計算機的組成與分類.ppt

第2章 計算機組成原理,2.1 計算機的組成與分類 2.2 CPU的結(jié)構(gòu)與原理 2.3 PC機的主機 2.4 常用輸入設(shè)備 2.5 常用輸出設(shè)備 2.6 外存儲器,2.1 計算機的組成與分類,2.1.1 計算機的發(fā)展與作用 2.1.2 計算機的邏輯組成 2.1.3 計算機的分類,2.1.1 計算機的發(fā)展與作用,過去的計算工具,計算工具相繼出現(xiàn) 算盤 計算尺 手搖計算器 電動計算器,我國研制第1顆原子彈時使用的飛魚牌手搖計算機（新華網(wǎng)圖片）,Pascals 加法機,1642年，法國數(shù)學(xué)家B. Pascal用鐘表元件制造了一種能夠做兩個十進制數(shù)加減法的機器,巴貝奇的分析機,1821年，英國數(shù)學(xué)家C. Babbage（1791-1871）設(shè)計了差分機，這是第一臺可自動進行公式演算的多功能機器，然而，這臺計算機在他有生之年始終未能問世,上世紀(jì)30年代的機械式計算器,電動式計算器（1930）,手搖式計算器,第1臺數(shù)字電子計算機誕生,1946年美國賓州大學(xué)研制成功第1臺數(shù)字電子計算機-ENIAC,Photo: van Pelt Library, U Penn.,18 000 電子管,6000 開關(guān) 占地面積: 150 m2 重量: 30 噸 功耗: 140 KW 運算速度: 5000 次/s 平均無故障時間 7 min 外部程序控制,第1代數(shù)字電子計算機,時間：約1946-1957 使用的元器件：電子管 速度：幾十幾萬次/秒 內(nèi)存：磁鼓，千字 外設(shè)：磁帶 機器語言或匯編語言編程,美國于20世紀(jì)50年代生產(chǎn)的IBM704型電子管計算機,磁鼓存儲器,旋風(fēng)1號(Whirlwind I) 數(shù)字計算機,Whirlwind I數(shù)字計算機，當(dāng)時的售價是1750萬美元，美國國防部使用,我國第1臺數(shù)字電子計算機,1956年，華羅庚受命籌建中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所。 1958年中國第一臺計算機103型機研制成功，中國科學(xué)院計算所與北京有線電廠共同研制。字長31位，內(nèi)存容量為1024字節(jié)，運算速度每秒450次。 1958年8月1日該機可以表演短程序運行，標(biāo)志著我國第一臺電子計算機誕生。該機在738廠開始小量生產(chǎn)，改名為103型計算機(即DJS-1型)，共生產(chǎn)38臺,我國第1臺大型電子計算機,1959年4月104機完成調(diào)試,第一道題目是“五一”節(jié)天氣預(yù)報，9月交付用戶使用。無故障穩(wěn)定運行時間達到2小時 該機有22個機柜，占地200平方米。全機共用4200個電子管，4000個晶體二極管。字長39位，容量4K，每秒運算1萬次,第2代數(shù)字電子計算機,時間：約1957-1964 使用的元器件：晶體管 速度：幾十萬次/秒， 內(nèi)存：磁芯，十萬字 外設(shè)：磁盤 高級語言編程,第2代計算機的內(nèi)存：磁芯存儲器,This is a 50x photograph of magnetic core random access memory from a 4 KiB memory plane,上世紀(jì)50年代末 安裝在美國宇航局的IBM 7090計算機,290萬美元。內(nèi)存容量：128KB；存取周期：2微妙,我國的第2代電子計算機,1964年我國華北計算所先后研制成功108乙機(DJS-6)、121機(DJS-21)和320機(DJS-6)，并在738廠等五家工廠生產(chǎn)；哈軍工（國防科大前身）研制成功441B全晶體管計算機，小批量生產(chǎn)了40多臺。,當(dāng)時我國研發(fā)出的計算機，僅有小批量生產(chǎn)，由國家分配到各個科研院所使用。研發(fā)和生產(chǎn)計算機的單位，全部是軍工企業(yè)。具備極高的保密措施，每一個元件，每一張設(shè)計圖紙都被嚴(yán)格看管,第3代數(shù)字電子計算機,時間：約1965-1973 使用的元器件：中小規(guī)模集成電路 速度：幾十萬次幾百萬次/秒 內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器 軟件：高級語言, OS, DBMS,第3代計算機,1965年IBM推出的System 360大型主機，被美國航天局用于首次載人登月任務(wù),上世紀(jì)60年代的 存儲容量為5MB的硬盤,（27Kg重）,上世紀(jì)70年代 我國的集成電路計算機,DJS-180系列超級小型 計算機,天津DJS130小型機參展“1975年廣交會”,第4代數(shù)字電子計算機,時間：從1974年起 