信息处理机器：计算机系统.ppt

第2章 信息处理机器：计算机系统,主要内容： 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 2.2 微型计算机硬件系统 本章小结 思考与练习,2.1 从历史走向未来 计算机的发展史,2.1.1 现代计算机的“史前”时代（1946） 中国古代普遍采用的一种计算工具“算筹”。更为先进的计算工具是两千年前中华民族发明的算盘，这是人类借助于工具进行数字计算的开端。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,图2-1 中国古老的计算工具：算筹（左）与算盘（右）,19世纪和20世纪前半叶，是计算机发展史上不寻常的时代。 如果按时间序列划分，在近代对计算机的发展史做出贡献的重要的人物和事件有： （1）1642至1643年，帕斯卡(Blaise Pascal) 发明了一个用齿轮运作的加法器。 （2）1674年，德国数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出了“二进制”数的概念。 （3）1812年，为现代计算机的发明做出过重要贡献的英国数学家查尔斯巴贝奇(Charles Babbage，17921871)开始考虑设计机械操纵的计算机。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,（4）1847年，英国科学家乔治布尔(GeorgeBoole)创立了逻辑代数，亦称布尔代数。 （5）1925年左右，美国马萨诸塞理工学院制成了一台大型的模拟计算机，他们用齿轮的旋转角度来表示所要计算的量。 （6）1936年，英国科学家图灵(A1an M.Turing)，提出了可计算计算机的概念，后来人们称他描述的计算机为“图灵机”。 （7）1943年1月，霍华德艾肯（Howard H. Aiken）在哈佛大学研制成功名为“ASCC Mark I”的世界上第一台通用计算机。 （8）1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀埃克特(J.Prespcr Eckert）博士和物理学家约翰莫克利(John Mauchly)博士开始着手研制“埃尼阿克”。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,2.1.2 冯诺依曼型计算机的基本结构 冯诺依曼提出计算机工作原理可概括为：“存储程序，顺序控制”。其基本思想是： (1)计算机可以使用二进制； (2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。 冯诺依曼提出的“存储程序原理”，导致现代意义的计算机的诞生。主要由5部分组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,2.1.3 第一台现代电子数字计算机的诞生 1946年2月5日，是人类文明历史上的重要转折点。世界上第一台真正的现代电子数字计算机“ENIAC”研制成功了（图2-4）。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,图2-4 采用电子管的世界上第一台数字计算机ENIAC（1946）,ENIAC的计算速度比以前的计算工具有了显著的提高，每秒钟可作5000次加法或400次乘法。 2.1.4 现代计算机发展的四个阶段 1.采用电子管计算机的第一代计算机（19461957） 第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,图2-5 1904年，世界上第一只电子管 在英国物理学家弗莱明的手下诞生,图2-6 电子芯片、晶体管和LED 都是由半导体材料制成,2.采用晶体管的第二代电子计算机（19581964） 在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，以单词、语句和数学公式代替了晦涩难懂的二进制机器码，使计算机编程更容易。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,图2-7 IBM公司于1959年生产的IBM 7090型是采用晶体管的第二代电子计算机,3.采用集成电路的第三代计算机（19651970） 1964年4月IBM 360系统问世，使它成为使用集成电路的第三代电子计算机的里程碑式的产品（图2-8）。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,图2-8 用于美国航空和航天局(NASA)的IBM 360计算机（1964）,4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年至今） 目前超大规模集成电路(VLSI)可在硬币大小的芯片上容纳上千万个乃至更多的元器件，如此高的集成度使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断得到增强。 在20世纪80年代发生的特别重要事件是个人计算机（PC）的问世与普及。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,图2-9 世界上第一台个人计算机IBM PC(1981),图2-10 Apple公司生产的iMac计算机,2.1.5 超级计算机（高性能计算机） 由数千个甚至更多的处理器组成，能完成普通PC机和服务器不能完成的大型复杂任务。 天河一号：我国首台千万亿次超级计算机，由6144颗CPU和5120颗GPU组成，内存容量98TB，共享磁盘容量1PB，每秒4700亿万次运算速度，2010年列世界第一。