計(jì)算機(jī)的組成與分類.ppt

第2章 計(jì)算機(jī)組成原理,2.1 計(jì)算機(jī)的組成與分類 2.2 CPU的結(jié)構(gòu)與原理 2.3 PC機(jī)的主機(jī) 2.4 常用輸入設(shè)備 2.5 常用輸出設(shè)備 2.6 外存儲(chǔ)器,2.1 計(jì)算機(jī)的組成與分類,2.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與作用 2.1.2 計(jì)算機(jī)的邏輯組成 2.1.3 計(jì)算機(jī)的分類,2.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與作用,過去的計(jì)算工具,計(jì)算工具相繼出現(xiàn) 算盤 計(jì)算尺 手搖計(jì)算器 電動(dòng)計(jì)算器,我國研制第1顆原子彈時(shí)使用的飛魚牌手搖計(jì)算機(jī)（新華網(wǎng)圖片）,Pascals 加法機(jī),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(gè)十進(jìn)制數(shù)加減法的機(jī)器,巴貝奇的分析機(jī),1821年，英國數(shù)學(xué)家C. Babbage（1791-1871）設(shè)計(jì)了差分機(jī)，這是第一臺(tái)可自動(dòng)進(jìn)行公式演算的多功能機(jī)器，然而，這臺(tái)計(jì)算機(jī)在他有生之年始終未能問世,上世紀(jì)30年代的機(jī)械式計(jì)算器,電動(dòng)式計(jì)算器（1930）,手搖式計(jì)算器,第1臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)誕生,1946年美國賓州大學(xué)研制成功第1臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)-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(yùn)算速度: 5000 次/s 平均無故障時(shí)間 7 min 外部程序控制,第1代數(shù)字電子計(jì)算機(jī),時(shí)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(jī)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(jì)算機(jī),磁鼓存儲(chǔ)器,旋風(fēng)1號(hào)(Whirlwind I) 數(shù)字計(jì)算機(jī),Whirlwind I數(shù)字計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)的售價(jià)是1750萬美元，美國國防部使用,我國第1臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī),1956年，華羅庚受命籌建中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所。 1958年中國第一臺(tái)計(jì)算機(jī)103型機(jī)研制成功，中國科學(xué)院計(jì)算所與北京有線電廠共同研制。字長(zhǎng)31位，內(nèi)存容量為1024字節(jié)，運(yùn)算速度每秒450次。 1958年8月1日該機(jī)可以表演短程序運(yùn)行，標(biāo)志著我國第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生。該機(jī)在738廠開始小量生產(chǎn)，改名為103型計(jì)算機(jī)(即DJS-1型)，共生產(chǎn)38臺(tái),我國第1臺(tái)大型電子計(jì)算機(jī),1959年4月104機(jī)完成調(diào)試,第一道題目是“五一”節(jié)天氣預(yù)報(bào)，9月交付用戶使用。無故障穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間達(dá)到2小時(shí) 該機(jī)有22個(gè)機(jī)柜，占地200平方米。全機(jī)共用4200個(gè)電子管，4000個(gè)晶體二極管。字長(zhǎng)39位，容量4K，每秒運(yùn)算1萬次,第2代數(shù)字電子計(jì)算機(jī),時(shí)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(jí)語言編程,第2代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存：磁芯存儲(chǔ)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(jì)算機(jī),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(jì)算機(jī),1964年我國華北計(jì)算所先后研制成功108乙機(jī)(DJS-6)、121機(jī)(DJS-21)和320機(jī)(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(jì)算機(jī)，小批量生產(chǎn)了40多臺(tái)。,當(dāng)時(shí)我國研發(fā)出的計(jì)算機(jī)，僅有小批量生產(chǎn)，由國家分配到各個(gè)科研院所使用。研發(fā)和生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的單位，全部是軍工企業(yè)。具備極高的保密措施，每一個(gè)元件，每一張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙都被嚴(yán)格看管,第3代數(shù)字電子計(jì)算機(jī),時(shí)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(chǔ)器 軟件：高級(jí)語言, OS, DBMS,第3代計(jì)算機(jī),1965年IBM推出的System 360大型主機(jī)，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(chǔ)容量為5MB的硬盤,（27Kg重）,上世紀(jì)70年代 我國的集成電路計(jì)算機(jī),DJS-180系列超級(jí)小型 計(jì)算機(jī),天津DJS130小型機(jī)參展“1975年廣交會(huì)”,第4代數(shù)字電子計(jì)算機(jī),時(shí)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(chǔ)器 軟件工程，分布式處理等,第14代計(jì)算機(jī)的對(duì)比,計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jià)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(jì)算機(jī)數(shù)量不斷增加,上述趨勢(shì)不僅仍在繼續(xù)，且節(jié)奏進(jìn)一步加快 已不再沿用“第x代計(jì)算機(jī)”的說法。 正在研究開發(fā)智能化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它以知識(shí)處理為核心，可以模擬或部分替代人的智能活動(dòng)，具有自然的人機(jī)通信能力,計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與作用,計(jì)算機(jī)有哪些特性？,計(jì)算機(jī)的特性： （1）速度快 （2）存儲(chǔ)容量大 （3）通用性好 不僅能處理數(shù)字和文字，而且能對(duì)圖像、聲音等多種形式的信息進(jìn)行處理 不僅能進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且能進(jìn)行邏輯運(yùn)算 不僅能進(jìn)行運(yùn)算，而且具有信息的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、展現(xiàn)等功能 （4）計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)具有互連、互通和互操作的能力,計(jì)算機(jī)對(duì)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展有 巨大作用,計(jì)算機(jī)應(yīng)用于科學(xué)研究，大大增強(qiáng)了人類認(rèn)識(shí)自然、開發(fā)自然、改造和利用自然的能力，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 計(jì)算機(jī)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(dòng)生產(chǎn)效率，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展。 