第2章2 1計算機組成與分類

第2章計算機組成原理計算機的組成與分類CPU的結構與原理PC機的主機常用輸入設備常用輸出設備外存儲器2.1

計算機的組成與分類2.1.1

計算機的發(fā)展與作用什么是計算機？計算機是一種工具不是交通運輸工具不是機械加工工具不是···工具計算機是一種信息處理工具對計算機的簡單描述計算機(電腦)是一種能夠接收信息，并按照存儲在其內部的程序（程序表達了某種規(guī)則）對輸入信息進行處理，并產生輸出結果的高度自動化的數字電子設備。②處理①輸入③輸出輸入信息 計算機 輸出信息計算機是通用的信息處理工具計算機的信息處理功能：信息的收集（信息獲取）信息的儲存（信息存儲）信息的加工（信息處理）信息的傳遞（通信）信息的施用（展現與控制）計算機有哪些特性？計算機的特性：速度快存儲容量大通用性好不僅能處理數字和文字，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學運算，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、展現等功能計算機與計算機具有互連、互通和互操作的能力1946年第一臺計算機ENIAC在美國誕生研制單位：美國賓夕法尼亞大學用 途： 軍事計算運算速度：5000次/秒體積價格：170平方米，30噸，140千瓦，40萬美元計算機的發(fā)展計算機的分代(按使用的元器件)第一代（約1946-1957）電子管計算機速度：幾十～幾萬次/秒內存：磁鼓，千字外設：磁帶機器語言或匯編語言編程美國于20世紀50年代生產的

IBM704型采用電子管的第一代電子計算機第一代電子計算機中使用的磁鼓存儲器機第二代（約1957-1964）

晶體管計算速度：幾十萬次/秒，內存：磁芯，十萬字外設：磁盤高級語言編程電子管晶體管計算機的分代(按使用的元器件)/秒秒等第三代（約1965-1973）中小規(guī)模集成電路

(SSI,MSI)計算機速度：幾十萬次～幾百萬次內存：半導體存儲器高級語言,OS,

DBMS第四代（1974年起）大規(guī)模(LSI)和VLSI計算機 速度：幾百萬次～億次/內存：半導體存儲器

軟件工程，分布式處理問題：60年來沒變的是什么？基本工作原理第1～4代計算機的對比代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應用領域第1代20世紀40年代中期～50年代末期CPU：電子管內存：磁鼓使用機器語言和匯編語言編寫程序科學和工程計算第2代20世紀50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內存：磁芯使用FORTRAN等高級程序設計語言開始廣泛應用于數據處理領域第3代20世紀60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內存：SSI，MSI的半導體存儲器操作系統(tǒng)、數據庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學計算、數據處理、工業(yè)控制等領域得到廣泛應用第4代20世紀70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內存：LSI、VLSI的半導體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計算、網絡軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個人開始使用計算機計算機的巨大作用計算機對社會的進步與發(fā)展產生了巨大的作用：計算機應用于科學研究，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，促進了科學技

術的發(fā)展。計算機應用于工農業(yè)生產，大大提高了人類物質生產水平和社會生產率，促進了經濟的飛躍發(fā)展。計算機應用于社會服務，大大擴展和改善了服務范圍與質量，提高了工作效率，推動了社會進步。計算機應用于社會文化，為人類創(chuàng)造文化提供了現

代化工具，改變了人們創(chuàng)造文化和傳播文化的方式

和方法，擴展了人類文化活動的領域、豐富了內容、提高了質量。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測的嚴重后果信息欺騙和計算機犯罪增加知識產權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、網絡聊天等給青少年生理和心理帶來嚴重危害2.1.2

計算機的組成計算機系統(tǒng)計算機硬件運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備計算機軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)數據庫管理系統(tǒng)程序語言處理系統(tǒng)應用軟件文字處理通信···娛樂計算機是一個復雜系統(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據和相關的文檔計算機硬件的邏輯結構1經典計算機的邏輯結構（馮.諾依曼計算機）運算器和控制器輸入設備輸出設備存儲器（注：邏輯結構意指概念上（即功能上）的結構）計算機硬件的邏輯結構2現代計算機的邏輯結構主機：CPU、內存、總線外設：輸入/輸出設備，外存儲器外存儲器中央處理器 內存儲器(運算器及其控制)輸出設備輸入設備I/O接口I/O接口外存儲器接口控制器控制器控制器CPU總線(bus)控制器memorystorageI/O設備通過I/O接口與各自的控制器連接，然后由控制器與I/O總線相連(1)輸入設備2.向計算機輸入的內容輸入(input)的雙重含義：把信息送入計算機的過程;輸入設備(input