,2.1 从历史走向未来计算机的发展史,2.2 微型计算机硬件系统,计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。 硬件系统通常指机器的物理系统，硬件系统是指所有构成计算机的物理实体，它包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。 所谓软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系统资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，广义地说，软件系统还包括电子的和非电子的有关说明资料，说明书、用户指南、操作手册等。,2.2 微型计算机硬件系统,2.2.1 微型计算机系统 微型机根据工艺结构、外观形式和应用目的，可分为台式机和便携式两类。 微型计算机的硬件系统应由微处理器（运算器和控制器）、存储器、输入设备和输出设备组成（图2-11）。,2.2 微型计算机硬件系统,图2-11 微型计算机系统基本结构,2.2.2 微处理器 微处理器在微型计算机中又称为CPU（中央处理单元的缩写)，又简称其为处理器(Processor)。 CPU作为计算机系统的核心，其内部结构可以分为控制器、运算器和寄存器三个部分，如图2-13所示。,2.2 微型计算机硬件系统,图2-13 CPU主要由控制器、运算器和寄存器组成,人们常常用二进制位的位数(bit)来表示CPU的字长。 目前，微机的性能在某些方面已经达到甚至超过了小型机,并且普遍采用双核（或多核）处理器。 计算机总线 用于各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，以传递数据信息、地址信息和控制信息。 分为数据总线、地址总线和控制总线。 数据总线：双向的，决定了CPU和计算机其他设备之间每次交换数据的位数。 地址总线：单向的，决定了CPU的最大寻址能力。 控制总线，用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。,2.2 微型计算机硬件系统,2.2.5 主存储器系统 主存储器是计算机内部存储器的简称，用于存放CPU正在处理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问的存储器。 地址：系统给每个存储器单元赋予的唯一标识。 存储器容量的标识 计算机主存储器中存储单元的总数是2的方幂，主要原因是方便设计。存储容量的大小通常以（1024）个存储单元为度量单位。,2.2 微型计算机硬件系统,主存储器从存取功能上可分为只读存储器和随机存储器两大类。 只读存储器（ROM）中的内容在任何时候都可以读取，但是不可擦写和更改，数据和程序将会被永久地保存在其中，即使是关闭计算机，ROM的数据也不会丢失，也就是说，它是非易失性的。 相对于ROM而言，随机存储器（RAM）是可读写存储器，即可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不在保存，再次开机需要重新装入，也就是说，RAM中的数据是易失性的。,2.2 微型计算机硬件系统,2.3.1 外部存储系统的基本概念 存储系统的组成：存储设备和存储介质。存储设备必须从存储介质中读/写数据和程序。 固定存储系统与移动存储系统 固定：存储设备通常安装或配置在计算机系统内部。如硬盘驱动器和光盘驱动器。 移动：存储系统一般是独立的、可移动的，通过专用接口与计算机相连，如U盘、光盘、移动硬盘等。 易失性与非易失性存储器 易失性存储器：断电后数据就会失去的存储器，如RAM。 非易失性存储器（NVRAM）：如U盘、数码相机、可拍照手机、PDA、存储卡等,2.3 外部存储设备,2.3.2 磁存储系统 磁存储系统是一个精密的机电结合体，它的主要功能是将主机送来的电脉冲信号转换成磁记录信号，保留在涂有磁介质的盘片上，或者从盘片上将被保留的磁记录信号再转换成电脉冲信号送往主机。 1.硬盘存储系统 硬盘是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上(图2-18)。 在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆就被划分成磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区，数据就按扇区存放在硬盘上（图2-19）。,2.3 外部存储设备,2.3 外部存储设备,2. 磁盘冗余陈列-RAID 一种把多块独立的硬盘按不同的方式组合起来形成一个硬盘组，提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术。 具有容错处理和拯救数据功能。,图2-18 硬盘由多个磁头和盘片组成,图2-19 磁盘寻址结构示意图,2.3 外部存储设备,针对不同应用使用不同的RAID技术，称为RAID Level，公认的有Level0Level5。 Level不代表技术的高低。 RAID分为软件RAID和硬件RAID。 3.光盘存储系统 对光存储介质最基本的要求,就是存储单元的某种性质可以用某种方法改变以代表被存储的数据,同时这种性质可用光的方法检测出来。 最常用的方法是存储单元的光反射率代表存储的信号(1或0)，如图2-20所示。,2.3 外部存储设备,蓝光光盘（BD）：单层容量为25GB，可录制4小时的高解析影片；双层容量为50GB。 2010年制定的BDXL规格（高容量可刻录和可擦写光盘）支持100GB和128GB的容量。,CD光盘的表面的存储位（凹痕）,DVD光盘的表面的存储位（凹痕）,图2-20 光盘表面上的物理凹痕用来存储和表示0和1信号,2.3 外部存储设备,4.非易失性存储器 如果通俗地解释非易失性存储器，那就是指那些断电后数据仍然能保留的半导体存储器。 