第二章计算机组成原理2122

第二章计算机组成原理22.1计算机的组成与分类主要内容：计算机的逻辑结构各组成部分的基本功能计算机分类计算机主要性能指标32.1.1计算机的发展与作用1.计算机的发展第1～4代计算机的对比代别年代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第1代20世纪40年代中期～50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学和工程计算第2代20世纪50年代中、后期～60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代20世纪60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI的半导体存储器操作系统、数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机4计算机的应用模式：-集中计算模式，20世纪50年代，依赖于大型计算机-分散计算模式，80年代，个人计算机的广泛使用-网络计算模式，90年代，计算机网络的发展。5计算机进行信息处理的特点：速度快、通用性强具有多种多样的信息处理能力（计算、文字、图像、声音等）信息存储容量大、存取速度高具有互连、互通和互操作的特性2.计算机的巨大作用6大大扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步为人类创造文化提供了现代化工具，改变了创造和传播文化的方式、方法，大大扩展了人类文化活动的领域，丰富了文化的内容改变着人们的工作与生活方式对于政治、经济、科技、文化、军事、国防等方面的发展具有难以估量的意义2.计算机的巨大作用7先进信息技术带来进步和机遇的同时，也会带来一些新的社会问题和引发某些潜在的危机，例如：个人隐私受到威胁，信息欺骗和计算机犯罪增加，知识产权保护更加困难，计算机系统崩溃将带来不可预测的后果，不良和有害信息随意传播甚至泛滥，大量电子垃圾污染环境破坏生态，长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害等等。82.1.3计算机的分类•按内部逻辑结构分为:–单处理机、多处理机(并行机)•按字长分为:–16位机、32位机或64位计算机等•按计算机的性能、用途和价格分为:–巨型计算机（Supercomputer）–大型计算机（Mainframe）–小型计算机（Minicomputer）–个人计算机（PersonalComputer）9计算机的分类1、巨型计算机（Supercomputer）巨型计算机也称超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，速度达到每秒十万亿次以上，大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。NECSX-6/64MB巨型计算机外形102、大型计算机（Mainframe）•运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机。CPU通常有几十个甚至更多处理器。•应用领域：为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，承担主服务器的功能，在信息系统中起着核心作用。•代表产品：IBM公司zSeries990大型计算机计算机的分类113、小型计算机（Minicomputer）供部门使用的计算机。近些年来，小型机逐步被高性能的服务器（部门级服务器）取代。•功能：为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持的并发用户数目比较少。小型机的典型应用是帮助中小企业（或大型企业的一个部门）完成信息处理任务，如库存管理、销售管理、文档管理等。计算机的分类小型机124、个人计算机（PersonalComputer，PC机或微机）•价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用，只用来处理一个用户的任务•类型：-台式机-便携机-超级便携机UMPC(Ultra-MobilePC)-工作站计算机的分类13便携机：用于移动计算。–笔记本（膝上机）：体积小、重量轻，便于外出携带，性能与台式机相当，但价格高出一倍左右。–手持式计算机（掌上机）：包括商务通、快译通等产品它们与PC机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通用性。计算机的分类台式机笔记本电脑掌上计算机14背景材料：PC的新品种：UMPCUMPC的另一个名称是MID(MobileInternetDevice)特点：与PC兼容，具有通用性随时携带(5～9英寸屏，500克左右)TouchPackInterface其它功能：GPS,webcams,fingerprintreaders,stereospeakers,TVtuners,memorycardreaders,Bluetooth,Wi-Fi15背景材料：UMPC的零部件IntelAtom(凌动)处理器IntelMoorestown主板固态硬盘（SSD）·Z500-800MHz,0.65W,400MHzFSB,512KL2缓存($45)·Z510-1.1GHz,2W,400MHzFSB,512KL2缓存($45)·Z520-1.33GHz,2W,533MHzFSB,512KL2缓存($65)·Z530-1.6GHz,2W,533MHzFSB,512KL2缓存($95)·Z540-1.86GHz,2.4W,533MHzFSB,512KL2缓存($160)16SamsungQ1URENA1采用AMDGeodeLX800处理器，7英寸WVGA触摸屏幕，800*480像素，256MB内存、30G硬盘，802.11b/g无线模块，内置GPS功能，2个USB接口，重量695克，预装WindowsXP。背景材料：UMPC产品17工作站（一种特殊的个人计算机，称为工程工作站Workstation)具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。计算机的分类工作站18客户机/服务器在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客户机。