信息與計算機(jī)15微型機(jī)

《上老信息枝木敬程》

（第二版J

?第1章信息與計算機(jī)

1.1信息和信息化

1.2信息編碼與數(shù)據(jù)表示

1.3計算機(jī)的發(fā)展

1.4計算機(jī)的工作原理

1.5微型計算機(jī)系統(tǒng)

“十一五”國家級規(guī)劃教材

1.5微型計算機(jī)系統(tǒng)

1.5.1主機(jī)

1.系統(tǒng)主板

2.CPU

3.芯片組

4.內(nèi)存儲器

5.I/0總線

6.輸入/輸出接口

7.通用串行總線USB

1.5.2外圍設(shè)備

1.5.3輸入設(shè)備

1.5.4輸出設(shè)備

1.5.5通信設(shè)備

1.5.6微機(jī)常用軟件

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》2

臺式PC的物理組成

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》3

1.主板、芯片組與BIOS

運算器

控制器

內(nèi)存(RQM/RAM/Cache)

主機(jī)系統(tǒng)

I/O接口

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臺式PC機(jī)（立式）的主機(jī)箱

：D-ROM或

1VD-R0M

應(yīng)務(wù)需

openbay

i口和擴(kuò)展

接口

空間

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（1）主板

外部設(shè)備插口（I/O接口）

>主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件

>主板安裝內(nèi)容：見上圖

>ROMBIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件——基本輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS）

>CMOS存儲器：存放系統(tǒng)的基本參數(shù)（日期、時間、口令等）

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》6

例：華碩P4T主板照片

軟驅(qū)、

IDE連接器

芯片組

CPU插座

PCI總線插槽

內(nèi)存條插座

I/O端口

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(2)芯片組的作用

I/O總線南橋芯片I/O總線

主板擴(kuò)展槽

PCI接口

USB

以太網(wǎng)卡磁盤控制器

控制器和接口聲卡視頻卡

鼠標(biāo)器鍵盤網(wǎng)線光驅(qū)disk

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程(第二版)》8

芯片組舉例

Pentium4CPU

tru前里總線；；仔

北橋k=ADDR2E福

圖形卡接口《

82865P雙通道器

MCHDDR2

,~!音頻Codec

-UI電話Modem

硬盤接口(x2)＜C

南橋,哈PCI插槽（W6個）

以太網(wǎng)接口82801E

ICH5USB2.0接□(x8)

I—電源管理、時鐘生成

鍵盤，鼠標(biāo)，軟驅(qū)，并—SuperI/O―?~

口,串口等ROMBIOS

＞芯片組的作用:

,是PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐

＞北橋芯片：

1.存儲器控制功能；2.連接CPU、存儲器、顯卡、南橋芯片的樞紐

＞南橋芯片：

1.多種I/O設(shè)備的控制功能；2.I/O總線(PCI總線)功能；3.提供了各種I/O接口

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程(第二版)》9

＞芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度

的CPU,就有什么樣的芯片組與之配套

＞由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯

片組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲

卡等功能

＞芯片組產(chǎn)品：

/Intel芯片（如865、915、945、955、975系列等）

/VIA（威盛，中國臺灣）

/nVIDIA（美國）

/ATI（加拿大）

/AMD（美國）

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(3)BIOS

>什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）?

,中文名為“基本輸入/輸出系統(tǒng)”，它是存放在主板上

只讀存儲器（ROM）芯片中的一組機(jī)器語言程序

>功能：

/診斷計算機(jī)故障

/啟動計算機(jī)工作

,控制基本的輸入輸出操作（鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、

屏幕顯示等）

>BIOS芯片

,保存BIOS的只讀存儲器（ROM）芯片

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BIOS芯片中包含的程序i

＞加電自檢程序程序(POST)

(PowerOnSelfTest)用于檢測計算機(jī)硬件故障

＞系統(tǒng)自舉程序(Boot)

啟動計算機(jī)工作，加載并進(jìn)入操作系統(tǒng)運行狀態(tài)

＞CMOS設(shè)置程序

設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時間、口令、配置參數(shù)等

＞常用外部設(shè)備的驅(qū)動程序(Driver)

