第2章2 1計(jì)算機(jī)組成與分類

第2章計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)的組成與分類CPU的結(jié)構(gòu)與原理PC機(jī)的主機(jī)常用輸入設(shè)備常用輸出設(shè)備外存儲器2.1

計(jì)算機(jī)的組成與分類2.1.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展與作用什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種工具不是交通運(yùn)輸工具不是機(jī)械加工工具不是···工具計(jì)算機(jī)是一種信息處理工具對計(jì)算機(jī)的簡單描述計(jì)算機(jī)(電腦)是一種能夠接收信息，并按照存儲在其內(nèi)部的程序（程序表達(dá)了某種規(guī)則）對輸入信息進(jìn)行處理，并產(chǎn)生輸出結(jié)果的高度自動化的數(shù)字電子設(shè)備。②處理①輸入③輸出輸入信息 計(jì)算機(jī) 輸出信息計(jì)算機(jī)是通用的信息處理工具計(jì)算機(jī)的信息處理功能：信息的收集（信息獲?。┬畔⒌膬Υ妫ㄐ畔⒋鎯Γ┬畔⒌募庸ぃㄐ畔⑻幚恚┬畔⒌膫鬟f（通信）信息的施用（展現(xiàn)與控制）計(jì)算機(jī)有哪些特性？計(jì)算機(jī)的特性：速度快存儲容量大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(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、傳輸、展現(xiàn)等功能計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)具有互連、互通和互操作的能力1946年第一臺計(jì)算機(jī)ENIAC在美國誕生研制單位：美國賓夕法尼亞大學(xué)用 途： 軍事計(jì)算運(yùn)算速度：5000次/秒體積價格：170平方米，30噸，140千瓦，40萬美元計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的分代(按使用的元器件)第一代（約1946-1957）電子管計(jì)算機(jī)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型采用電子管的第一代電子計(jì)算機(jī)第一代電子計(jì)算機(jī)中使用的磁鼓存儲器機(jī)第二代（約1957-1964）

晶體管計(jì)算速度：幾十萬次/秒，內(nèi)存：磁芯，十萬字外設(shè)：磁盤高級語言編程電子管晶體管計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)速度：幾十萬次～幾百萬次內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器高級語言,OS,

DBMS第四代（1974年起）大規(guī)模(LSI)和VLSI計(jì)算機(jī) 速度：幾百萬次～億次/內(nèi)存：半導(dǎo)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(jì)算機(jī)的對比代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域第1代20世紀(jì)40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓使用機(jī)器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)和工程計(jì)算第2代20世紀(jì)50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內(nèi)存：磁芯使用FORTRAN等高級程序設(shè)計(jì)語言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代20世紀(jì)60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI的半導(dǎo)體存儲器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的巨大作用計(jì)算機(jī)對社會的進(jìn)步與發(fā)展產(chǎn)生了巨大的作用：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)水平和社會生產(chǎn)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，推動了社會進(jìn)步。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于社會文化，為人類創(chuàng)造文化提供了現(xiàn)

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(kuò)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(jì)算機(jī)有什么負(fù)面影響？計(jì)算機(jī)引發(fā)的社會問題和某些潛在的危機(jī)：計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)犯罪增加知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)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(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)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)算器控制器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序語言處理系統(tǒng)應(yīng)用軟件文字處理通信···娛樂計(jì)算機(jī)是一個復(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)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)）運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)）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)主機(jī)：CPU、內(nèi)存、總線外設(shè)：輸入/輸出設(shè)備，外存儲器外存儲器中央處理器 內(nèi)存儲器(運(yùn)算器及其控制)輸出設(shè)備輸入設(shè)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(shè)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(shè)備2.向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容輸入(input)的雙重含義：把信息送入計(jì)算機(jī)的過程;輸入設(shè)備(input

devices)功能：用來向計(jì)算機(jī)輸入信息掌握輸入設(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(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(jì)算機(jī)中通常有多個不同的處理器，各有不同的分工和任務(wù)用于承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)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多數(shù)個人計(jì)算機(jī)只有1個CPU，為了提高處理速度，有

一些計(jì)算機(jī)包含有2個、4個、8個甚至成百上千個CPU。使用多個CPU實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算的技術(shù)稱為“并行處理”，采用這種技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。(3)存儲器功能：儲存以二進(jìn)位形式表示的程序和數(shù)據(jù)分類：內(nèi)存儲器/外存儲器內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)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(zhì)斷電后信息消失斷電后信息保持用途存放已經(jīng)啟動運(yùn)行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)長期存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關(guān)系CPU所處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU使用011010011010101000000000010001000011001001111011111············存儲內(nèi)容地址

(4)輸出設(shè)備2.從計(jì)算機(jī)輸出的內(nèi)容輸出(output)的雙重含義：把信息送出計(jì)算機(jī)的過程;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、符號和圖形打印機(jī)——打印文字、符號和圖形揚(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、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···按性能和價格分類巨型計(jì)算機(jī)(puter)大型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī)個人計(jì)算機(jī)(personal

computer)筆記本PC臺式PC工作站(workstation)作為服務(wù)器(server)使用獨(dú)立使用或作為客戶機(jī)(client)使用曙光4000A巨型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的分類（2）按計(jì)算機(jī)服務(wù)的對象和作用劃分：類型服務(wù)對象應(yīng)用性質(zhì)主要特點(diǎn)分類或應(yīng)用舉例軟件特點(diǎn)個人計(jì)算機(jī)直接為用戶服務(wù)通用性能/價格比高多媒體性能好有通用性和可擴(kuò)展性工作站臺式機(jī)筆記本種類多,功能豐富,用戶可自行裝卸服務(wù)

為其器

計(jì)算服務(wù)它機(jī)半通用吞吐率(throughput)高可用性(availability)好有可擴(kuò)展性(scalability)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

Web服務(wù)器打印服務(wù)器(企業(yè)級,部門級··)實(shí)時處理和并

發(fā)工作能力強(qiáng)，可靠性和安全

性好嵌入式計(jì)算機(jī)為其它設(shè)備服務(wù)專用價格便宜功耗低實(shí)時(realtime)處理軟件固化,擴(kuò)展性差手機(jī)數(shù)碼相機(jī)

MP3播放器···功能專用、單一、結(jié)構(gòu)緊湊，固化在芯片中，不易修改和擴(kuò)充2.1.4

微處理器

和嵌入式計(jì)算機(jī)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(yùn)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(jì)算機(jī)的核心組成部分用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的μP

稱為“CPU”目前幾乎所有計(jì)算機(jī)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(chǎn)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(xué)）處理器主要參數(shù)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(shù)據(jù)線數(shù)目48161632326464646464地址線數(shù)目1016202432323236363636存儲空間大小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶體管數(shù)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(shù)目1640,4068132168273或296387242370478或775什么是嵌入式計(jì)算機(jī)？把運(yùn)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(jì)算機(jī)”或“嵌入式計(jì)算機(jī)”用途舉例：內(nèi)嵌在其他設(shè)備中作為信息處理的核心裝置，例如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、手機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、汽車、機(jī)頂盒等特點(diǎn)：功能固定、專用，軟件固化在芯片上，通常不能改變大多應(yīng)滿足實(shí)時信息處