计算机硬件技术基础

计算机硬件技术基础 同济大学电子与信息工程学院 教学内容 第一章 微型计算机概述 第二章 微型计算机的主要部件 第三章 微型计算机的外部设备 第四章 多媒体计算机 第五章 计算机网络 第六章 笔记本 PC机 第七章 微型计算机的选购、安装与维护 参考教材 计算机硬件技术基础 谭浩强主编 电子工业出版社 计算机硬件技术基础教程 史嘉权主编 清华大学出版社 第一章 微型计算机概述 1946年 , 美国宾西法 尼亚大学研制成功电子 数字计算机 ENIAC。重 28吨，耗电 150kW，占 地 170平米，用电子管 18800个，每秒 5000次 加法。 第一代 电子管时代 (1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编 语言 第二代 晶体管时代 (1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代 (1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次 /秒 第四代 大规模集成电路时代 (1971至今 ) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 计算机的发展 巨型机 世界几家公司生产，最快 1.4万亿次， 9千个 CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河 I, 银河 II, 银河 III 小巨型机 功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国 Convex公司的 C系列机为其代表产品。 大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有 IBM360， 370， 4300等。 小型机 它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有 IBM-AS/400， DEC-VAX系列，国产太极 工作站 用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有 HP-APOLLO， SUN工作站等。 微型机 个人或家庭使用， PC机 /个人计算机，价格低廉 计算机的六大分类 1.1 微电子器件的发展 代 发表 年份 字长 (bits) 型号 线宽 (m) 晶体管数 (万个 ) 时钟频率 (MHz) 速度 (MIPS) 一 1971 1972 4 8 4004 8008 50 0.2 0.3 1 0.05 二 1974 8 8080 20 0.5 2-4 0.5 三 1978 1982 16 8086/8088 80286 2-3 2.9 13.4 4.77-10 8-16 300 七 2002 ？ 64 Itanium 0.13 CPU:2.5K Cache:30K 800(20条指令 /时钟周期 ) 3000 1.1.1 摩尔定律 摩尔定律 60年代初，英特尔公司创始人之一，美国化 学家戈登 摩尔提出每隔 18至 24个月，芯片每秒 速度至少提高一倍。 戈登 摩尔当年提出摩尔定律的时候，恐怕自己都想不到会对 现在这个时代产生如此大的影响，因为戈登 摩尔所处的时代， 石油和煤炭依然是经济发展的动力，而现在芯片已经成为了左 右经济的重要力量。摩尔定律经受了将近 40年的时间冼礼，其间 它像一双无形的臂膀，推动着 IT产业不断地向前发展一一每个芯 片上集成的晶体管数目已经增长了 18000倍，由 1971年的 2300个 增长到了今天 Pellet 4芯片的 4200万个。 一个高大的“阴影”始终弥漫在英特尔这家半导体领 域利润最高的公司之中，笼罩着整个半导体产业。这就是 “摩尔定律”， IT产业的第一定律！ 关于摩尔定律的不同观点 10年前的 intel， 5年前的微软，给人们的印象是一个产 生兴奋的地方，好莱坞只能把梦想做到银幕上，而微软和 intel的联盟把银幕上的梦变成了人们生活的一部分。于是， 在那个时候，摩尔定律和 windows一起代表了人类征服数字 世界，改造自己生活的精神。 现在的摩尔定律，不再是一个梦想的一部分，而是逼 迫人们掏钱的工具。什么是摩尔定律的灵魂？更快、更 高、更强，技术让你实现梦想，一切以用户体验为中心； 而现在的硬件厂商恰恰相反，拼命提高主频，甚至不惜牺 牲架构优势也要突出主频优势，完全背离了用户，背离了 应用。 在科技界存在的一个众所周知的事实，那就是任何试 图突破“摩尔定律”的行动最终都以失败告终。企业每年在 该领域的尝试至少达到 1000多次，如 rilogy Systems和 MicroUnity的超级芯片试验，以及 IBM的 X射线平板印刷术 等，最终都胎死腹中。但人们很少注意到的是，成千上万家 追崇“摩尔定律”的企业最终都退出了这场“游戏角逐”。 另外，人们也很少关注这些企业的最终命运如何。事实上， 几千家 4年前仍可以看到的企业，如今已不复存在了。“摩 尔定律”的副作用在网络界体现的尤为突出。甚至可以说， 网络市场从一窝蜂地不正常发展到最终的破灭，都是“摩尔 定律”惹得祸。 Intel 捍卫摩尔定律 摩尔定律与英特尔有着不解的渊海，不仅因为摩尔定 律的提出者戈登 摩尔是英特尔的创始人之一，更因为英特 尔在芯片技术上的一次次突破，使之理所当然地成为了摩 尔定律的忠实捍卫者，而英特尔最新的一次捍卫行动，仍 然是用技术说话。 