闪存(Flash Memory)具有关掉电源仍可保存数据的优点，同时又可重复读写且读写速度快、单位体积内可储存最多数据量，以及低功耗特性等优点。 5.数据校验方法 奇偶校验：在每个字节中加上一个奇偶校验位，指示之前的数据中包含奇数个1还是偶数个1，每个字节发送9位数据。,2.3 外部存储设备,奇校验：假如每字节的数据位中“1”的个数为奇数，校验位为“0”，使得包括校验位的“1”的总数为奇数。 奇校验无法检测出双位错误。,2.3 外部存储设备,奇偶校验在RAID中的应用 例：在一个由4块硬盘构成的RAID系统中，3块硬盘将被用来保存数据，第4块则用来校验，假设数据块A1=00000111，A2=00000101，A3=00000000分别存储在不同的磁盘中，奇偶校验块Ap由A1、A2、A3异或得到，如果第2块磁盘出现故障，A2将不能被访问，如何得到A2的数据。,2.4 输入/输出子系统,2.4.1 计算机输入设备 1.键盘 键盘的工作主要由其内置的单片微处理器负责控制。 2.鼠标 鼠标的工作原理是利用自身的移动，把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机，再由计算机把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示屏幕位置的目的。 3.扫描仪 人们通常将扫描仪用于各种形式的图像和文稿的输入。 扫描仪的主要指标为分辨率，它是用来表示扫描仪对图像细节表现的能力。,4.触摸屏 触摸屏作为一种多媒体输入设备，可使用户用手指直接在屏幕上指点或触及屏幕上的菜单、光标、图符等按钮，具有直观、方便的特点，就是从没有接触过计算机的人也会立即使用，有效地提高了人机对话效率。 电容式触摸屏核心是电容式感应器。 5.手写输入设备 6.图像与视频输入设备 数码相机:核心部件是电荷耦合器件（CCD）图像 传感器 数字摄像机：核心部件是电荷耦合器件（CCD）图像 传感器,2.4 输入/输出子系统,2.4 输入/输出子系统,2.4.2 计算机输出设备 1.显示器：阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、离子体显示器、LED显示器。 2.打印机 3.绘图仪 绘图仪也是比较常用的一种图形输出设备，它可以在纸上或其他材料上画出图形。,2.4 输入/输出子系统,2.4.3 外部设备接口 数据的传输方式基本分为两种，一种是用一条线用来传送数据，这种叫串行传输接口。 串行接口的特点是传输稳定、可靠、传输距离长，但数据传输速率较低。 如果用几条线来同时传输数据，这就叫做并行接口（Parallel Port）(图2-16)。 并行通信的特点是数据传输速率较大，协议简单，易于操作。 USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线接口，做到即插即用。,2.4 输入/输出子系统,图2-33 微机的串行与并行接口,计算机是信息处理的主要工具。从世界上第一台电子计算机问世至今，计算机技术得到了飞速的发展，计算机成为人类走向信息时代的过程中最锐利的武器。本章力图能够反映出这些变化和进展。 计算机是今天社会生活中的一个标志性的科学工具。它的发展历史也是半个多世纪人类科学技术进步的一个具有典型意义的缩影。我们在认识计算机发展的过程中，也能够认识到计算机的组成及其原理。把计算机的程序存放在主存储器里的思想称为存储程序概念，它已经成为今天所使用的标准方法。如果今天人们仍不知道这个概念的话，那么计算机科学的发展可能还在原地踏步。尽管几十年来，从计算机原理的角度看，计算机并没有特别大的变化，但实现这个原理的技术却飞速发展。,本章小结,通常所说的计算机，实际上是指一个计算机系统。所谓计算机系统是指由计算机硬件和计算机软件构成的一个完整的系统。硬件和软件是相辅相成的，缺一不可，它们共同构成计算机系统。计算机硬件系统是主机、存储器、输入、输出等物理设备的集成，这些设备完成输入、处理、存储和输出数据和信息的功能。,本章小结,一、思考题 1.计算机的发展经历了几个阶段？其划分的依据是什么？ 2.什么是计算机硬件系统与软件系统? 3.CPU由哪几部分组成，各部分的主要功能是什么？ 5.如果将主存中一个单元的内容移到另一个单元中需要哪些步骤? 6.为了向主存中的某个单元写入一个数据，CPU需要向主存提供什么数据? 7.在主存储器中，如果一个数据块储存在从地址BC到C2（包括C2）存储单元里，这一数据块占多少存储器单元？试列出它们的地址。 8.简述静态随机存储器的特性。 10.非易失性存储器是一个新概念，它与一般的静态随机存储器、动态存储器有何区别？ 11.磁介质为何能存储信息？ 12.光存储介质存储信息的原理是什么？ 13.从光盘的存储原理和结构上分析，为何DVD比CD的存储容量要大得多？,思考与练习,14.计算机有哪些常用的输入和输出设备，能否简单说明它们的工作原理。 15.计算机与外部设备的接口及标准有哪些？它们的主要功能是什么？ 16.计算机主存储器与硬盘相比有什么优点？请说出两个。 硬盘与计算机主存储器相比有什么优点？请说出两个。 17.某计算机地址总线宽度为32位，这台计算机能够寻址的内存单元是多少。 18.假设个显示屏每行包含80字符，共24行。如果将屏幕上字符的ASCII码存储到内存中(每个字符一个字节)，需要内存中的多少字节来存储整个显示器的内容? 19.某存储器容量为10 M，试计算能够存储多少中文字符（每个中文字符占2个字节）。 二、练习与实践 1.指出你所使用的计算机配置了哪些外部设备，它们的性能如何？如何操作与使用？,思考与练习,2.观察一台微型计算机的外部接口，分别指出串行口、并行口、网卡接口、显示器接口和USB接口的位置。 3.打开一台微机的机箱，分别指出CPU、主存储器、主板、扩展槽等部件的位置。,思考与练习,