1、第2章 计算机组成原理,2.1 计算机的组成与分类 2.2 CPU的结构与原理 2.3 PC机的主机 2.4 常用输入设备 2.5 常用输出设备 2.6 外存储器,2.1 计算机的组成与分类,2.1.1 计算机的发展与作用 2.1.2 计算机的逻辑组成 2.1.3 计算机的分类,2.1.1 计算机的发展与作用,过去的计算工具,隨著生產的發展和社會的進步，計算工具的發展過程從簡單到複雜、從低級到高級 計算工具相繼出現了如： 算盤 計算尺 手搖计算器 電動计算器,我国研制第1颗原子弹时使用的飞鱼牌手摇计算机（新华网图片）,Pascals 加法机,1642年，法国数学家B. Pascal用钟表元件制
2、造了一种能够做两个十进制数加减法的机器,巴贝奇的分析机,1821年，英国数学家C. Babbage（1791-1871）设计了差分机，这是第一台可自动进行公式演算的多功能机器，然而，这台计算机在他有生之年始终未能问世,上世纪30年代的机械式计算器,电动式计算器（1930）,手摇式计算器,第1台数字电子计算机诞生,1946年美国宾州大学研制成功第1台数字电子计算机-ENIAC,Photo: van Pelt Library, U Penn.,18 000 电子管,6000 开关 占地面积: 150 m2 重量: 30 吨 功耗: 140 KW 运算速度: 5000 次/s 平均无故障时间 7 m
3、in 外部程序控制,第1代数字电子计算机,时间：约1946-1957 使用的元器件：电子管 速度：几十几万次/秒 内存：磁鼓，千字 外设：磁带 机器语言或汇编语言编程,美国于20世纪50年代生产的IBM704型电子管计算机,磁鼓存储器,旋风1号(Whirlwind I) 数字计算机,Whirlwind I数字计算机，当时的售价是1750万美元，美国国防部使用,我国第1台数字电子计算机,1956年，华罗庚受命筹建中国科学院计算技术研究所。 1958年中国第一台计算机103型机研制成功，中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制。字长31位，内存容量为1024字节，运算速度每秒450次。 1958年8
4、月1日该机可以表演短程序运行，标志着我国第一台电子计算机诞生。该机在738厂开始小量生产，改名为103型计算机(即DJS-1型)，共生产38台,我国第1台大型电子计算机,1959年4月104机完成调试,第一道题目是“五一”节天气预报，9月交付用户使用。无故障稳定运行时间达到2小时 该机有22个机柜，占地200平方米。全机共用4200个电子管，4000个晶体二极管。字长39位，容量4K，每秒运算1万次,第2代数字电子计算机,时间：约1957-1964 使用的元器件：晶体管 速度：几十万次/秒， 内存：磁芯，十万字 外设：磁盘 高级语言编程,第2代计算机的内存：磁芯存储器,This is a 50
5、x photograph of magnetic core random access memory from a 4 KiB memory plane,上世纪50年代末 安装在美国宇航局的IBM 7090计算机,290万美元。内存容量：128KB；存取周期：2微妙,我国的第2代电子计算机,1964年我国华北计算所先后研制成功108乙机(DJS-6)、121机(DJS-21)和320机(DJS-6)，并在738厂等五家工厂生产；哈军工（国防科大前身）研制成功441B全晶体管计算机，小批量生产了40多台。,当时我国研发出的计算机，仅有小批量生产，由国家分配到各个科研院所使用。研发和生产计算机的单
6、位，全部是军工企业。具备极高的保密措施，每一个元件，每一张设计图纸都被严格看管,我国第一颗原子弹,1964年10月16日下午3时，新疆罗布泊上空，我国第一颗原子弹爆炸成功，成为继美苏英法后第五个拥有核武器的国家。,电子计算机是核计划的关键工具。高等物理的公式计算主要依靠人工使用计算尺和手摇计算机，只有非常复杂的计算才能用到昂贵的电子计算机,前苏联派出大批科学家，在核武器及电子计算机方面提供了技术支持。,第3代数字电子计算机,时间：约1965-1973 使用的元器件：中小规模集成电路 速度：几十万次几百万次/秒 内存：半导体存储器 软件：高级语言, OS, DBMS,第3代计算机,1965年IB
7、M推出的System 360大型主机，被美国航天局用于首次载人登月任务,上世纪60年代的 存储容量为5MB的硬盘,（27Kg重）,上世纪70年代 我国的集成电路计算机,DJS-180系列超级小型 计算机,天津DJS130小型机参展“1975年广交会”,第4代数字电子计算机,时间：从1974年起 使用的元器件：大规模和超大规模集成电路（VLSI） 速度：几百万次亿次/秒 内存：半导体存储器 软件工程，分布式处理等,第14代计算机的对比,计算机的发展大大超出人们预料,由于集成电路技术的发展和微处理器的出现，计算机发展速度之快，大大超出人们的预料： 性能不断提高 体积不断变小 功耗不断降低 价格越来
8、越便宜 软件越来越丰富 使用越来越容易 应用领域越来越普遍 计算机数量不断增加,上述趋势不仅仍在继续，且节奏进一步加快已不再沿用“第x代计算机”的说法。正在研究开发智能化的计算机系统，它以知识处理为核心，可以模拟或部分替代人的智能活动，具有自然的人机通信能力,选讲： 未来可能的新型计算机,目前计算机用的几乎都是半导体集成电路，但现在人们也在努力研究基于其他材料的计算机，如： 量子计算机：基于量子效应开发，利用一种链状分子聚合物的特性来表示开关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算 光学计算机：以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光