客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。鉴于客户机/服务器系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。计算机的分类19计算机的分类按性能和价格分类巨型计算机(supercomputer)大型计算机小型计算机个人计算机(personalcomputer)笔记本PC台式PC工作站(workstation)作为服务器(server)使用独立使用或作为客户机(client)使用202.1.4微处理器与嵌入式计算机VLSI（超大规模集成电路）技术产生了微处理器（1971）(简称为P或MP)通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的部件，作为信息处理的核心装置。单片机或嵌入式计算机：处理器+存储器+输入/输出控制+I/O接口电路做在一个芯片上的超大规模集成电路，称为单片机或嵌入式计算机。21应用：家电、智能仪表、通信设备等特点：-功能固定、专用，软件固化在芯片上，功能和用途不能再轻易改变；-大多满足实时信息处理、-最小化存储容量、最小化功耗、-适应恶劣工作环境、-以最低成本满足应用要求。单片机、嵌入式计算机222.1.2计算机的组成硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称。软件：在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关文档。―程序：用来向计算机硬件指出应如何一步步地进行规定的操作；―数据：程序处理的对象；―文档：软件设计报告、操作使用说明等。它们都是软件不可缺少的组成部分。23计算机系统计算机硬件计算机软件运算器控制器输入设备存储器输出设备系统软件应用软件操作系统数据库管理系统程序语言处理系统文字处理通信···娱乐计算机是一个复杂系统计算机硬件组成示意图总线外存储器接口输入输出运算器中央处理器内存储器控制器输入设备控制器外存储器控制器输出设备I/O接口存储器控制器主机外设控制器是分散的，总线也是控制器。25计算机硬件的组成计算机硬件中央处理器（CPU）内存储器外存储器输入设备输出设备通过总线互相连接主机CPU内存储器总线输入设备外围设备（外设）外存储器输出设备26输入设备输入（input）--指把信息（程序，数据）送入计算机的过程；--（名词）指向计算机输入的内容。输入设备--用来向计算机输入信息的设备；--输入到计算机中的信息都使用二进制数来表示。27输入设备分类：–数字和文字输入设备：键盘、手写板等；–位置和命令输入设备：鼠标、触摸屏等；–图形输入设备：扫描仪、数码相机等；–声音输入设备：麦克风、MIDI演奏器等；–视频输入设备：摄像机；–温度、压力输入设备：温度、压力传感器等。28输出设备输出（output）——把信息送出计算机（名词）指计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等。输出设备完成信息输出的设备。即把计算机中用“0”和“1”表示的信息转换成人可直接识别和感知形式的设备。29输出设备输出设备类别–输出文字和图形的设备：显示器打印机绘图仪–输出声音的设备：音箱输入设备和输出设备通称为I/O设备30内存储器和外存储器存储器存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件。存储器的样子–内存条–硬盘、光盘、软盘–移动存储器（优盘）–看不见的Cache31内存储器和外存储器内、外存储器划分：是否直接与CPU相连32存储器类别与特性–内存储器(简称内存或主存)•存取速度快、容量相对小，价格相对高•直接与CPU相连接（CPU可直接访问）•易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据•存储介质：半导体芯片内存储器和外存储器s,ms,μs,ns33–外存储器(简称外存或辅存)•存取速度慢、容量相对大，价格相对低•不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）•非易失性，用于长期存放各类信息•存储介质：磁盘、光盘、磁带等内存储器和外存储器34总线:用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一组共享的传输线和控制电路。-CPU总线（前端总线）：连接CPU和内存的总线-I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线总线（BUS）与I/O接口35为了便于更换与扩充I/O设备，计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连。常用的I/O端口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。总线与I/O接口36中央处理器处理器负责对输入信息进行各种处理的部件，能高速执行二进制数据的算术、逻辑运算和数据传送等操作。微处理器（microprocessor）简称μP或MP。处理器的所有组成部分制作在一块大小仅为几个平方厘米的半导体芯片上，因为体积小，故称为“微处理器”。37一台计算机中有多个处理器，它们各有不同的任务–显卡–Modem卡–CPU38承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为CPU，---是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。中央处理器（CPU）39中央处理器（CPU）并行处理和多处理器系统使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。40Intel公司微处理器的发展变化30多年来其主要产品的发展过程为：8088（8086）→80286→80386→80486→→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→→PentiumIII→Pentium4→→赛扬→赛扬D→赛扬双核奔腾M→Mobil奔腾→赛扬MPentiumD→Core2（便携机）（经济型）（台式主流）41Intel微处理器当前