使用的元器件：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLSI） 速度：幾百萬次億次/秒 內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器 軟件工程，分布式處理等,第14代計算機的對比,計算機的發(fā)展大大超出人們預(yù)料,由于集成電路技術(shù)的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，計算機發(fā)展速度之快，大大超出人們的預(yù)料： 性能不斷提高 體積不斷變小 功耗不斷降低 價格越來越便宜 軟件越來越豐富 使用越來越容易 應(yīng)用領(lǐng)域越來越普遍 計算機數(shù)量不斷增加,上述趨勢不僅仍在繼續(xù)，且節(jié)奏進一步加快 已不再沿用“第x代計算機”的說法。 正在研究開發(fā)智能化的計算機系統(tǒng)，它以知識處理為核心，可以模擬或部分替代人的智能活動，具有自然的人機通信能力,計算機的特點與作用,計算機有哪些特性？,計算機的特性： （1）速度快 （2）存儲容量大 （3）通用性好 不僅能處理數(shù)字和文字，而且能對圖像、聲音等多種形式的信息進行處理 不僅能進行數(shù)學(xué)運算，而且能進行邏輯運算 不僅能進行運算，而且具有信息的獲取、存儲、傳輸、展現(xiàn)等功能 （4）計算機與計算機具有互連、互通和互操作的能力,計算機對社會的進步與發(fā)展有 巨大作用,計算機應(yīng)用于科學(xué)研究，大大增強了人類認識自然、開發(fā)自然、改造和利用自然的能力，促進了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 計算機應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大大提高了人類物質(zhì)生產(chǎn)水平和勞動生產(chǎn)效率，促進了經(jīng)濟的飛躍發(fā)展。 計算機應(yīng)用于社會服務(wù)，大大擴展和改善了服務(wù)范圍與質(zhì)量，提高了工作效率，推動了社會進步。 計算機應(yīng)用于社會文化，為人類傳承并創(chuàng)造知識與文化提供了現(xiàn)代化工具，改變了人們創(chuàng)造和傳播文化的方式和方法，擴展了人類文化活動的領(lǐng)域、豐富了內(nèi)容、提高了質(zhì)量。,計算機有什么負面影響？,計算機引發(fā)的社會問題和某些潛在的危機： 計算機系統(tǒng)崩潰給社會帶來不可預(yù)測的嚴(yán)重后果 信息欺騙和計算機犯罪增加 知識產(chǎn)權(quán)保護更加困難 個人隱私受到威脅 不良和有害信息肆意傳播和泛濫 大量電子垃圾污染環(huán)境、破壞生態(tài) 長期沉迷于計算機游戲、網(wǎng)絡(luò)聊天等給青少年生理和心理帶來嚴(yán)重危害,2.1.2 計算機的邏輯組成,計算機是一個復(fù)雜系統(tǒng),計算機硬件是計算機系統(tǒng)中所有實際物理裝置的總稱,計算機軟件是指在計算機中運行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔,計算機是一個復(fù)雜的系統(tǒng) 復(fù)雜性：硬件由數(shù)以億計的元器件組成，軟件由數(shù)以億計的指令組成 多樣性：硬件與光、機、電、聲等有關(guān)，軟件與數(shù)學(xué)、邏輯等有關(guān) 層次性：分層(hierarchical) 結(jié)構(gòu),計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu) 1,經(jīng)典計算機的邏輯結(jié)構(gòu)（馮.諾依曼計算機）,（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)）,中央處理器CPU (Central Processing Unit),計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu) 2,現(xiàn)代計算機的邏輯結(jié)構(gòu),與經(jīng)典計算機結(jié)構(gòu)相比的3個變化： 集中控制分散控制 存儲器內(nèi)存儲器外存儲器 通過CPU通信通過總線進行通信,(1) 輸入設(shè)備,輸入(input)的雙重含義： 1.把信息送入計算機的過程; 2.向計算機輸入的內(nèi)容 輸入設(shè)備(input devices) 功能：用來向計算機輸入信息 輸入設(shè)備有多種，例如: 鍵 盤 輸入文字、符號和命令 鼠標(biāo)器輸入鼠標(biāo)器移動的位置信息及按鈕命令 掃描儀輸入圖片 麥克風(fēng)輸入聲音 輸入設(shè)備的共性：不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計算機中的信息都使用二進位來表示,(2) 中央處理器(運算控制器),什么是處理器(processor)？ 