9、运算代替电运算。 生物计算机：蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。预计1020年后，DNA计算机将进入实用阶段 这些技术现在还都不成熟，与实际应用有很大差距，但可以预计这些技术的发展必将使计算机的前景更加美好,选讲： 光计算机和生物计算机,奥林巴斯光学工业公司开发出的生物计算机,英国女王大学的Anatoly Zayats教授 他是光计算机项目的负责人,计算机的特点与作用,什么是计算机？,计算机是一种工具 不是交通运输工具 不是机械加工工具 不是工具 计算机是一种信息处理工具,为什么说 计算机是通用的
10、信息处理工具？,计算机具有多方面的信息处理功能： 信息的收集（信息获取） 信息的储存（信息存储） 信息的加工（信息处理） 信息的传递（通信） 信息的施用（展现与控制）,计算机能做许多不同的工作,算题（科学计算） 制作图案 处理文字 管理数据 控制其他机器 游戏 收发邮件 收看电视,播放音乐 设计产品 帮助决策 模拟世界上的事物 制作影视特技 寻找信息 与人聊天 ,问题：为什么计算机能做许多不同的工作？为什么计算机可以同时做许多不同的工作？是不是计算机什么都能做？,计算机有哪些特性？,计算机的特性： （1）速度快 （2）存储容量大 （3）通用性好 不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形
11、式的信息进行处理 不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算 不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能 （4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力,计算机对社会的进步与发展有 巨大作用,计算机应用于科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。 计算机应用于工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和劳动生产效率，促进了经济的飞跃发展。 计算机应用于社会服务，大大扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步。 计算机应用于社会文化，为人类传承并创造知识与文化提供了现代化工具，改变了人们创造和传播文化的方式和方法，扩展了人类
12、文化活动的领域、丰富了内容、提高了质量。,计算机有什么负面影响？,计算机引发的社会问题和某些潜在的危机： 计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果 信息欺骗和计算机犯罪增加 知识产权保护更加困难 个人隐私受到威胁 不良和有害信息肆意传播和泛滥 大量电子垃圾污染环境、破坏生态 长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害,2.1.2 计算机的逻辑组成,计算机是一个复杂系统,计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称,计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档,计算机是一个复杂的系统 复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成 多样性
13、：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑等有关 层次性：分层(hierarchical) 结构,计算机硬件的逻辑结构 1,经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）,（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）,中央处理器CPU (Central Processing Unit),计算机硬件的逻辑结构 2,现代计算机的逻辑结构,与经典计算机结构相比的3个变化： 集中控制分散控制 存储器内存储器外存储器 通过CPU通信通过总线进行通信,(1) 输入设备,输入(input)的双重含义： 1.把信息送入计算机的过程; 2.向计算机输入的内容 输入设备(input devices) 功能：用来向计
14、算机输入信息 输入设备有多种，例如: 键 盘 输入文字、符号和命令 鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令 扫描仪输入图片 麦克风输入声音 输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示,(2) 中央处理器(运算控制器),什么是处理器(processor)？ 能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是： 由数字电路组成，结构非常复杂 所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器” (microprocessor),Intel 4004 chip,Intel 8080 chip,教师参考： 关于(微)处
