計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論 課件 03-計(jì)算機(jī)硬件的基本思維

3計(jì)算機(jī)硬件的基本思維天津科技大學(xué)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與新技術(shù)教研部1目錄3.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 3.2單片機(jī) 3.3高性能計(jì)算 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)組成。（1）硬件（2）軟件（3）網(wǎng)絡(luò)（4）數(shù)據(jù)3.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一直沿用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，以中央處理單元（CPU，也稱微處理器）為核心，配以內(nèi)存（主存儲器）、輸入/輸出接口和輸入/輸出設(shè)備等CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備被稱為計(jì)算機(jī)的三大核心部件?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)總線是連接CPU、內(nèi)存和各個I/O接口模塊的數(shù)據(jù)通路，是各模塊之間傳遞數(shù)據(jù)的通道。三類總線：（1）地址總線（AB）（2）數(shù)據(jù)總線（DB）（3）控制總線（CB）3.1.1主板主板（Mainboard），一般包括

BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵和面板控制開關(guān)接口、指示燈插接件、擴(kuò)充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等。主板主板采用開放式結(jié)構(gòu)。（1）可以插入CPU和內(nèi)存。（2）主板上有多個擴(kuò)展插槽，可以插接計(jì)算機(jī)外設(shè)的控制卡（適配器）。通過更換這些插卡，可以局部升級計(jì)算機(jī)的子系統(tǒng)，使廠家和用戶在配置機(jī)型方面有更大的靈活性。提示：通過在主板上設(shè)計(jì)電路和接口，連接各種設(shè)備的思維方法，目前廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及家電等各種裝備的設(shè)計(jì)中。3.1.2微處理器微處理器是計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備中的CPU，一般是一塊超大規(guī)模的集成電路，是計(jì)算機(jī)的核心。包括控制器、運(yùn)算器、寄存器及高速緩沖存儲器（Cache）。國產(chǎn)龍芯微處理器包括龍芯1號、龍芯2號、龍芯3號三個系列處理器和龍芯橋片等CPU性能指標(biāo)CPU的主要性能指標(biāo)有主頻、字長、內(nèi)核數(shù)、高速緩存等。主頻：主頻就是CPU時(shí)鐘頻率，也是CPU內(nèi)核的工作頻率，主頻越高，運(yùn)算速度越快。一般以MHz和GHz為單位，GHz表示1s內(nèi)有10億個周期周期是微處理器最小的時(shí)間單位，微處理器進(jìn)行的每一項(xiàng)活動都以周期來度量。目前的CPU主頻已經(jīng)達(dá)到4GHz或更高。因?yàn)楣に囅拗坪凸牡脑颍珻PU的主頻不能無限制增長，只能限制在4GHz或更高。龍芯3號系列的龍芯3A5000的主頻為2.5GHz。CPU性能指標(biāo)（2）字長字長是計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制位數(shù)，它決定計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，字長越長，運(yùn)算精度越高。決定計(jì)算機(jī)的尋址能力，字長越長，尋址能力越強(qiáng)如32位，64位。龍芯1號CPU字長是32位龍芯3號CPU字長是64位CPU性能指標(biāo)（3）內(nèi)核數(shù)。一個多核處理器中集成多個內(nèi)核，通過并行處理來提高計(jì)算能力。內(nèi)核數(shù)是評價(jià)CPU性能的另一個重要指標(biāo)如雙核、四核、八核處理器CPU的主頻提高到一定程度后就很難繼續(xù)提高，CPU的運(yùn)算速度將遇到瓶頸龍芯3A5000集成4個內(nèi)核龍芯3C5000集成16個內(nèi)核CPU性能指標(biāo)（4）高速緩存CPU中高速緩存一般與處理器同頻運(yùn)作，速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)存在實(shí)際工作時(shí)，CPU通過提前將可能使用的數(shù)據(jù)塊讀入高速緩存中，顯著提高CPU的運(yùn)行效率。