2004年 11月 26日，美国英特尔宣布该公司的研究人员已 经开发出了新型晶体管结构。 英特尔实验室元件研究部门经理格兰德 马斯科说：“此 前我们的研究曾证明了：完全可以开发出更快更小的晶体管 。但这里存在着耗电量、发热及漏电等根本性的问题。我们 的目标是克服这一障碍，制造出可集成相当于目前微处理器 25倍的晶体管、同时不增加耗电量的芯片”。 对于这项技术所带来的影响，有关人士则称为是“这项 技术的开发成功将再次打破阻碍摩尔法则继续存在的瓶颈。 ” 1.2 微型计算机的硬件组成 约翰 冯 诺依曼（ JohnVonNouma， 1903 1957），美藉匈牙利 人， 1903年 12月 28日生于匈牙利的布达佩斯，父亲是一个银行家， 家境富裕，十分注意对孩子的教育。冯 诺依曼从小聪颖过人，兴趣 广泛，读书过目不忘。据说他一生掌握了七种语言， 6岁时就能用 古希腊语同父亲闲谈，其中最擅长德语。他对读过的书籍和论文能 很快一句不差地将内容复述出来，而且若干年之后，仍然如此。 1911年一 1921年，冯 诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期间，就 崭露头角而深受老师的器重。在费克特老师的个别指导下，两人合 作发表了第一篇数学论文，此时冯 诺依曼还不到 18岁。 1921年至 1923年在苏黎世大学学习。在 1926年以优异的成绩获得了布达佩斯 大学数学博士学位，此时冯 诺依曼年仅 22岁。 1927年至 1929年，冯 . 诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。 1930年接受了普 林斯顿大学客座教授的职位， 1931年成为该校终身教授。 1933年转 到该校的高级研究所，成为最初六的位教授之一，并在那里工作了 一生。，是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林 且学院等院的院土。 1954年他任美国原子能委员会委员； 1951年至 1953年任美国数学会主席。 冯 诺依曼由 ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加 ENIAC机研制小组后，便带领这批富有创新精神的年轻科技人员， 向着更高的目标进军 1945年，他们在共同讨论的基础上，发表 了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案” EDVAC （ ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer的缩写） EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、 逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的 职能和相互关系 EDVAC机还有两个非常重大的改进，即：（ 1） 采用了二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；（ 2建 立了存储程序，指令和数据便可一起放在存储器里，并作同样处 理简化了计算机的结构，大大提高了计算机的速度 1946年 7， 8月间，冯 诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在 EDVAC方案的基础上， 为普林斯顿大学高级研究所研制 IAS计算机时，又提出了一个更 加完善的设计报告 电子计算机逻辑设计初探 以上两份既有 理论又有具体设计的文件，首次在全世界掀起了一股“计算机 热”，它们的综合设计思想，便是著名的“冯 诺依曼机”，其中 心就是有存储程序。 输 入 设 备 控制器 输 出 设 备 CPU 存储器 运算器 ALU 诺依曼计算机的工作原理可概述为： “存储程序” + “程序控制” 1以二进制表示数据和指令 (程序 ) 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行 1.3 基本原理和工作过程 冯 诺依曼型计算机的特征 的特 计算机由运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入设备和 输出设备组成 。 数据 、 地址和指令在机器中均用二进制表示 。 计算机的最基本功能是执行指令 。 指令由操作码 和操作数组成 。 把程序和数据一起存储在存储器中 ， 并可以由计 算机进行修改 。 程序按指令顺序存放 。 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 I/O 接 口 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 输 出 设 备 CPU 微机的硬件由 CPU、 存储器 、 输入 /输出设备构成； 输入 /输出设备通过输入 /输出接口与系统相连； ( 输入 /输出接口简称 I/O接口 ) 各部件通过总线连接 。 构 成 部 件 中央处理器 CPU 计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行， 实现计算机本身的自动化。 