序。这一阶段的目标模块由于没有分配存储器的绝对地址,仍然是不能执行的。

②连接阶段:这一阶段是用联接编译程序把目标程序以及所需的功能库等转换成一可执行的装入程序。这个装入程序分配地址,是一可执行程序。

4)诊断程序

诊断程序主要用于对计算机系统硬件的检测,并能进行故障定位,大大方便了对计算机的维护。它能对CPU、内存、软硬驱动器、显示器、键盘及I/O接口的性能和故障进行检测。对于微机目前常用的诊断程序有QAPLUS、PCBENCH、WINTEST、CHECKITPRO等。

5)数据库系统

数据库系统是20世纪60年代后期才产生并发展起来的,它是计算机科学中发展最快的领域之一。主要是面向解决数据的非数值计算问题,目前主要用于档案管理、财务管理、图书资料管理及仓库管理等的数据处理。此类数据的特点是数据量比较大,数据处理的主要内容为数据的存储、查询、修改、排序、分类等。数据库技术是针对这类数据的处理面产生发展起来的,至今仍在不断发展、完善。

应用软件

应用软件是指计算机用户利用计算机的软、硬件资源为某一专门应用目的而开发的软件。例如:科学计算、工程设计、数据处理、事务管理等方面的程序。

1)文字处理程序

主要用于将文字输入到计算机,存储在外存中,用户能对输入的文字进行修改、编辑,并能将输入的文字以多种字体、多种字型及各种格式打印出来。目前常用的文字处理软件有WPS、Microsoft Word等。

2)表格处理软件

表格处理软件主要处理各式各样的表格。它可以根据用户的要求自动生成各式各样的表格,表格中的数据可以输入也可以从数据库中取出。可根据用户给出的计算公式,完成复杂的表格计算,计算结果自动填入对应栏目里。如果修改了相关的原始数据,计算结果栏目中的结果数据也会自动更新,不需用户重新计算。目前常用的表格处理软件有Microsoft公司的Excel 等。

3)辅助设计软件

辅助设计软件能高效率地绘制、修改、输出工程图纸。设计中的常规计算帮助设计人员寻找较好的方案。设计周期大幅度缩短,而设计质量却大为提高。应用该技术使设计人员从繁重的绘图设计中解脱出来,使设计工作计算机化。目前常用的软件有AutoCAD、印刷电路板设计系统等。

五、计算机系统主要技术指标

1)字长

字长表示CPU在一次操作中能处理的最大二进位数。字长越长,CPU可同时处理的数据位数就越多,功能就越强。

2)时钟周期和主频

时钟周期的长短反映出计算机的运算速度。时钟频率是时钟周期的倒数,它等于CPU在1秒钟内能够完成的工作周期数,称为主频。主频越高,计算机的运算速度越快。

3)运算速度

MIPS(百万条指令/s)。

4)内存容量

内存容量以字节(Byte)为基本单位。运行速度很快

5)存取周期

指存储器连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间。存取周期越短,则存取速度越快。

6)外存容量

外存容量主要指硬盘容量,外存容量反映计算机储存信息的能力。

7)数据输入输出最高速率

由于各种外部设备本身工作的速度不同,常用主机所能支持的数据输入输出最大速率来表示。

六、计算机的应用

1)科学计算

航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质找矿等方面的大量计算都要用到计算机。科学计算的特点是计算复杂,计算量大。

2)自动控制(实时控制)

自动控制的特点是计算机和机床等控制对象紧密结合,实现数据的实时输入,实时处理,并实时把处理结果转化为控制信号。

3)信息处理

用来处理文字、表格、图像、声音等各类形式的数据。信息处理的特点是处理的数据量大,运算较简单,但需要大容量的存储设备。例如,图书管理、购票系统、财务管理等都属于该方面的应用。

4)辅助设计

本领域的应用包括计算机辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)、辅助教学(CAI)等。

5)办公自动化(OA)

电子签名(手写笔批注)、电子公章、事件提醒、转办、图形流程自定义、笔迹保留、全文批注等,帮助政府、企业实现电子协作、提高办公效率、实现办公无纸化要求。

6)家用电器

计算机的CPU芯片可以作为家用电器、智能玩具的核心

7)人工智能(AI)

人工智能就是要使计算机能够模拟人的高级思维活动。包括智能机器人、专家系统、模式识别等。


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