實現(xiàn)對鍵盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等常用外部設(shè)備輸

入輸出操作的控制

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程(第二版)》12

PC機(jī)的啟動工作過程

1.接通電源時CPU自動執(zhí)行BIOS中的POST程序

1.1按CMOS中的內(nèi)容來識別硬件的配置,測試各部件的工作狀態(tài)

（發(fā)現(xiàn)錯誤則報錯）

1.2初始化CPU、內(nèi)存、ROM、主板、CMOS、顯示卡、鍵盤、

軟驅(qū)和硬盤等設(shè)備

2.CPU自動執(zhí)行自舉程序

按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動順序，搜尋外存儲器（軟、硬

盤或光盤）

3.從外存儲器讀出引導(dǎo)程序，然后由引導(dǎo)程序讀出操

作系統(tǒng)并裝入內(nèi)存

4,最后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，整個計算機(jī)由操作

系統(tǒng)所控制

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關(guān)于CMOS芯片<

a這是一個容量很小的ROM存儲器，由電池供電，即

使計算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會丟失所存儲的信息

＞作用：

/存放計算機(jī)硬件的參數(shù)（稱為“配置信息”），包括日期和時

間、口令、軟盤/硬盤/光盤驅(qū)動器的數(shù)目、類型及參數(shù)、顯卡

類型、cache使用狀況、啟動機(jī)器時訪問外存的順序等，供

BIOS程序使用

＞設(shè)置和修改CMOS參數(shù)的方法：

/在開機(jī)啟動BIOS工作時，按下Del鍵（或F2或F8?。?，即可進(jìn)入

BIOS中的CMOS設(shè)置程序

2011-3-9

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》14

2.內(nèi)存儲器

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》15

復(fù)習(xí)：內(nèi)存與外存的關(guān)系及比較i

?外存儲器（簡稱外存或輔存）＞內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）

/存取速度慢,存取速度快

/成本低、容量很大/成本高、容量相對較小

/不與CPU直接連接，計算機(jī)運行程序/直接與CPU連接，CPU（指令）可以對

時，外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先傳內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作

送到內(nèi)存，然后才能被CPU使用。/屬于揮發(fā)性存儲器（volatile）,用于臨

/屬于不揮發(fā)性存儲器（Nonvolatile）,用時存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)

于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》16

計算機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu)

典型存取時間典型容量

1ns寄存器<1KB

2nscache存儲器,一,1MB

內(nèi)存儲器

10ns主存儲器（RAM和ROM）256MB-1GB

10ms外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）外存儲器40GB-200GB

10s后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）10TB-100TB

?分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價格比，計算機(jī)中各

種存儲器組成一個層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補短，協(xié)調(diào)工作

?工作過程：

1）CPU運行時，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器

2）如需要從（向）存儲器中?。ù妫?shù)據(jù)時，先訪問cache,如在，取自cache

3）如操作數(shù)不在cache,則訪問RAM,如在RAM中，則取自RAM

4）如操作數(shù)不在RAM,則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出一RAM-cache

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》17

內(nèi)存儲器的分類及應(yīng)用

＞內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲器芯片組成，芯片有多種類

刑.

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》18

主存儲器（RAM）的功能與原理

存

儲

內(nèi)

容

＞特點：

一以字節(jié)為單位進(jìn)行連續(xù)編址，每個存儲單元為1個字節(jié)（8個二進(jìn)位）

/存儲容量：主存儲器中所包含的存儲單元的總數(shù)（單位：MB或GB）

/存取時間：從CPU送出內(nèi)存單元的地址碼開始，到主存讀出數(shù)據(jù)并送到CPU

者是把CPU數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時間（單位：ns,1ns=10%）

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》19

PC機(jī)主存儲器的物理結(jié)構(gòu)

＞主存儲器由若干內(nèi)存條組成

＞內(nèi)存條的組成：

把若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成

＞內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用

＞目前流行的是DDR和DDR2內(nèi)存條：

,均采用雙列直插式，其觸點分布在內(nèi)存條的兩面

/DDR條有184個引腳，DDR2有240個引腳

/PC機(jī)主板中一般都配備有2個或4個DIMM插槽

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》20

存儲器與CPU速度差距愈來愈大

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》21

什么是cache（高速緩存）?