高速緩存大小是CPU的重要指標(biāo)之一，緩存的大小對CPU速度的影響非常大。龍芯3A5000有16MB三級緩存龍芯3C5000有32MB三級緩存CPU性能指標(biāo)（5）芯片制程芯片制程指芯片中單個晶體管柵極的最小寬度。更小的芯片制程意味著每平方毫米有更多的晶體管、更低的功耗以及更高的性能龍芯3A5000-14nm龍芯3C5000-14nm0.35μm、0.25μm、0.18μm到0.13μm，后來從90nm、65nm、45nm、32nm、14nm、7nm和5nmCPU性能指標(biāo)CPU比較參數(shù)Intel酷睿i713700KAMDRyzen55600X龍芯3A5000主頻3.4GHz3.7GHz2.5GHz字長64位64位64位內(nèi)核數(shù)16核6核4核三級緩存30MB32MB16MB芯片制程10nm7nm14nm 國外微處理器的發(fā)展年份公司型號字長晶體管數(shù)速度1971Intel40044位2300108kHz1972Intel80088位3500200kHz16/32/64幾千萬到幾億4GHz面向計(jì)算機(jī)的微處理器還有AMD公司的系列CPU，也占有一定的市場份額國產(chǎn)微處理器的發(fā)展2002年8月誕生的龍芯1號。龍芯1號系列為32位低功耗、低成本處理器，主要面向低端嵌入式和專用應(yīng)用領(lǐng)域；龍芯2號系列為64位低功耗單核或雙核系列處理器，主要面向工控和終端等應(yīng)用領(lǐng)域；龍芯3號系列為64位多核系列處理器，主要面向桌面和服務(wù)器等應(yīng)用領(lǐng)域。國產(chǎn)微處理器的發(fā)展海思半導(dǎo)體公司從2013年開始出品麒麟系列微處理年份公司型號工藝制程內(nèi)核數(shù)主頻2019海思麒麟9907nm共8核2個2.86GHzA76超大核2個2.09GHzA76大核4個1.86GHzA55小核2.86GHz2020海思麒麟90005nm共8核1個A77大核3個2.54GHzA77中核4個2.04GHzA55小核3.13GHz自主研發(fā)和生產(chǎn)的微處理器還有飛騰、申威、兆芯、海光、鯤鵬等3.1.3計(jì)算機(jī)的存儲體系隨著CPU計(jì)算速度不斷加快，計(jì)算機(jī)需要存儲和處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對存取速度的要求也越來越快。計(jì)算機(jī)對存儲的要求是容量足夠大，越大越好；讀取速度足夠快，越快越好，以滿足CPU運(yùn)算速度的需要；價(jià)格足夠低，越便宜越好；存儲的時(shí)間足夠長，越久越好。存儲體系因?yàn)橹圃旃に?、精度、價(jià)格等因素影響，計(jì)算機(jī)的存儲體系采用“速度、容量、價(jià)格的存儲資源優(yōu)化組合的思維模式”。包括寄存器、內(nèi)存、高速緩存、外存。外存用來永久存儲程序和數(shù)據(jù)，斷電時(shí)數(shù)據(jù)也不會丟失，包括硬盤、移動硬盤、光盤、軟盤、U盤和存儲卡等。1．寄存器寄存器是CPU中的高速存儲器，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器，可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。寄存器的容量是有限的。寄存器與CPU采用相同制造工藝，速度可以與CPU完全匹配。CPU在處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，往往先把數(shù)據(jù)取到寄存器中，而后再作處理2．內(nèi)存內(nèi)存是可按地址訪問的存儲器，又稱為主存儲器，是一種半導(dǎo)體芯片。CPU可以直接讀寫內(nèi)存，內(nèi)存的速度和容量直接影響計(jì)算機(jī)的整體性能。內(nèi)存分為RAM和ROM內(nèi)存RAM可以按照地址訪問，既可以讀也可以寫，斷電后數(shù)據(jù)會丟失。內(nèi)存容量反映了計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理能力，內(nèi)存容量越大，計(jì)算機(jī)性能越好。內(nèi)存常見的容量有4GB、8GB、16GB等內(nèi)存ROM可按地址訪問，只能讀不能寫，斷電后數(shù)據(jù)不丟失ROM具有永久存儲的特點(diǎn)，其中的信息必須事先寫入，其后只能讀不能寫，其容量非常小。3．高速緩存Cache由于CPU的處理速度遠(yuǎn)超過內(nèi)存，使得CPU經(jīng)常處于等待狀態(tài)，影響系統(tǒng)的整體處理能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CPU經(jīng)常會讀取同一塊或者相鄰數(shù)據(jù)塊，如果將這些數(shù)據(jù)塊提前讀入高速緩沖存儲器（Cache，簡稱高速緩存）中，在需要時(shí)微處理器可以直接讀寫高速緩存，從而提高數(shù)據(jù)的存取速度高速緩存Cache高速緩存可以制作在主板上、CPU上或者CPU的內(nèi)核上，一般將高速緩存分為一級、二級、三級緩存。