devices)功能：用來向計算機輸入信息掌握輸入設備有多種，例如:鍵盤——輸入文字、符號和命令鼠標器——輸入鼠標器移動的位置信息及按鈕命令掃描儀——輸入圖片麥克風——輸入聲音輸入設備的共性：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，完成二進制數據的算術或邏輯運算和數據傳送等操作的部件，特點是：由數字電路組成，結構非常復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

chipIntel

8080

chip什么是中央處理器(CPU)？計算機中通常有多個不同的處理器，各有不同的分工和任務用于承擔系統(tǒng)軟件和應用軟件運行任務的處理器稱為CPU，CPU是計算機必不可少的核心組成部件多數個人計算機只有1個CPU，為了提高處理速度，有

一些計算機包含有2個、4個、8個甚至成百上千個CPU。使用多個CPU實現超高速計算的技術稱為“并行處理”，采用這種技術的計算機系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。(3)存儲器功能：儲存以二進位形式表示的程序和數據分類：內存儲器/外存儲器內存儲器(簡稱內存或主存)外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度很快較慢存儲容量較小(因單位成本較高)很大(因單位成本較低)性質斷電后信息消失斷電后信息保持用途存放已經啟動運行的程序和需要立即處理的數據長期存放計算機系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關系CPU所處理的指令及數據直接從內存中取出程序及相關數據必須先送入內存后才能被CPU使用011010011010101000000000010001000011001001111011111············存儲內容地址

(4)輸出設備2.從計算機輸出的內容輸出(output)的雙重含義：把信息送出計算機的過程;輸出設備(output

devices)功能：從計算機輸出信息輸出設備有多種，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)輸出設備的共性：把計算機中的二進位信息轉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、內存、外存和各種I/O設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和內存的總線I/O總線：連接內存和I/O設備（包括外存）的總線2.1.3

計算機的分類計算機的分類（1）按內部邏輯結構分類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(puter)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)作為服務器(server)使用獨立使用或作為客戶機(client)使用曙光4000A巨型計算機計算機的分類（2）按計算機服務的對象和作用劃分：類型服務對象應用性質主要特點分類或應用舉例軟件特點個人計算機直接為用戶服務通用性能/價格比高多媒體性能好有通用性和可擴展性工作站臺式機筆記本種類多,功能豐富,用戶可自行裝卸服務

為其器

計算服務它機半通用吞吐率(throughput)高可用性(availability)好有可擴展性(scalability)數據庫服務器

Web服務器打印服務器(企業(yè)級,部門級··)實時處理和并

發(fā)工作能力強，可靠性和安全

性好嵌入式計算機為其它設備服務專用價格便宜功耗低實時(realtime)處理軟件固化,擴展性差手機數碼相機

MP3播放器···功能專用、單一、結構緊湊，固化在芯片中，不易修改和擴充2.1.4

微處理器

和嵌入式計算機什么是微處理器？微處理器（μP

）是使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運算和控制功能的電子部件，例如:Intel

4004 Intel8086

Intel奔騰4 Intel酷睿2μP是各種類型計算機的核心組成部分用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應用軟件的μP

稱為“CPU”目前幾乎所有計算機的CPU使用的都是微處理器除了用作CPU的通用微處理器之外，還有許多專用的微處理器產品：繪圖處理器、通信處理器等微處理器的發(fā)展非常迅速（選學）處理器主要參數400480808086802868038680486奔騰高能奔騰奔騰Ⅱ奔騰Ⅲ奔騰4推出時間(年)1971197419781982198519891993~19961995~19971997～19981999～20032000～2006主頻(MHz)0.10824.776～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～3800前端總線頻率(MHz)0.10824.776～2016～3325或3350或666666100或133400,

533或800，1066外部數據線數目48161632326464646464地址線數目1016202432323236363636存儲空間大小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶體管數目(萬)0.230.452.913.427.51203105507509504200制造工藝(μm)106>21.51.5~1.01.0~0.80.8～0.350.6～0.350.35～0.250.25～0.130.13～0.065芯片引腳數目1640,4068132168273或296387242370478或775什么是嵌入式計算機？把運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出控制、接口電路全都集成在一塊芯片上，這樣的超大規(guī)模集成電路稱為

“單片計算機”或“嵌入式計算機”用途舉例：內嵌在其他設備中作為信息處理的核心裝置，例如數碼相機、MP3播放器、手機、計算機外圍設備、汽車、機頂盒等特點：功能固定、專用，軟件固化在芯片上，通常不能改變大多應滿足實時信息處