地址信号 标 志 寄存器 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地 址 寄 存 器 指 令 指 针 寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 器 IP 数据信号 控制信号 ALU ALU 控制器 总线 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输 总线 BUS 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 I/O 接 口 输 出 设 备 CPU 计算机中传输信息的公共通路称为总线（ BUS）。 按照总线上传输信息的不同，总线可分为 ： （ 1）数据总线（ DB）：用来传送数据信息， 它主要连接了 CPU与各个部件，是它们之间交换信 息的通路。数据总线是双向的，而具体的传送方向 由 CPU控制。 （ 2）地址总线（ AB）：用来传送地址信息。 CPU通过地址总线中传送的地址信息访问存储器。 通常地址总线是单向的。 （ 3）控制总线（ CB）：用来传送控制信号，以 协调各部件之间的操作。 内存 内存是存储程序和数据的部件 ， 由地址译码器 、 内存单元等构成 。 n根 C P U 地址线 AB 数据线 DB 控制线 CB 地 址 译 码 器 11001100 00110011 10101010 11110000 10001000 地址 00.0000 地址 00.0001 地址 00.0010 地址 00.0011 地址 111111 内存结构示意图 外设和输入 /输出接口 （ I/O接口 ） 外设的电信号 、 运行速度与 CPU不匹配 ， 不能与 CPU直接相连 ， 必须通过 I/O接口与 CPU相连 。 微型计算机常用外围设备有显示器、键盘、鼠标 器及外存储器。外存中常用的有硬磁盘（硬盘）、软 磁盘（软盘）和光盘。如果需要还可以根据用户的要 求配置打印机、绘图仪、投影仪；同时为了联网，还 可以配置调制解调器等通信设备。 键 盘 键盘接口 显示器 显示卡 鼠 标 串行接口 网 络 网卡 打印机 并行接口 音箱、麦可风 声卡 IDE2 Pentium III 北桥 440BX 南桥 PIIX4E CMOS & RTC USB 超级 I/O IDE1 COM1 COM2 LPT1 L1Cache L2 Cache PCI 插槽 ISA 插槽 内存条 ROM BIOS 显 示 器 硬盘 光驱 软驱 键盘鼠标 打印机 MODEM 显卡 表 1.2 PC机系列发展表 1.2.1 微型计算机的基本配置 表 1.2 PC机系列发展表 1.2.2微型计算机的指令系统 机器语言 机器语言是指机器能直接识别的语言，它是由 “ 1” 和 “ 0”组成的一组代码指令。例如， 01001001，作为机器 语言指令，可能表示将某两个数相加。由于机器语言比较 难记，所以基本上不能用来编写程序。 汇编语言 汇 编语言是由一组与机器语言指令一一对应的符号指 令和简单语法组成的。例如， “ ADD A， B”可能表示将 A 与 B相加后存入 B中，它可能与上例机器语言指令 01001001 直接对应。汇编语言程序要由一种 “ 翻译 ” 程序来将它翻 译为机器语言程序，这种翻译程序称为汇编程序。任何一 种计算机都配有只适用于自己的汇编程序。汇编语言适用 于编写直接控制机器操作的低层程序，它与机器密切相关 ，一般人也很难使用。 高级语言 高级语言比较接近日常用语，对机器依赖性低，是适 用于各种机器的计算机语言。目前，高级语言已发明出数 十种，下面介绍常用的几种，如表 名 称 功 能 BASIC语言 一种最简单易学的计算机高级语言，许多人学习基本的程序 设计就是从它开始的。新开发的 Visual Basic具有很强的可 视化设计功能，是重要的多媒体编程工具语言 FORTRAN语言 一种非常适合于工程设计计算的语言，它已经具有相当完善的工程设计计算程序库和工程应用软件 C语言 一种具有很高灵活性的高级语言，它适合于各种应用场合，所以应用非常广泛 Java语言 这是近几年才发展起来的一种新的高级语言。它适应了当前 高速发展的网络环境，非常适合用作交互式多媒体应用的编 程。它简单、性能高、安全性好、可移植性强 微型计算机的工作过程 CPU进行简单的算术运算或逻辑运算 ， 或 从存贮器取数 ， 将数据存放于存贮器 ， 或由接 口取数或向接口送数 ， 这些都是一些基本动作 ， 也称为 CPU的操作 。 用微型计算机求解 “ 7+10=?”这样一个极 为简单的问题 ， 必须利用指令告诉计算机该做 的每一个步骤 ， 先做什么 ， 后做什么 。 具体步 骤就是： 7AL AL+10AL 其含义就是把 7这个数送到 AL里面 ， 然后将 AL中的 7和 10相加 ， 把要获得 的结果存放在 AL里 。 把它们变成计算机 能够直接识别并执行的程序如下： 10110000 00000111 第一条指令 00000100 00001010 第二条指令 11110100 第三条指令 利用助记符加上操作数来表示指令 就方便得多了 。 上面的程序可写成： MOVAL， 7 ADDAL， 10 HLT 程序中第一条指令将 7放在 AL中； 第二条指令将 AL中 7加上 10并将相加之 和放在 AL中；第三条指令是停机指令 。 当顺序执行完上述指令时 ， AL中就存放 着要求的结果 。 1.2.3 微型计算机的指令流程 1 程序计数器 地址寄存器 地 址 译 码 器 00111110 存储器单元 11010011 地址寄存器 地址寄存器 地址寄存器 地址寄存器 算术逻辑 运算单元 读写控制线 控制总线