提示：緩存的思維模式，把即將要處理的數(shù)據(jù)和信息提前準(zhǔn)備好，可以顯著提高計(jì)算和處理速度。在生活中，提前準(zhǔn)備好上學(xué)的書包、提前做好飯菜、提前買好火車票等，都可以提高效率。緩存的思想不僅應(yīng)用在CPU和內(nèi)存之間，還可以用在內(nèi)存和硬盤之間，內(nèi)存與其他外部設(shè)備之間。4．外存機(jī)械硬盤是一種采用磁性材料制作的大容量存儲器，可以永久保存數(shù)據(jù)。（1）盤片和讀寫臂（2）磁道（3）柱面（4）扇區(qū)。一個扇區(qū)512Byte外存機(jī)械硬盤的讀寫時(shí)間包括尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和傳輸時(shí)間。在硬盤中，一個大文件最好存儲在連續(xù)的扇區(qū)中。在讀寫時(shí)可以連續(xù)讀寫，減少尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)時(shí)間，從而提高讀寫的速度。如果一個文件碎片較多，那么讀寫速度會顯著減慢。硬盤1956年的IBM350硬盤尺寸很大但卻只有5MB的空間機(jī)械硬盤機(jī)械硬盤的性能指標(biāo)如下：（1）尺寸：3.5寸，2.5寸（2）容量：幾百GB，到幾TB（3）轉(zhuǎn)速：硬盤的轉(zhuǎn)速越快，則讀寫的也越快。常見轉(zhuǎn)速有5400r/min，7200r/min。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SolidStateDrives，SSD），用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤固態(tài)硬盤的讀寫速度可以達(dá)到500MB/s，而機(jī)械硬盤的速度最多為100MB/s。移動存儲設(shè)備可以移動的存儲設(shè)備：（1）移動硬盤（2）光盤（3）軟盤（4）U盤和存儲卡移動存儲設(shè)備寫保護(hù)口用于控制軟盤、U盤、存儲卡等可移動設(shè)備的“只讀/可改寫”狀態(tài)，當(dāng)其處于寫保護(hù)狀態(tài)時(shí)，只能讀取不能寫入。寫保護(hù)口可以防止誤刪除、誤格式化以及病毒感染等。計(jì)算機(jī)的存儲體系CPU中寄存器的數(shù)量少，存取速度最快；內(nèi)存的存儲容量小，存取速度快，內(nèi)存只能臨時(shí)保存數(shù)據(jù)；硬盤的存儲容量大，存取速度慢，硬盤可以永久保存數(shù)據(jù)。CPU可以直接存取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而不能讀取硬盤數(shù)據(jù)。CPU通過高速緩存Cache，提高內(nèi)存與CPU的數(shù)據(jù)傳輸速度，從而顯著提高系統(tǒng)的整體性能；硬盤中的數(shù)據(jù)必須先讀入內(nèi)存中，才能被CPU讀取和處理。而各種移動存儲設(shè)備提供了轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的可能。存儲設(shè)備一直朝著容量越來越大、速度越來越快、價(jià)格越來越便宜、可靠性越來越高的方向發(fā)展3.1.4輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸入設(shè)備用于使得計(jì)算機(jī)感知外部世界的信息；輸出設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果呈現(xiàn)給外部世界。輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)和外界交換信息的工具，也是人和計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的工具1．輸入設(shè)備-穿孔紙帶穿孔紙帶是早期計(jì)算機(jī)的輸入和輸出設(shè)備，帶孔為1，無孔為0，經(jīng)過光電掃描輸入電腦。1725年，法國法制機(jī)械師布喬（B.Bouchon）提出“穿孔紙帶”構(gòu)想。。1805年，法國機(jī)械師杰卡德（J.Jacquard）完成了“自動提花編織機(jī)”設(shè)計(jì)。2．輸入設(shè)備-鍵盤1868年，美國克里斯托夫.肖爾斯C.Sholes發(fā)明了沿用至今的QWERTY鍵盤，也稱全鍵盤3．