大學計算機 課件 【ch01】計算機硬件系統(tǒng)

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計算機硬件系統(tǒng)第一章計算機的產生與發(fā)展01計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件（ComputerHardware）是指計算機系統(tǒng)中由電子、機械和光電元器件等組成的各種物理裝置的總稱。這些物理裝置按系統(tǒng)結構的要求構成一個有機整體，為計算機軟件運行提供物質基礎。從外觀上來看，計算機由主機箱和外部設備組成。主機箱內主要包括中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU）、內存、主板、硬盤驅動器、光盤驅動器，各種擴展卡、連接線、電源等；外部設備包括鼠標、鍵盤等。1.1圖靈計算機模型1937年英國數學家阿蘭·麥席森·圖靈（1912一1954年〉在《倫敦數學會文集》上發(fā)表一篇題為《論數字計算在決斷難題中的應用》的論文，引起了廣泛的關注。在論文中圖靈全面分析了人的計算過程，把計算歸結為簡單、基本、確定的操作動作，從而用一種簡單的方法來描述那種直觀上具有機械性的基本計算程序，使任何機械能執(zhí)行的程序都可以歸約為這些動作。這種簡單的方法是以一個抽象自動機概念為基礎的。這不僅給計算下了一個完全確定的定義，而且第一次把計算和自動機聯(lián)系起來，對數理邏輯的發(fā)展起了巨大的推動作用。1.1圖靈計算機模型一個讀／寫頭HEAD該讀/寫頭可以在紙帶上左、右移動，它能讀出當前所指的格子上的符號，并能改變當前格子上的符號。一個狀態(tài)寄存器它用來保存圖靈機當前所處的狀態(tài)。圖靈機的所有可能狀態(tài)的數目是有限的，并且有一個特殊的狀態(tài)，稱為停機狀態(tài)。一條無限長的紙帶TAPE紙帶被劃分為一個接一個的小格子，每個格子上包含一個來自有限字母表的符號，字母表中有一個特殊的符號表示空白。紙帶上的格子從左到依次被編號為0,1,2，紙帶的右端可以無限伸展。一套控制規(guī)則TABLE它根據當前機器所處的狀態(tài)以及當前讀／寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機器進入一個新的狀態(tài)。圖靈機組成部分圖靈機組成部分圖靈機組成部分圖靈機組成部分010203041.1圖靈計算機模型簡單來說，圖靈機是一個邏輯機的通用模型。處理器實際是有限狀態(tài)控制器，能使讀／寫頭左移或右移，并對存儲帶進行修改或讀出。于是通過有限指令序列就能實現(xiàn)各種演算過程，從而將可計算性這一概念與機械程序和形式系統(tǒng)的概念統(tǒng)一起來。圖靈機的能力概括了數字計算機的計算能力，這對計算機的一般結構、可實現(xiàn)性和局限性產生了深遠的影響。圖靈模型第一次在純數學的符號邏輯和實體世界之間建立了聯(lián)系，并由此開創(chuàng)了“自動機”這一學科分支，促進了電子計算機的研制工作。1.1圖靈計算機模型圖靈還提出了通用圖靈機的概念，它相當于通用計算機的解釋程序，這一點直接促進了后來通用計算機的設計和研制工作。在給出通用圖靈機的同時，圖靈就指出，通用圖靈機在計算時，其“機械的復雜性”是有臨界限度的，超過這一限度，就要靠增加程序的長度和存儲量來解決。這種思想開創(chuàng)了后來計算機科學中計算復雜性理論的先河。為了紀念圖靈對計算機科學的巨大貢獻，美國計算機協(xié)會（ACM）于1966年設立了一年一度的圖靈獎，以表彰在計算機科學中做出突出貢獻的人，圖靈獎被稱為計算機界的諾貝爾獎。圖靈也被譽為“計算機理論之父”。1.2馮·諾依曼計算機體系結構圖靈的貢獻是建立了圖靈機的理論模型，奠定了自動計算及人工智能的理論基礎，而馮·諾依曼則首先提出了存儲程序和程序控制的現(xiàn)代計算機體系結構，如圖1.2所示。該體系結構主要包括以下要點：1.2馮·諾依曼計算機體系結構1）計算機處理的數據和指令采用二進制數表示。因為用雙穩(wěn)態(tài)電路表示二進制數字。和1很容易實現(xiàn)，傳輸和處理時不易出錯，可靠性高。