15、理器和中央处理器(CPU),现代计算机中一般包含有多个 (微)处理器，它们各有不同的分工和任务： 用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件 完成其它功能的处理器举例： 显卡包含的绘图处理器（用于加速图形绘制） 声卡包含的DSP（用于数字声音信号的处理） 过去，个人计算机通常只有1个CPU；现在，大部分PC机虽然仍只有1个CPU芯片，但其内部却包含有2个、4个、6个甚至更多个CPU，目的是提高系统性能,CPU的任务,CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作,(3) 存储器,功能： 储存以二进位形式表示的程序和数据 分类：内存储器/外存储器
16、,存储单元,(4) 输出设备,输出(output)的双重含义： 1.把信息送出计算机的过程; 2.从计算机输出的内容 输出设备(output devices) 功能：从计算机输出信息 输出设备有多种，例如: 显示器输出文字、符号和图形 打印机打印文字、符号和图形 扬声器输出声音 (多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等),(5) 总线(bus),功能： 用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路 分类： CPU总线（或前端总线） ：用于连接CPU和内存的总线 I/O总线：连接内存和I/O设备（
17、包括外存）的总线,2.1.3 计算机的分类,计算机的分类（1）,按内部逻辑结构分类 8位/16位/32位/64位 单CPU/多CPU 按性能和价格分类 巨型计算机 (supercomputer) 大型计算机 小型计算机 个人计算机 (personal computer) 笔记本PC 台式PC 工作站 (workstation) 嵌入式计算机,巨型计算机（Supercomputer）,也称超级计算机，有极强的运算处理能力，速度达到每秒运算数万、数十万亿次以上 采用大规模并行处理的结构，由数以百计、千计、万计的CPU共同完成系统软件和应用软件运行任务 大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机
18、设计模拟、生物信息处理、破解密码等领域 国际上： 美国IBM公司的GeneL系统，运算速度为280.6万亿次秒 美国Cray公司XT4巨型计算机(3万处理器) 250万亿次秒 日本NEC公司的“地球模拟器” 我国： 江南计算技术研究所；“神威”巨型机 中科院计算所(曙光计算机公司) ：“曙光”巨型计算机 国防科技大学： “银河”巨型机、“天河一号”千万亿次/秒 联想集团公司：“深腾”巨型机,神威巨型计算机,巨型计算机（续）,IBM Blue Gene/L supercomputer,Cray 巨型计算机,银河巨型计算机,“天河一号”峰值性能1.206千万亿次双精度浮点运算;有6144个通用处理
19、器和5120个加速处理器;内存总容量98TB，点点通信带宽40Gbps;共享磁盘总容量1PB，是中国国家网格计算主结点,多种多样的个人计算机,台式个人计算机(立式),便携式(笔记本)个人计算机,台式个人计算机(卧式),Tablet PC(平板式电脑),个人数字助理(PDA),上网本,Apple公司的iPad平板电脑,Height: 9.56 inches (242.8 mm) Width: 7.47 inches (189.7 mm) Depth: 0.5 inch (13.4 mm) Weight: 1.5 pounds (0.68 kg) Wi-Fi model; 1.6 pounds (
20、0.73 kg) Wi-Fi + 3G model,9.7-inch display with IPS technology 1024-by-768-pixel resolution,关于“服务器”,服务器的英文名是“server”，指的是在计算机网络中专门用于为其他计算机提供服务和资源（数据、存储空间、处理能力、软件等）的一类计算机 原理上任何计算机都可以作为服务器使用 巨型机和大型机可以作为企业级服务器 专用的服务器可作为部门级服务器 一般的PC也可以作为工作组服务器或打印服务器 由于需要大量服务器，一些计算机厂家专门设计制造了称为“服务器”的一类计算机产品，其特点是： 存储容量大，存取速度快，网络通信功能强，可靠性好,例：HP公司的ProLiant 服务器,计算机的分类（2）,按计算机服务的对象和作用划分：,关于嵌入式计算机,把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算机”或“嵌入式计算机” 用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如 数码相机、MP3播放器、手机、计算机外设、汽车、机顶盒等 产品举例： 全球市场份额最大的是英国ARM公司的ARM处理器，现在绝大部分手机使用的都是采用ARM技术的微处理器,