>cache是一種小容量高速緩沖存儲Cache存儲器

器，它由SRAM組成

49103

>cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度

幾乎與CPU一樣快

主存中的部分信息拷

>程序運行時，CPU使用的一部分?jǐn)?shù)10貝在cache存儲器中

據(jù)/指令會預(yù)先成批拷貝在cache中，

主存儲器

cache的內(nèi)容是主存儲器中部分內(nèi)容

的映象

>當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀（寫）數(shù)據(jù)或指令

時，先檢查cache中有沒有，若有，

就直接從cache中讀取，而不用訪問

主存儲器

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》22

sum=0;

for(i=0;i<n;i

程序的局部性原理舉例sum+=a[i];<

*v=sum;

對應(yīng)的匯編語言指令:

主存的布局:

10sum<——0

11apv--AA是數(shù)組的起始地址OxOFC10

12iv：--00x100II指

13if(jL>=n)gotodone0x10412令

i4loop：tV--（ap）數(shù)組兀素a[i]的值0x10813

15sumv<-sum+t累計在sum中OxlOC14

16ap<一-ap+4計算下1個數(shù)組兀素的地址0x11015

17iv:—i+10x11416

18if(jL<n)gotoloop

19done:V<--sum累計結(jié)桌呆存至地址v???

＞每條指令4個字節(jié)；每個數(shù)組元素4個字節(jié)0x400a[0]A

＞指令和數(shù)組元素在內(nèi)存中均連續(xù)存放0x404a[l]數(shù)

程序局部性的表現(xiàn):＞sum,ap,i,t均為通用寄存器；A,V為內(nèi)存地址0x408a[2]

0x40Ca[3]據(jù)

空間局部性：當(dāng)前訪問的某個數(shù)據(jù)（或指令），其鄰近范0x410a[4]

圍的數(shù)據(jù)（或指令）可能很快也會被訪問（程序在一段時間0x414a[5]

內(nèi)所訪問的數(shù)據(jù)或指令集中在一小部分地址空間中）???

時間局部性：當(dāng)前訪問的某個數(shù)據(jù)（或指令）可能很快又0x7A4V

會再次被訪問

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》23

關(guān)于cache存儲器...，一

Cache的命中率

Cache的操作過程靶子n1

Mi

n1+n2

START如果被訪問的

訪問M2的次數(shù)為N2

信息不在假設(shè)在Ml中命中的次數(shù)為NI

Cache從CPUcache中，稱

為失效(miss)

收到地址A?命中率H是CPU需要的指令或

A的內(nèi)容在訪問主存讀出A及數(shù)據(jù)在cache中能直接找到的概

cache中嗎相鄰地址內(nèi)容

Yes：一1如果被訪率，通常在95%以上

\問的信息

讀出A內(nèi)容在cache在cache中騰出空?設(shè)平均訪問時間T：

送中，稱為位置供接收用

CPU命中(hit)

T=HTc+(1-H)(Tc+TM)

耳（1-H）TM

cache接收A及相將A內(nèi)容發(fā)送?例LH=0.95,T=lns,

鄰地址的內(nèi)容給CPUc

TM=20ns

▼貝！J：T2ns

?例2,若命中率提高為0?99,

則：T=1.2ns

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程(第二版)》24

如何提高cache的命中率?

＞增大cache容量

＞采用多級cache技術(shù)（2級或3級等）

＞cache中采用快速的查找算法，判定是否命中

?不能命中時，采用有效的算法將讀入的內(nèi)容替

換cache中暫時不使用的內(nèi)容

?編譯器優(yōu)化目標(biāo)程序

＞程序員寫出cache-friendly的程序

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》25

cache?friendly程序舉例

哪個程序運行速度快？快21.5倍!(2GHzIntelPentium4)

（59,393,288時鐘周期）（1,277,877,876時鐘周期）

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程(第二版)》26

Pentium4的cache存儲器

△

64位，時鐘頻率指令cache及指令預(yù)取部件

刖

端

總

線

Pentium4中有3個cache存儲器，分成兩級:

總線

接口部件一級cache

預(yù)取

控制邏輯?數(shù)據(jù)緩存（L1數(shù)據(jù)cache）,8KB

?指令緩存，8KB

二級緩存（L2cache）,容量為256KB?2MB

L2

cache

(48GB/S)

