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计算机硬件技术基础,李桂秋 宋维堂 编,高等教育出版社,第1章 计算机系统概述,【学习目标】,1.认识计算机和微型计算机。,2.知识点：,计算机、微型计算机划分依据及各代计算机特点,ENIAC、冯诺依曼计算机,目前计算机的主要应用领域,计算机的体系结构和工作过程,计算机语言：机器语言、汇编语言、高级语言、编译程序、解释程序,主要性能指标：字长、运算速度、存储容量,【重点、难点】,1计算机的基本结构及各部分的基本功能；,2微型计算机的系统结构；,3存储容量与地址线位数的关系；,4机器语言、汇编语言及高级语言及其关系,。,【内容框架】,计算机系统概述,计算机发展及应用,计算机的结构及工作过程,计算机主要性能指标,计算机的发展历程,微型计算机的发展,计算机系统,计算机的层次结构,计算机的应用,1.1.1 计算机的发展历程,1.第一台电子计算机,1946年,ENIAC,18000多个电子,管,1500多个继电器,占地,150平方米,重30吨,功耗140千,瓦,速度:5000次/分加法运算;,2.冯诺依曼计算机,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分构成；,采用存储程序的方式，将程序和数据存放在同一存储器中参加运算；,采用二进制码表示数据和指令；,指令由操作码和地址码组成；,以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。,3.计算机的发展年代,（以器件划分）,第一代：19461958，电子管结构，磁鼓、磁芯,存储,，外存为磁带，机器指令或汇编语言，主要用于科学计算。,第二代：19581964，晶体管结构，磁芯存储，外存为磁盘，高级语言编程，科学计算、数据处理、过程控制。,第三代：19641971，中小规模集成电路，功耗、体积下降，磁芯存储，操作系统。,第四代：1972至今，大规模或超大规模集成电路，半导体存储器存储，软、硬件结合。,1.1.2 微型计算机的发展,以微处理器的发展划分为五代：,第一代：1971年1972年。4位微处理器和低档8位微处理器。Intel 4004和Intel 8008。,特点：PMOS工艺，速度低，指令系统简单，运算功能差。,Intel 4004芯片,PMOS：一种半导体集成工艺，由P沟道MOS管构成，工艺简单，速度低。,第二代：1973年1977年。代表的微处理器是Intel 8080、8085，Zilog的Z80，Motorola的M6800，都是高性能的8位微处理器。第二代微处理器采用NMOS工艺，性能明显改进。,NMOS工艺：由N沟道MOS管构成的半导体集成电路，速度比PMOS高。,第三代：1978年1984年。代表产品有Intel 8086、80286，Zilog 的Z8000，Motorola 的M68000。第三代微处理器的特点是：16位微处理器，采用HMOS高密度集成半导体工艺技术，丰富的指令系统，多级中断系统，多寻址方式。,HMOS：高密度短沟道MOS工艺，速度快、功耗低。,第四代：1985年2003年。,1985年10月，32位微处理器Intel 80386。,1989年，高档的32位处理器Intel 80486。,流水线控制，面向高级语言的系统结构,1989年2003年间：,32位处理器在体系结构和执行速度上做出了很大的改进。,1993年Pentium（80586）处理器，初始主频6066MHz；,1995年Pentium Pro（高能奔腾），主频可达200MHz；,1997年Intel Pentium MMX（多能奔腾），增强了游戏和多媒体功能；,1997年Pentium，增加了更多的指令和更多Cache。,1999年Pentim，3D、流式音频、视频和语音识别功能提升。,2000年推出的Pentium，初始主频为1.5GHz,第五代：2003年至今。,2003年9月AMD推出了第一片64位微处理器Athlon 64；,2005年3月，Intel 推出了EM64T指令集、兼容32位/64位运算的Xeon（至强）处理器。,Windows XP Professional x64版操作系统,1.1.3 计算机的应用,一、科学计算,人造卫星轨道、火箭的推力及发射角、弹道轨迹等的计算。,二、数据处理,办公自动化，银行管理系统，民航、铁路售票系统，图书管理系统等。,三、过程控制,对生产过程中的某些参数进行实时的自动控制称过程控制。如热电厂锅炉温度的控制，化工厂配料控制等。,四、计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）,应用计算机进行飞机、船舶、超大规模集成电路等的设计、制造。,五、人工智能,人工智能就是让计算机对人进行智能模拟。将人脑进行演绎推理的过程、规则和所采用的策略、技巧等编成程序，让计算机按推理规则自动地做出判断和决策，如与人对奕，智能机器人等。,六、信息通信,如网络信息查询、情报检索、电子商务、电子邮件等。,1.2.1 计算机系统,包括硬件系统和软件系统两大部分,一、计算机的硬件系统,计算机硬件,：构成计算机的所有物理部件的总称。