計(jì)算機(jī)應(yīng)用于社會(huì)服務(wù)，大大擴(kuò)展和改善了服務(wù)范圍與質(zhì)量，提高了工作效率，推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步。 計(jì)算機(jī)應(yīng)用于社會(huì)文化，為人類傳承并創(chuàng)造知識(shí)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(kuò)展了人類文化活動(dòng)的領(lǐng)域、豐富了內(nèi)容、提高了質(zhì)量。,計(jì)算機(jī)有什么負(fù)面影響？,計(jì)算機(jī)引發(fā)的社會(huì)問題和某些潛在的危機(jī)： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰給社會(huì)帶來不可預(yù)測(cè)的嚴(yán)重后果 信息欺騙和計(jì)算機(jī)犯罪增加 知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)更加困難 個(gè)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(zhǎng)期沉迷于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的邏輯組成,計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱,計(jì)算機(jī)軟件是指在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔,計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) 復(fù)雜性：硬件由數(shù)以億計(jì)的元器件組成，軟件由數(shù)以億計(jì)的指令組成 多樣性：硬件與光、機(jī)、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(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu) 1,經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)（馮.諾依曼計(jì)算機(jī)）,（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(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu) 2,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu),與經(jīng)典計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)相比的3個(gè)變化： 集中控制分散控制 存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器 通過CPU通信通過總線進(jìn)行通信,(1) 輸入設(shè)備,輸入(input)的雙重含義： 1.把信息送入計(jì)算機(jī)的過程; 2.向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容 輸入設(shè)備(input devices) 功能：用來向計(jì)算機(jī)輸入信息 輸入設(shè)備有多種，例如: 鍵 盤 輸入文字、符號(hào)和命令 鼠標(biāo)器輸入鼠標(biāo)器移動(dòng)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(jì)算機(jī)中的信息都使用二進(jìn)位來表示,(2) 中央處理器(運(yùn)算控制器),什么是處理器(processor)？ 能高速執(zhí)行指令，完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)或邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等操作的部件，特點(diǎn)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(gè)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(jì)算機(jī)中一般包含有多個(gè) (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(jì)算機(jī)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(hào)的處理） 過去，個(gè)人計(jì)算機(jī)通常只有1個(gè)CPU；現(xiàn)在，大部分PC機(jī)雖然仍只有1個(gè)CPU芯片，但其內(nèi)部卻包含有2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)甚至更多個(gè)CPU，目的是提高系統(tǒng)性能,(3) 存儲(chǔ)器,功能： 儲(chǔ)存以二進(jìn)位形式表示的程序和數(shù)據(jù) 分類：內(nèi)存儲(chǔ)器/外存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)單元,(4) 輸出設(shè)備,輸出(output)的雙重含義： 1.把信息送出計(jì)算機(jī)的過程; 2.從計(jì)算機(jī)輸出的內(nèi)容 輸出設(shè)備(output devices) 功能：從計(jì)算機(jī)輸出信息 輸出設(shè)備有多種，例如: 顯示器輸出文字、符號(hào)和圖形 打印機(jī)打印文字、符號(hào)和圖形 揚(yáng)聲器輸出聲音 (多數(shù))輸出設(shè)備的共性：把計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)位信息轉(zhuǎn)換成人可感知的形式(文字、符號(hào)、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(jì)算機(jī)的分類,計(jì)算機(jī)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(jià)格分類 巨型計(jì)算機(jī) (supercomputer) 大型計(jì)算機(jī) 小型計(jì)算機(jī) 個(gè)人計(jì)算機(jī) (personal computer) 筆記本PC 臺(tái)式PC 工作站 (workstation) 嵌入式計(jì)算機(jī),巨型計(jì)算機(jī)（Supercomputer）,也稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，速度達(dá)到每秒運(yùn)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(jì)、千計(jì)、萬計(jì)的CPU共同完成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù) 大多使用在軍事、科研、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、飛機(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)算速度為280.6萬億次秒 美國Cray公司XT4巨型計(jì)算機(jī)(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(jì)算技術(shù)研究所；“神威”巨型機(jī) 中科院計(jì)算所(曙光計(jì)算機(jī)公司) ：“曙光”巨型計(jì)算機(jī) 國防科技大學(xué)： “銀河”巨型機(jī)、“天河一號(hào)”千萬億次/秒 聯(lián)想集團(tuán)公司：“深騰”巨型機(jī),多種多樣的個(gè)人計(jì)算機(jī),臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)(立式),便攜式(筆記本)個(gè)人計(jì)算機(jī),臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)(臥式),Tablet PC(平板式電腦),個(gè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中專門用于為其他計(jì)算機(jī)提供服務(wù)和資源（數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)空間、處理能力、軟件等）的一類計(jì)算機(jī) 原理上任何計(jì)算機(jī)都可以作為服務(wù)器使用 巨型機(jī)和大型機(jī)可以作為企業(yè)級(jí)服務(wù)器 專用的服務(wù)器可作為部門級(jí)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(jì)算機(jī)廠家專門設(shè)計(jì)制造了稱為“服務(wù)器”的一類計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，其特