輸入設(shè)備-鼠標(biāo)鼠標(biāo)是一種常用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，它可以對當(dāng)前屏幕上的游標(biāo)進(jìn)行定位，并通過按鍵和滾輪裝置對游標(biāo)所經(jīng)過位置的屏幕元素進(jìn)行操作1964年，美國道格拉斯·恩格爾巴特博士發(fā)明鼠標(biāo)機(jī)械鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)4．輸入設(shè)備-掃描儀掃描儀是利用光電技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)，以掃描方式將紙質(zhì)文檔、圖形或圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字的裝置。5．輸入設(shè)備-手寫筆手寫筆可以在手寫識別軟件的配合下輸入中文和西文等使用者可以輕松地輸入中文手寫筆還代替鼠標(biāo)操作，并可以作畫等6．輸出設(shè)備-顯示器顯示器（display）也稱為監(jiān)視器，是一種將信息通過特定傳輸設(shè)備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具顯卡顯卡又稱顯示適配器，插在計(jì)算機(jī)主板的插槽上，將計(jì)算機(jī)的信息輸出到顯示器上顯示，同時(shí)顯卡還具有圖像處理能力，可協(xié)助CPU工作，提高整體的運(yùn)行速度。顯卡要性能指標(biāo)包括：（1）GPU（圖形處理器）的核心頻率，頻率越高性能越強(qiáng)（2）顯存的容量，越大越好（3）顯存的位寬，顯存的一個時(shí)鐘周期傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)（如128位、192位、256位），越高越好顯卡顯卡可分為：（1）集成顯卡：顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路都集成在主板上的顯卡，顯示效果與處理性能相對較弱（2）獨(dú)立顯卡：將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路單獨(dú)做在一塊電路板上，自成一體而作為一塊獨(dú)立的板卡存在。獨(dú)立顯卡不占用系統(tǒng)內(nèi)存，一般性能較高7．輸出設(shè)備-打印機(jī)打印機(jī)（Printer)是輸出設(shè)備，將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果果以人所能識別的數(shù)字、字母、符號、圖形等，按照規(guī)定的格式印在紙上。8．輸出設(shè)備-3D打印機(jī)3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，是一種快速成形技術(shù)的機(jī)器，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維物體。9．輸入和輸出設(shè)備-聲卡聲卡是實(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。基本功能：（1）把來自麥克風(fēng)等設(shè)備的原始聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻；（2）將計(jì)算機(jī)中的各種數(shù)字聲音轉(zhuǎn)換為模擬聲波輸出到音箱、耳機(jī)等設(shè)備上，（3）通過音樂設(shè)備數(shù)字接口(MIDI)使樂器發(fā)出MIDI聲音。10．輸入和輸出設(shè)備-觸摸屏觸摸屏（TouchScreen），是一種可接收手指等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置。輸入和輸出設(shè)備思考：輸入設(shè)備類型不斷豐富，使用越來越簡單。人們可以通過鍵盤輸入文字，通過鼠標(biāo)進(jìn)行定位，通過掃描儀、手寫筆、觸摸屏等輸入圖形，通過聲卡輸入聲音。輸出設(shè)備的發(fā)展針對人類的感覺器官，如視覺、聽覺、觸覺等，輸出文字、圖形、聲音和3D實(shí)體等。使得計(jì)算機(jī)與人的交互越來越簡單，操作越來越方便，輸出效果越來越好。3.1.5接口接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中兩個獨(dú)立的部件進(jìn)行信息交換的共享邊界。這種交換可以發(fā)生在計(jì)算機(jī)軟件、硬件、外部設(shè)備或進(jìn)行操作的人之間，也可以是它們的結(jié)合。接口提示：在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，有很多種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口，接口一般包括插槽和插頭兩部分，每一種接口標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了相關(guān)參數(shù)，如尺寸規(guī)格、引腳數(shù)、電壓、電流等，使得一種接口標(biāo)準(zhǔn)的插頭不能插入另一種接口的插槽，從而避免出錯和電器故障。