而且與十進制數相比，二進制數的運算規(guī)則要簡單得多，這樣可以使運算器的結構得到簡化，有利于提高運算速度。2）計算機運行過程中，先把要執(zhí)行的程序和要處理的數據存入內存〈存儲器），控制器再按地址順序取出存放中的指令（按地址順序訪問指令），然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉移指令時，則轉移到轉移地址，再接地址順序訪問指令（程序控制〉。1.2馮·諾依曼計算機體系結構根據上述原理把計算機硬件系統(tǒng)分為運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大基本部件，并定義了這五部分的基本功能。馮·諾依曼計算機體系結構是現(xiàn)代計算機的基礎，現(xiàn)在大多數計算機仍采用馮·諾依曼計算機的組織結構，只是做了一些改進而己，并沒有從根本上突破馮·諾依曼計算機體系結構的束縛。馮·諾依曼也因此被人們稱為“計算機結構之父”。1.3計算機發(fā)展史從第一臺電子計算機的出現(xiàn)到現(xiàn)在雖然只有短短的幾十年，但是計算機的發(fā)展卻取得了驚人的成績。計算機硬件的發(fā)展與構建計算機的元器件緊密相關，每當電子元器件有突破性的進展，就會帶來計算機硬件的一次重大變革。因此人們以計算機所使用的物理元器件的變革為標志，將計算機的發(fā)展大致分為四代。每一代計算機都使用不同的電子元器件，每一代計算機都具有自己明顯的特征。1.3計算機發(fā)展史第一代——電子管計算機這個時期計算機的主要邏輯元器件采用電子管，主存先采用延遲線，后來用磁鼓、磁芯，外存使用磁帶。軟件方面，用機器語言和匯編語言編寫程序。這個時期的計算機體積龐大、運算速度慢〈通常每秒幾千次到幾萬次〉、成本高、可靠性差、內存容量小，主要用于科學計算、軍事和科學研究方面的工作。第二代——晶體管計算機1948年發(fā)明的晶體管大大促進了計算機的發(fā)展，晶體管替代了體積龐大的電子管。第二代計算機體積小、運算速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。軟件方面，開始使用管理程序，后期使用操作系統(tǒng)，同時出現(xiàn)了FORTRAN,COBOL、ALGOL等一系列高級程序設計語言。1.3計算機發(fā)展史第三代——集成電路計算機在這個時期，中小規(guī)模集成電路出現(xiàn)，并逐漸代替了分立元器件，半導體存儲器代替了磁芯存儲器，外存使用磁盤。軟件方面，操作系統(tǒng)進一步完善，高級語言數量增多，出現(xiàn)了并行處理、多處理機、虛擬存儲系統(tǒng)以及面向用戶的應用軟件。第四代——大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機這個時期計算機的主要邏輯元器件是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。主存采用半導體存儲器，外存采用大容量的軟、硬磁盤，并開始使用光盤。軟件方面，操作系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，同時發(fā)展了數據庫管理系統(tǒng)、通信軟件等。1.3計算機發(fā)展史計算機的發(fā)展進入了以計算機網絡為特征的時代。計算機的運行速度可達到每秒上千萬次至上萬億次，存儲容量和可靠性又有了很大提高，功能更加完備。這個時期計算機開始向巨型機和微型機兩個方向發(fā)展，而微型機的飛速發(fā)展使得計算機開始進入辦公室、學校和家庭。1.4計算機發(fā)展方向光計算機光計算機是由光代替電流，實現(xiàn)高速處理大容量信息的計算機。量子計算機量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數字和邏輯運算、存儲及處理的量子物理設備。生物計算機在運行機理上，生物計算機以蛋白質分子作為信息載體，來實現(xiàn)信息的傳輸與存儲。1.4計算機發(fā)展方向光計算機其突破了傳統(tǒng)的用總線將運算器、存儲器、輸入和輸出設備相連接的體系結構，運算速度極高、耗電極低。