256位，時鐘頻率>L1數(shù)據(jù)cache(8KB)

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》27

3.I/O控制與I/O接口

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》28

＞輸入的任務(wù)：

/將輸入設(shè)備輸入的信息送到內(nèi)存儲器的指定區(qū)

域

＞輸出的任務(wù)：

/將內(nèi)存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備

＞I/O操作也包括將外存儲器的內(nèi)容傳輸?shù)?/p>

內(nèi)存，或?qū)?nèi)存中的內(nèi)容傳輸?shù)酵獯鎯ζ?/p>

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》29

I/O操作的特點

＞I/O操作與CPU的運算可并行進(jìn)行

＞多個I/O設(shè)備可同時進(jìn)行工作

＞配置的I/O設(shè)備數(shù)量和品種可經(jīng)常增減或變

換

A每類I/O設(shè)備都有各自的控制器，它們按照

CPU的I/O操作命令，獨立地控制I/O操作的

全過程

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》30

關(guān)于總線

＞總線的定義:

/用于在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息的一個共

享的信息傳輸通路及其控制部件。

＞總線的特點：

1共享；2高速

＞總線的性能：數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；傳輸次數(shù)

/總線帶寬=（數(shù)據(jù)通路寬度/8）x總線工作頻率x傳輸次數(shù)

＞總線的類型：

/CPU總線

/存儲器總線

/I/O總線

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》31

關(guān)于I/O總線

>I/O總線是各類I/O控制器與CPU、內(nèi)存之間傳輸

數(shù)據(jù)的一組公用信號線，這些信號線在物理上

與主板擴(kuò)展槽中插入的擴(kuò)展卡（I/O控制器）直

接連接。

>目前PC機(jī)使用的I/O總線

/PCI總線

/PCI-Express（高速PCI總線）

>I/O總線的帶寬

/總線的數(shù)據(jù)傳輸速率（MB/s）=數(shù)據(jù)線位數(shù)/8X總線工

作頻率（MHZ）X每個總線周期的傳輸次數(shù)

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》32

PCI總線擴(kuò)展槽

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》33

關(guān)于I/O接口

aI/O接口：I/O設(shè)備與I/O控制器之間的連接器

包括：插頭/插座的形式、通訊規(guī)程和電器特性等

serial

＞分類：transmissionbyte

olaatarepresentatio

tornumber1

/從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：(OC110001)

byte

representation

?串行（一次只傳輸1位）tornumber3

(00110C11)

?并行（多位一起進(jìn)行傳輸）representatio

lornumber5

(OC11O1C1)

,從是否能連接多個設(shè)備來分：

?總線式（可連接多個設(shè)備）

?獨占式（只能連接1個設(shè)備）

DB9

lemaie

,從是否符合標(biāo)準(zhǔn)來分：

?標(biāo)準(zhǔn)接口（通用接口）DB-9DB-25

mateccfemaleconnector

?專用接口（專用接口）串行口

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》34

I/O設(shè)備接口

鍵盤接口并行口雙段套胃口

串行口

9針

VGA

視頻口

串行口

25針

鍵盤接口

雙絞線接口

Q

心八＞?***.同軸電纜網(wǎng)

絡(luò)接口

（安裝在主板上的I/O設(shè)備接口）密一PS/2接口

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》35

臺式PC機(jī)箱背板照片

鍵盤接口人加皈0mouse鼠標(biāo)接口

串行接口se〃a/port—一power電源接口

顯示器接口monitor一-prin打ter由（pa機(jī)rall（e并lpo行rt））接口

揚聲器接口speaker—

/oysZ/ck（游戲）操縱桿接口

麥克風(fēng)接口microphone-

,、_.,,teiephone/modem

電話線/M6DEM接口

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》36

常用的I/O接口及其性能參數(shù)

名稱數(shù)據(jù)傳數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)插頭/插座可連接的通常連接的設(shè)備