1．硬盤接口硬盤接口是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件，在硬盤和主機(jī)內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。硬盤接口（1）IDE接口，也稱為ATA接口,它使用一個40芯電纜與主板進(jìn)行連接，硬盤接口（2）SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment）接口即串行硬件驅(qū)動器接口其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔、傳輸速度快、執(zhí)行效率高硬盤接口（3）SCSI接口（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口），是一種用于計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備之間（硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機(jī)、掃描儀等）的系統(tǒng)級接口的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，它能與多種類型的外設(shè)進(jìn)行通信。SCSI接口的硬盤可靠性高可以長期運(yùn)轉(zhuǎn)，速度快，支持多設(shè)備，支持熱拔插，常用于服務(wù)器連接硬盤。硬盤接口（4）光纖通道(FiberChannel)，利用光纖形成高速通道，能提高多硬盤存儲系統(tǒng)的速度和靈活性。光纖通道的主要特性有：熱插拔性、高速帶寬、遠(yuǎn)程連接、連接設(shè)備數(shù)量大等。光纖通道價(jià)格昂貴，一般只用在高端服務(wù)器。2．USB接口USB（UniversalSerialBus，通用串行總線）接口，連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn),支持即插即用。優(yōu)點(diǎn)：支持熱插拔、攜帶方便、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可以連接多個設(shè)備。3．PCI和PCI-E接口PCI（PeripheralComponentInterconnect）接口是個人計(jì)算機(jī)中廣泛使用的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽PCI-E（PCIExpress）接口是英特爾公司推出的用于取代PCI接口的技術(shù)，稱為第三代I/O總線技術(shù)4．圖形顯示接口VGA（VideoGraphicsArray）視頻圖形陣列是一個使用模擬信號的計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)的專用接口DVI（DigitalVisualInterface）即數(shù)字視頻接口HDMI（HighDefinitionMultimediaInterface）接口即高清晰度多媒體接口3.1.6選購計(jì)算機(jī)策略1．準(zhǔn)備工作（1）確定自己的預(yù)算。（2）明確計(jì)算機(jī)的主要用途和相關(guān)需求。（3）選擇所需要的外設(shè)。選購計(jì)算機(jī)策略2．選擇機(jī)型（1）臺式計(jì)算機(jī)。（2）筆記本計(jì)算機(jī)。（3）平板電腦。選購計(jì)算機(jī)策略3．兼容機(jī)還是品牌機(jī)兼容機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。①靈活性好。②價(jià)格優(yōu)勢。③易于升級。兼容機(jī)的缺點(diǎn)：無售后服務(wù)、需自行安裝操作系統(tǒng)，在后期需要自行維護(hù)和修理等。選購計(jì)算機(jī)策略3．兼容機(jī)還是品牌機(jī)品牌機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①穩(wěn)定性好。②售后服務(wù)好。③配件豐富。品牌機(jī)的缺點(diǎn)是比兼容機(jī)的價(jià)格貴、配置無法根據(jù)需要自行選擇、很多具體配件的型號未知等。選購計(jì)算機(jī)策略4．操作系統(tǒng)的選擇Mac系統(tǒng)Windows系統(tǒng)麒麟OS選購計(jì)算機(jī)策略5．主要性能指標(biāo)購買臺式機(jī)、筆記本、平板等計(jì)算機(jī)時(shí)，主要考慮以下性能指標(biāo)（1）CPU：品牌，主頻，內(nèi)核數(shù)，高速緩存。（2）內(nèi)存：容