光具有各種優(yōu)點：光波在光介質中傳輸，不存在寄生電阻、電容、電感和電子相互作用問題：光器件無電位差，因此光計算機的信息在傳輸中畸變或失真小，可在同一條狹窄的通道中傳輸數量龐大的數據。01量子計算機量子計算機是采用基于量子力學原理和深層次計算模式的計算機，而不像傳統(tǒng)的二進制計算機那樣將信息分為0和1來處理。02生物計算機生物計算機最大的優(yōu)點是生物芯片的蛋白質具有生物活性，能夠跟人體的組織結合在一起，特別是可以和人的大腦及神經系統(tǒng)有機連接，使人機接口自然吻合，免除了煩瑣的人機對話。03計算機的特點與應用022.1計算機的特點運算速度快、計算精確度高邏輯運算能力強存儲能力強自動化程度高強大的網絡通信功能2.1計算機的特點運算速度快、計算精確度高計算機內部的運算是由數字邏輯電路完成的，可以高速準確地完成各種算術運算。當今超級計算機系統(tǒng)的峰值運算速度已達到每秒億億次，一般計算機也可達每秒億次以上，這使大量復雜的科學計算問題得以解決。如衛(wèi)星軌道的計算、天氣預報、模擬核爆等，過去人工計算需要幾年、幾十年，用大型計算機可能只需幾分鐘就可完成。2.1計算機的特點存儲能力強計算機內部的存儲器具有記憶特性，可以存儲海量的數字、文字、圖像、視頻、聲音等信息，并且可以“長久”保存。它還可以保存處理這些信息的程序。自動化程度高由于計算機具有存儲記憶能力和邏輯判斷能力，所以人們可以將預先編好的程序納入計算機內存，在程序控制下，計算機可以連續(xù)、自動地工作，不需要人的干預。2.1計算機的特點邏輯運算能力強計算機不僅能進行高速、精確的計算，還具有邏輯運算功能，能對信息進行比較和判斷，并能根據判斷的結果自動執(zhí)行不同指令。它甚至能模擬人類的大腦，對問題進行思考、判斷。擁有強大的網絡通信功能在互聯(lián)網上的所有計算機用戶可共享網上資料、交流信息、互相學習，整個世界都可以互通信息。2.2計算機的應用信息管理信息管理是以數據庫管理系統(tǒng)為基礎，輔助管理者提高決策水平，改善運營策略的計算機技術。信息處理己成為當代計算機的主要任務，是現(xiàn)代化管理的基礎。多媒體應用隨著電子技術特別是通信和計算機技術的發(fā)展，人們已經有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構成一種全新的概念一一多媒體(Multimedia）?？茖W計算計算機最開始是為解決科學研究和工程設計中遇到的大量數學問題的數值計算而研制的計算工具。隨著現(xiàn)代科學技術的進一步發(fā)展，數值計算在現(xiàn)代科學研究中的地位不斷提高，在尖端科學領域中顯得尤為重要。過程控制過程控制利用計算機實時采集數據、分析數據，按最優(yōu)值迅速地對控制對象進行自動調節(jié)或自動控制。計算機的應用計算機的應用計算機的應用計算機的應用010203042.2計算機的應用05人工智能人工智能CArtificialIntelligence,AI）是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術和應用，如感知、判斷、理解、學習、問題的求解、圖像聲音識別等。人工智能是計算機應用的一個新的領域，這方面的研究和應用正處于發(fā)展階段，在醫(yī)療診斷、定理證明、模式識別、智能檢索、語言翻譯、機器人等方面，己有了顯著的成效。2.2計算機的應用1）計算機輔助技術（ComputerAidedDesign,CAD)計算機輔助設計是利用計算機系統(tǒng)輔助設計人員進行工程或產品設計，以實現(xiàn)最佳設計效果的一種技術。2）計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing,CAM)計算機輔助制造是利用計算機系統(tǒng)進行產品的加工控制過程，輸入的信息是零件的工藝路線和工程內容，輸出的信息是刀具的運動軌跡。3）計算機輔助教學（ComputerAidedInstruction,CAI）計算機輔助教學是利用計算機系統(tǒng)進行課堂教學。教學課件可以用PowerPoint、Flash等制作。06輔助技術計算機硬件系統(tǒng)的組成033.1計算機硬件系統(tǒng)的組成根據馮·諾依曼“存儲程序和程序控制”原理，計算機硬件系統(tǒng)分成5個部分：運算器、控制器、存儲器〈分為內存和外存）、輸入設備、輸出設備。