第二章计算机组成原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 计算机组成原理,第二章 学习目标与要求,1.掌握计算机,硬件,的,主要组成部分,及其,功能,2.描述,CPU,的结构与工作原理,3.熟悉,PC,机的物理组成,4.,常用输入设备,的功能、结构与原理,5.,常用输出设备,的功能、结构与原理,6.,外存储器,计算机的诞生与发展,第一台,电子计算机诞生,ENIAC,：,电子数字积分机与计算机,（,Electronic Numerical,Integrator And Computer,）,时间,：,1946,年,2,月,地点：美国宾夕法尼亚大学,用途：军事计算,运算速度：,5000,次,/,秒,体积价格：,170,平方米，,30,吨，,140,千瓦，,40,万美元,1943,年由,John,Brainered,领导,ENIAC,开始研究。图为,John,Mauchly,及,J.,Presper,Eckert,负责这计划的执行者,对计算机的诞生和发展做出重大贡献的两个人：,阿伦,图灵,(Alan Turing,),图灵的思想,奠定了,现代计算机科学的,理论基础。,冯,诺依曼,(John Von,Neumman,),奠定了,当代计算机硬件由控制器、运算器、,存储器,、输入设备、输出设备等组成的,结构体系,阿伦,.,图灵,(Alan Turing,),英国数学家、哲学家、密码破译家,30,年代初，发表了一篇著名的论文,论数字计算在决断难题中的应用,，他提出了一种十分简单，但运算能力极强的理想计算装置，用它来计算所有能想象得到的可计算函数。,图灵的思想,奠定了现代计算机科学的理论基础。,图灵机,自动机理论,ACM,（,美国计算机学会）,图灵奖,1945,年,Von,Neuuman,、,H.H.Goldstin,、,A.W.Burks,发表了一篇论文,电子计算机装置逻辑结构初探,提出了两个主要论点,:,*,使用二进制,*,存储程序和程序控制,奠定了,当代计算机,硬件由控制器、运算器,、存储器、输入设备、,输出设备等组成的,结构,体系,冯,诺依曼,教授（,John Von,Neumman,）,和他设计的“存储程序式”计算机,EDVAC(,埃德瓦克,),2.1.3,计算机的发展阶段,以计算机使用的,基本电子元件,作为划分依据，计算机的发展经历了四个阶段。,基本电子元件的,演变,：,集成电路（,IC,）,电子管,晶体管,中小规模集成电路芯片,大规模超大规模集成电路芯片,计算机的发展阶段,过去很长时间人们都按照,计算机主机,所使用的,元器件,，为计算机划代。,代,别,年,代,主要元器件,配置的软件,主要应用,第,1,代,20,世纪,40,年代中期,50,年代末期,CPU,：,电子管,内存：,磁鼓,使用机器语言和汇编语言编写程序,科学计算和工程计算,第,2,代,50,年代中后期,60,年代中期,CPU,：,晶体管,内存：,磁芯,使用,FORTRAN,等高级程序设计语言,开始广泛应用于数据处理领域,第,3,代,60,年代中期,70,年代初期,CPU,：,SSI,，,MSI,内存：,SSI,，,MSI,半导体存储器,操作系统，数据库管理系统等开始使用,在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用,第,4,代,20,世纪,70,年代中期以来,CPU,：,LSI,、,VLSI,内存：,LSI,、,VLSI,的半导体存储器,软件工程、分布式计算、网络软件等开始广泛使用,深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机,2.2,计算机的组成与分类,主要内容：计算机的逻辑结构,各组成部分的基本功能,计算机分类,计算机主要性能指标,2.2.1,计算机,硬件,的组成,冯,诺依曼,型计算机的,5,个组成部分,运算器,控制器,存储器,输入,输出,中央处理器俗称,:CPU,主机,计算机硬件,I/O,设备,其,基本原理,是,存储程序控制,，,或说是,存储程序，程序控制,。,CPU,与,主存储器,连同总线构成主机,外存储器,与,输入输出设备,称外围设备,计算机硬件,中央处理器,(CPU),内存储器,外,存储器,输入设备,输出设备,通过,系统总线,互相连接,主机,CPU,主存储器,总线,外围设备,（,外设）,外存储器,输入设备,输出设备,中央处理器,外存储器,内存储器,输出设备,系统总线,输入设备,适配器,适配器,适配器,I/O,端口,I/O,端口,外存储器接口,控制器,运算器,存储器,计算机的逻辑结构,中央处理器,(,CPU,)(CPU,：,C,entral,P,rocessing,U,nit),包含,运算器,和,控制器,。承担,系统软件和应用软件,运行,任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器，,它们各有其不同的任务）,中央处理器,(CPU),处理器,能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理,微处理器,简称,P,或,MP,，,通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器,中央处理器,(CPU),并行,处理和,多处理器,系统,使用多个,CPU,（,2,，,4,，,8,或更多）实现超高速计算的技术称为,“,并行处理,”,，采用这种技术的计算机系统称为,“,多处理器系统,”,。