,由,控制器,、,运算器,、,存储器,、,输入设备,和,输出设备,五部分构成。,系统总线,：部件之间相互连接、传输信息的公共线路。,数据总线（DB）,地址总线（AB）,控制总线（CB）,二、计算机的软件系统,计算机软件,：各类程序和文档资料的总称，包括系统软件和应用软件两类。,系统软件,：管理、调度、监控、维护计算机的软件。包括操作系统、语言处理程序、监控程序、调试程序、诊断程序等。,操作系统：系统软件的核心，功能是管理计算机系统的硬件和软件资源，组织协调计算机的自动运行，提供人机接口，为用户使用计算机提供方便。,应用软件,：为解决某些具体问题而编制的程序。包括通用软件和实用软件两在类，通用软件如文字处理软件Word、WPS，图形处理软件Photoshop，各种程序设计环境等；实用软件有杀毒软件、解压缩软件等。另一类是用户为解决各种实际问题而开发的程序，即用户程序。,1.2.2 计算机的层次结构,一、计算机语言,机器语言：计算机能够识别并能直接执行的指令语言称机器语言。机器语言是用二进制代码编写的，是面向机器的的语言。,汇编语言：用助记符表示机器指令编写的程序称为汇编语言。也是面向机器的语言。机器不能识别汇编语言。由汇编语言编写的程序，称汇编源程序，需通过汇编程序转换为机器语言的目标程序，并经相应的链接后，机器才能执行。,高级语言：是面向问题的语言，用接近于人类自然语言的词和数学公式描述和编写程序。由高级语言编写的源程序需经编译程序和解释程序转换成机器语言后计算机才能执行。,编译程序：将源程序全部转化成机器语言程序后，再执行机器语言程序。,解释程序：将源程序的一条语句翻译成机器语言后，立即执行它。,机器语言目标程序,汇编语言源程序,高级语言源程序,汇编程序,编译程序,解释程序,二、计算机系统的层次结构,计算机系统可以用一种层次结构来描述。从硬、软件组织的角度，可将计算机分成从下到上的六层，从语言功能角度可将计算机分成四层，,用户,应用软件,其它系统软件,操作系统,指令系统,裸机,高级语言虚拟机,汇编语言虚拟机,操作系统虚拟机,实际机器,三、计算机的工作过程,计算机的工作过程就是执行指令的过程，可分为：取指令、分析指令和执行指令三个阶段。,取指令,分析指令,执行指令,指令和数据存放在主存储器中。CPU给出第一条指令的地址，通过地址总线送到存储器的地址译码器中。经译码后，找到指令存储单元，发出读命令，将指令读出并经数据线送CPU。CPU对指令进行译码后，按指令功能发出一系列的操作控制信号，控制指令的操作。如果执行的是运算指令，则需按指令中指出的寻址方式，到存储器中读取操作数送到运算器中运算，并将运算结果送到指定的目标空间。然后，CPU再给出下一条指令的地址，继续上述过程，直到程序结束。,取 指 令,CPU,译码器,存储器,AB,指令地址,指令,DB,指令,数据,RD,分 析 指 令,CPU对指令译码，按指令功能发出操作信号，控制指令的操作。,执 行 指 令（运算）,CPU,译码器,存储器,AB,操作地址,指令,DB,源操作数,数据,RD,目的操作数,下一条指令,ID,来自IR,基本字长,：参与计算的数据的二进制位数。标志着运算精度。,存储容量,：有主存容量和辅存容量两项指标，是指存储器中存储单元的个数。两种表示方法：,以字节（Byte）为单位，一个字节是8位二进制数。如表示为64KB，256MB等。,用“单元数（字数）位数”表示。如64K16位。,主存储器的容量受地址线位数的限制。,n,位地址线可寻址的内存单元为2,n,个。存储容量的单位有B，KB，MB和GB。其关系为：,1KB=2,10,（1024）B,1MB=2,10,（1024）KB=2,20,B,1GB=2,10,（1024）MB=2,20,KB=2,30,B,运算速度,：用每秒执行的指令的条数来表示。表示为MIPS，即：每秒百万条指令。现在多用CPU的时钟频率来表示。,性能/价格比,：简称性价比。综合指标，性价比越大，表明计算机的性能越好，价格越低。,外设配置,：计算机从结构上允许配置的基本外设和扩充外设的种类和数量。,本章小结,1946年，第一台电子计算机ENIAC 诞生。,按器件划分，电子计算机经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路四个发展阶段。,微型计算机是采用微处理器芯片的计算机。按照CPU的发展，微型计算机经历了4位、8位、16位、32位和64位五个发展阶段。,计算机的应用主要有科学计算、数据处理、过程控制、CAD/CAM、人工智能和信息通信等。,小 结,计算机系统由硬件系统和软件系统组成。,硬件系统主要有控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分，其中控制器是计算机的协调控制中心。,软件系统包括系统软件和应用软件，操作系统是系统软件的核心。,计算机的工作过程可分为取指令、分析指令和执行指令三个阶段。,基本字长、存储容量、运算速度、性价比、外设配置是计算机的主要性能参数。存储容量与地址线之间的对应关系是：,n,位地址线可寻址的最大存储空间是2,n,个，即存储器的容量为2,n,B。,
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