由于運算器、控制器、內存3個部分是信息加工、處理的主要部件，所以把它們合稱為主機，而輸入設備、輸出設備及外存則合稱為外部設備。微型計算機，也就是個人計算機，是目前人們最常用、最熟悉的計算機，簡稱為微機，下面以微機硬件系統(tǒng)為例來介紹各個功能部件。一般把微機的硬件系統(tǒng)分為主機和外部設備兩大部分，從外觀上來看，一臺微機由主機箱、顯示器、鍵盤和鼠標組成，還可以加一些外部設備，如打印機、掃描儀和音、視頻設備等。3.1主機主機主機是主機箱內各個部件的統(tǒng)稱，包括主板、微處理器、存儲器、輸入／輸出接口（I/0接口）、插槽、聲卡、顯卡、網卡、電源、硬盤驅動器、光盤驅動器等。以下介紹部分主要部件：3.1主機1.主板主板是主機箱中最大的一塊集成電路板，如圖1.7所示，它被固定在主機箱上。主機部分的大多數部件安裝在主機箱內的主板上，外部設備通過輸入／輸出接口及系統(tǒng)總線與主板相連。2.微處理器微機上的CPU一般稱為微處理器，它安裝在主板CPU插槽中。它是計算機的運算核心與控制核心，包括運算器和控制器兩大邏輯部件。其功能為解釋和執(zhí)行指令，相當于人的大腦。3.1主機3.1主機主板主板是整個計算機內部結構的基礎，安裝在主板上的各個部件都得靠主板來協(xié)調工作，主板的好壞將直接影響微機的整體運行速度和穩(wěn)定性。主板上的部件主要包括CPU插座、芯片組、內存插槽、總線擴展槽、外設接口、SATA接口、可充電電池以及各種開關和跳線等?，F(xiàn)在的芯片組通常還集成了顯卡、聲卡、網卡等部件。主板上的各種插槽、接口的作用是將各種硬件設備與主板相連接，以供主板統(tǒng)一調配指揮。CPU插槽用于固定連接CPU;AGP插槽專門用于高性能圖形和視頻顯示，解決了顯卡與內存、CPU之間帶寬不足的問題，使高速、大容量圖形顯示成為可能；PCI插槽用于插接各類PCI設備，如聲卡、網卡和內置解調器等；內存插槽用于插接內存條，以擴充內存；IDE接口用于連接硬盤、光驅等。3.1主機芯片芯片組是主板的核心組成部分，決定了主板的功能，進而影響到整個微機系統(tǒng)性能的發(fā)揮。按照在主板上排列位直的不同，芯片組一般分為南橋芯片和北橋芯片。北橋芯片負責與CPU的聯(lián)系并控制內存數據在北橋內部傳輸，并提供校驗及糾錯。為了縮短傳輸距離、提高通信性能，在主板布局上北橋芯片一般離CPU更近些，也習慣稱北橋為主橋（HostBridge）。因為北橋芯片的數據處理量非常大，發(fā)熱量也大，所以現(xiàn)在的北橋芯片都覆蓋著散熱片用來加強散熱，有些主板的北橋芯片還會配上風扇進行散熱。南橋芯片（SouthBridge）一般位于主板上離CPU插座較遠的地方，這種布局是考慮到它所連接的I/0總線較多，離處理器遠一點有利于布線，而且更加容易實現(xiàn)信號線等長的布線原則。南橋芯片主要負責I/0總線之間的通信，如USB、LAN、ATA、SATA、音頻控制器、鍵盤控制器、實時時鐘控制器、高級電源管理等，這些技術相對來說比較穩(wěn)定，所以不同芯片組中可能南橋芯片是一樣的，不同的只是北橋芯片。3.1主機1）運算器運算器是整個計算機系統(tǒng)的運算核心，主要由執(zhí)行算術及邏輯運算的運算電路、累加器、狀態(tài)寄存器、通用寄存器組等組成。計算機運行時，運算器的操作和操作種類由控制器決定，運算器處理的數據來自存儲器；處理后的結果數據通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。2）控制器控制器是指揮計算機各個部件按照指令的功能要求協(xié)調工作的部件，是計算機的神經中樞和指揮中心，由指令寄存器、譯碼器、程序計數器、操作控制器等組成。在系統(tǒng)運行過程中，不斷地生成指令地址、取出指令、分析指令、向計算機的各個部件發(fā)出微操作控制信號，協(xié)調整個計算機有序地工作。3.1主機3.儲存器存儲器是用于儲存信息的設備或裝置，是計算機中各種信息的存儲和交流中心，可以分為內存和外存。3.1主機1）內存內存主要用于存放計算機運行期間所需要的程序和數據。CPU工作時執(zhí)行的指令及處理的數據均從內存中存／取，外存中的程序和數據只有先被讀入到內