,存储器,外,存储器,(,简称,外存,或辅存,),存取速度慢,、容量相对,大,，价格相对,低,不直接,与,CPU,相连接,（,CPU,不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能,被,CPU,使用）,非易失性,，用于长期存放各类信息,存储介质：,磁盘、光盘、磁带,等,输入设备,输入,（,input,）,输入：把信息,(,原始数据或程序,),转换为计算机能识别的形式而送入,计算机,内存,的过程,（名词）向计算机输入的内容,输入设备,用来向计算机输入信息的设备,输入到计算机中的信息都被转换成二进制,“,0,”,和,“,1,”,两个符号来表示,输入设备分类,按照,输入信息的类型,划分,数字和文字,输入设备,(,键盘、写字板等,),位置和命令,输入设备,(,鼠标器、触摸屏等,),图形图像,输入设备（扫描仪，数码相机等）,声音,输入设备（话筒，,MIDI,演奏器等）,视频,输入设备（摄像机）,温度、压力,输入设备,(,温度、压力传感器,),输出设备,输出,（,output,）,输出：把信息送出,计算机,的过程,（名词）指计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式,输出设备,完成信息输出的设备，即把计算机,内,存储器中用,“,0,”,和,“,1,”,表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备,输出设备类别,输出,文字,和,图像,的设备：,显示器 打印机 绘图仪,输出,声音,的设备：,音箱,系统总线,系统总线是,用来在,CPU,、,内存、外存和各种输入,输出设备之间,传输信息,并,协调,它们工作的一个,控制,部件,(,含,传输线,与,控制电路,),。,有些计算机把连接,CPU,和,内存,的总线称为,系统总,线,，把连接,内存,和,I/O,设备,(,包括外存,),的总线称为,I/O,总线,。,总线通常由总线,控制器,、总线,发送器,、总线,接收器,和,互联导线,组成。,系统总线上有,3,类信号：,数据信号,、,地址信号,、,控制信号,因此有,数据线,、,地址线,、,控制线,I/O,端口,（,I/O,port,）,计算机系统中的,I/O,设备通过,I/O,端口,与各自的,控制器,（即，,适配器,）,连接，然后由控制器与总线相连。常用的,I/O,端口有,并行口,、,串行口,、,视频口,、,USB,口,等，它们的外形、结构,和信号交换规程各不相同,。,2.,2.2,计算机的分类,按,内部逻辑结构,分为,单处理机、多处理机,(,并行机,),按,字长,分为,16,位机、,32,位机,或,64,位计算机等,按计算机的,性能、用途和价格,分为,巨型,计算机（,Supercomputer,）,大型,计算机（,Mainframe,）,小型,计算机,（,Minicomputer,）,个人,计算机,（,Personal Computer,）,另外还有：,单片机,4.,个人,计算机（,Personal Computer,，,也称个人电脑、,PC,机,或,微机,）,最早的代表机型：,1977,年：,Apple Macintosh,(Apple,公司产品,，,使用,Motorola,公司生产的微处理器）,1981,年：,IBM-PC,(IBM,公司产品，使用,Intel,公司,生产的,8086,微处理器）,计算机的分类,台式机,笔记本电脑,掌上,计算机,计算机的分类,个人计算机类别,台式机,：一般在办公室或家庭中使用。,便携机,：用于移动计算。,笔记本,（,膝上,机,）：体积小、重量轻，便于外出携带，性能与台式机相当，但价格高出一倍左右。,手持式计算机,（,掌上,机,）：包括,商务通,、,快译通,之类产品，它们与,PC,机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通用性。,计算机的分类,工作站,（一种特殊的个人计算机，称为,工程工作站,Workstation),具有,高速运算能力和强大的图形处理功能,，通常运行,UNIX,操作系统，特别适合于,工程与产品设计,使用。,SGI,，,SUN,，,HP,，,IBM,等公司都有此类产品。,工作站,计算机的分类,服务器,/,客户机,在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的,服务器,，个人计算机和工作站则用作,客户机,。,客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。,鉴于服务器,/,客户机系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为,“,服务器,”,的一类计算机产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。,计算机的分类,5.,微控制器,（,单片机,）,是一种把处理器、存储器、输入输出接口电路等都集成在,单块芯片,上的大规模集成电路芯片,。,2.,2.3,计算机主要性能指标,1.,运算速度,用于说明,具有并行处理能力的巨型机的运算速度,的度量单位：,次秒,：每秒执行加法运算的次数,世界第一台计算机,ENIAC,的运算速度,5000,次,/,秒,目前计算机的速度,银河,：,130,亿次秒,(,国产机）,曙光,3000,：,3800,亿次秒,(,国产机，国内最快,),Earth Simulator(,地球仿真超级计算机,),：,350000,亿次,/,秒 浮点运算,(NEC,公司，世界最快,),计算机主要性能指标,用于说明,CPU,运算速度,的度量单位：,（,1,）,MIPS,：,百万条定点指令秒,（,Million Instructions Per Second,）。,例如,P4,微处理器运算速度已超过,100 MIPS,（,2,）,MFLOPS,：,百万条浮点指令秒,（,Million,FLOating,instructions Per Second,）,（,3,）,TFLOPS,：,万亿条浮点指令秒,（,Trillion,FLOating,instructions Per Second),例如，,Earth Simulator,运算最高速度达到,35.8,TFLOPS,计算机主要性能指标,2.,字长,中央处理器中运算器和寄存器的宽度，即数据在运算器中做运算或存储时的,二进制位数,。,字长决定了,计算的精度,。,字长通常,是,2,的,整数次幂,。,微处理器字长演变：,Intel 4004:,4,位,(1971,年,世界第一个微处理器,),Intel 8008,8080:,8,位,Intel 8086:,16,位,Intel 80386,80486,pentium,：,32,位,计算机主要性能指标,3.,存储容量,内存容量，硬盘容量,度量单位：,B,，,KB,，,MB,，,GB,，,TB,1,B,（,字节,B,yte,）,=,8,位二进制数,(,字,位，,b,it,),（,个人计