輸方式形式設(shè)備數(shù)目

串行口串行，50-19200b/sEIA-232DB25F或1鼠標(biāo)器，MODEM

雙向或EIA-422DB9F

并行口并行，1.5MB/SIEEE1284DB25M1打印機(jī)，掃描儀

（增強式）雙向

USB(1.0)串行，1.5Mb/s(慢速)USBA最多127鍵盤，鼠標(biāo)器，數(shù)碼相

USB(1.1)雙向1.5MB/S(全速)機(jī)，移動盤等

USB(2.0)串行，60MB/S（高速）USBA最多127外接硬盤，數(shù)字視頻設(shè)

雙向備，掃描儀等

IEEE1394a串行，12.5,25,50MB/sFireWire(i.Link)最多63數(shù)字視頻設(shè)備

IEEE1394b雙向100MB/S

IDE并行，66MB/SUltraATA/66(E-IDE)1-4硬盤，光驅(qū)，軟驅(qū)

雙向100MB/SUltraATA/100

133MB/SUltraATA/133

SATA串行，150MB/SSATA1.07針插頭/插1硬盤

雙向300MB/SSATA2.0座

顯不器輸出并行，200-500MB/SVGAHDB151顯示器

接口單向

PS/2接口串行，低速IBM1鍵盤或鼠標(biāo)器

雙向

紅外線接口串行，115,000bps或4紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會不需要1鍵盤，鼠標(biāo)器，打印機(jī)

（IrDA）雙向Mbps等

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》37

關(guān)于USB接口

＞通用串行總線式接口(UniversalSerialBus)

＞高速、可連接多個設(shè)備、串行傳輸

＞傳輸速率：

/USB的1.1版：1.5Mb/s和12Mb/s

/USB2.0版：高達(dá)480Mb/s(60MB/s)

＞使用4線連接器，體積小，符合即插即用規(guī)范(Plug

&Play,即PnP)

A使用“USB集線器”擴(kuò)展機(jī)器的USB接口，最多連接

127個設(shè)備

＞可通過USB接口由主機(jī)向外設(shè)提供電源(+5V,

100?500mA)o

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程(第二版)》38

接口的種類型

USB3Mini-USB,數(shù)碼

相機(jī)、移動硬盤

等設(shè)備經(jīng)常使用

接口類型A,通常

在PC上出現(xiàn)

接口類型B,通常在

USB設(shè)備上出現(xiàn)

引腳信號名稱導(dǎo)線顏色

1VCC電源紅

2-DATA數(shù)據(jù)一白

3+DATA數(shù)據(jù)十綠

USB集線器,可擴(kuò)展PC機(jī)的USB接口4GND地里八、、

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》39

小結(jié)1：

I/O總線,1/0控制器,1/0接口與I/O設(shè)備的關(guān)系

IDE接口機(jī)箱

;I/O控制器鍵盤

機(jī)箱DO設(shè)備

硬盤插座鼠標(biāo)器

光驅(qū)

機(jī)箱I/O設(shè)備與邛機(jī)

：嘆畬掃描儀

I/O總線插座

i1顯示器

:DO隹藕i講

PCI插槽「一I/O設(shè)備麥克風(fēng)

：（擴(kuò)充卡）；插座：1網(wǎng)線

I/O接口

>I/O設(shè)備通常都是物理上相互獨立的設(shè)備，它們一般

通過I/O接口與I/O控制器連接

>I/O控制器通過擴(kuò)展卡或者南橋芯片與I/O總線連接

>I/O總線經(jīng)過北橋芯片與內(nèi)存、CPU連接

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》40

小結(jié)2：

I/O總線,1/0控制器,1/0接口與I/O設(shè)備的關(guān)系

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》41

附錄

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》42

SRAM的存儲單元i

6管靜態(tài)NMOS存儲單元

信息存儲原理：看作帶

時鐘的RS觸發(fā)器

寫入時：

-位線上是被寫入的二

進(jìn)位信息?；?

-置字線為1

-存儲單元（觸發(fā)器）按

位線的狀態(tài)設(shè)置成?；?

讀出時：

-置2個位線為高電平

-置字線為1

I/OI/O-根據(jù)存儲單元的狀態(tài)

改變位線的輸出電平

2006-4-26《大學(xué)信息技術(shù)教程（第二版）》43

位線〈V)位線

V-C/C

電容Cn°deVInode'^BL

2006-4-26