能高速執(zhí)行指令，完成二進制數(shù)據(jù)的算術(shù)或邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等操作的部件，特點是： 由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米)，稱為“微處理器” (microprocessor),Intel 4004 chip,Intel 8080 chip,關(guān)于(微)處理器和中央處理器(CPU),現(xiàn)代計算機中一般包含有多個 (微)處理器，它們各有不同的分工和任務(wù)： 用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱為CPU，CPU是計算機必不可少的核心組成部件 完成其它功能的處理器舉例： 顯卡包含的繪圖處理器（用于加速圖形繪制） 聲卡包含的DSP（用于數(shù)字聲音信號的處理） 過去，個人計算機通常只有1個CPU；現(xiàn)在，大部分PC機雖然仍只有1個CPU芯片，但其內(nèi)部卻包含有2個、4個、6個甚至更多個CPU，目的是提高系統(tǒng)性能,(3) 存儲器,功能： 儲存以二進位形式表示的程序和數(shù)據(jù) 分類：內(nèi)存儲器/外存儲器,存儲單元,(4) 輸出設(shè)備,輸出(output)的雙重含義： 1.把信息送出計算機的過程; 2.從計算機輸出的內(nèi)容 輸出設(shè)備(output devices) 功能：從計算機輸出信息 輸出設(shè)備有多種，例如: 顯示器輸出文字、符號和圖形 打印機打印文字、符號和圖形 揚聲器輸出聲音 (多數(shù))輸出設(shè)備的共性：把計算機中的二進位信息轉(zhuǎn)換成人可感知的形式(文字、符號、圖形、聲音等),(5) 總線(bus),功能： 用于連接CPU、內(nèi)存、外存和各種I/O設(shè)備并在它們之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及其控制電路 分類： CPU總線（或前端總線） ：用于連接CPU和內(nèi)存的總線 I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）的總線,2.1.3 計算機的分類,計算機的分類（1）,按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分類 8位/16位/32位/64位 單CPU/多CPU 按性能和價格分類 巨型計算機 (supercomputer) 大型計算機 小型計算機 個人計算機 (personal computer) 筆記本PC 臺式PC 工作站 (workstation) 嵌入式計算機,巨型計算機（Supercomputer）,也稱超級計算機，有極強的運算處理能力，速度達到每秒運算數(shù)萬、數(shù)十萬億次以上 采用大規(guī)模并行處理的結(jié)構(gòu)，由數(shù)以百計、千計、萬計的CPU共同完成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行任務(wù) 大多使用在軍事、科研、氣象預(yù)報、石油勘探、飛機設(shè)計模擬、生物信息處理、破解密碼等領(lǐng)域 國際上： 美國IBM公司的GeneL系統(tǒng)，運算速度為280.6萬億次秒 美國Cray公司XT4巨型計算機(3萬處理器) 250萬億次秒 日本NEC公司的“地球模擬器” 我國： 江南計算技術(shù)研究所；“神威”巨型機 中科院計算所(曙光計算機公司) ：“曙光”巨型計算機 國防科技大學(xué)： “銀河”巨型機、“天河一號”千萬億次/秒 聯(lián)想集團公司：“深騰”巨型機,多種多樣的個人計算機,臺式個人計算機(立式),便攜式(筆記本)個人計算機,臺式個人計算機(臥式),Tablet PC(平板式電腦),個人數(shù)字助理(PDA),上網(wǎng)本,關(guān)于“服務(wù)器”,服務(wù)器的英文名是“server”，指的是在計算機網(wǎng)絡(luò)中專門用于為其他計算機提供服務(wù)和資源（數(shù)據(jù)、存儲空間、處理能力、軟件等）的一類計算機 原理上任何計算機都可以作為服務(wù)器使用 巨型機和大型機可以作為企業(yè)級服務(wù)器 專用的服務(wù)器可作為部門級服務(wù)器 一般的PC也可以作為工作組服務(wù)器或打印服務(wù)器 由于需要大量服務(wù)器，一些計算機廠家專門設(shè)計制造了稱為“服務(wù)器”的一類計算機產(chǎn)品，其特