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大学IT—山东省教育厅组编第2章计算机体系结构2006-7-10大学IT3本章概要•计算机已经成为人们获取信息和与他人通信的工具，是信息处理的核心载体。本章给出了计算机系统结构的整体轮廓，介绍了计算机的发展历史、计算机的基本组成及其工作原理，让你知道它是如何运行的。学完本章，你将能够：●了解冯·诺依曼结构；●识别微机主板上的部件；●理解CPU如何执行程序中的指令；●列出影响计算机性能的因素；●明白RAM、虚存、CMOS和ROM的区别及常用的外存；●列出连接在计算机外围的主要部件并能叙述它们的功能；●了解微型计算机的安装与维护。2006-7-10大学IT42.1信息工具---计算机2.2计算机的工作原理与体系结构2.3信息存储2.4输入与输出2.5微型计算机的安装与维护本章要点2006-7-10大学IT52.1信息工具—计算机现代计算机是从古老的计算工具一步步发展而来的。早在原始社会人类就用结绳、垒石或枝条作为辅助进行计数和计算的工具。在我国，春秋时代就有用算筹计数的“筹算法”。唐末，出现了珠算盘简称算盘。算盘是我国人民独特的创造，是一种彻底的采用十进制的计算工具。19世纪中期，英国数学家巴贝奇（CharlesBabbage，1792~1871）最先提出通用数字计算机的基本设计思想。他于1832年开始设计的分析机，是一种顺应计算机自动化程序控制流的通用数字计算机。在现代电子计算机诞生100多年前，他已经提出了几乎是完整的计算机设计方案。2006-7-10大学IT61946年2月，世界上第一台电子计算机在美国宾夕尼亚大学问世，取名为ENIAC（即电子数字积分计算机的英文缩写）。这台计算机的研制历时3年，是美国军方为适应第二次世界大战对新式火炮的需求，为解决在导弹试验中复杂的弹道计算而研制的。按照设计者的初衷，从计算工具的意义上讲，电子计算机ENIAC不过是人类传统计算工具（算盘、计算尺及机械计算机等）在历史新时期的替代物。然而，始料未及的是：电子计算机的问世，开创了一个计算机时代，引发了一场由工业化社会发展到信息化社会的新技术产业革命浪潮，揭开了人类历史发展的新纪元。计算机问世以后，经过半个多世纪的飞速发展，已由单纯的计算工具发展成为在信息社会中举足轻重、不可缺少的具有强大信息处理功能的现代化电子设备。2006-7-10大学IT7信息工具—计算机2.1.1计算机的发展2.1.2计算机的特点2.1.3计算机的分类2.1.4计算机的应用2.1.5计算机的发展趋势2006-7-10大学IT82.1.1计算机的发展计算机发展阶段的划分，通常以计算机所采用的逻辑元件作为标准。计算机的发展迄今为止已经历四代。1.第一代计算机2.第二代计算机3.第三代计算机4.第四代计算机5.新一代计算机2006-7-10大学IT91.第一代计算机•采用电子管作为基本逻辑元件。所谓电子管主要是指电子二极管，存储器早期采用水银延迟线，后期采用磁鼓或磁芯。编程语言使用低级语言，即机器语言或汇编语言。第一种高级语言FORTRAN于1954年问世，并开始初期应用。•由于采用电子管，与以后的计算机比较，第一代计算机的体积大、耗电多、价格贵，运行速度和可靠性都不高，主要用于科学计算。这个时代计算机的商品化是由美国国际商业机器公司（IBM公司）实现的，以IBM系列机为代表。2006-7-10大学IT102.第二代计算机•第二代电子计算机采用晶体管作为逻辑元件。半导体晶体管与电子管相比，具有体积小、寿命长、开关速度快、省电等优点。内存主要采用磁芯存储器，外存开始使用磁盘。这个时期，计算机的软件也有很大发展，操作系统及各种早期的高级语言（FORTRAN、COBOL、BASIC）相继投入使用。由于采用了晶体管，第二代计算机的体积大大减小，运算速度及可靠性等各项性能大为提高。计算机的应用已由科学计算拓展到数据处理、过程控制等领域。2006-7-10大学IT113.第三代计算机•第三代电子计算机采用集成电路作为逻辑元件。半导体存储器取代了沿用多年的磁芯存储器。这一时期的中、小规模集成电路技术，可将数十个、成百个分离的电子元件集中做在一块硅片上。集成电路体积小、耗电更省，寿命更长，可靠性更高，这使得第三代计算机的总体性能较之第二代计算机有了大幅度的跃升。计算机的设计出现了标准化、通用化、系列化的局面。软件技术也日趋完善，计算机得到了更加广泛的应用。2006-7-10大学IT124.第四代计算机•第四代电子计算机采用大规模集成电路作为逻辑元件，这是第四代计算机的主要特征。这个时期是计算机发展最快、技术成果最多、应用空前普及的时期。•第四代计算机发展的另一个方向是巨型化。由于多处理机结构和并行处理技术的采用，具有超强功能的巨型机也取得稳步发展。例如美国克雷公司生产的Gray-4巨型机共采用了64个处理器。巨型机主要用于高科技军事领域，在空间技术、气象预报、地球物理勘探等领域也有重要应用。我国在不到20年的时间内也先后研制成功了银河系列的三代巨型机（银河-Ⅰ、银河-Ⅱ、银河-Ⅲ），从而进入世界上少数能研制巨型机的国家的行列。2006-7-10大学IT135.新一代计算机•新一代计算机过去习惯上称为第五代计算机，是对第四代计算机以后的各种未来型计算机的总称。•新一代计算机它能够最大限度地模拟人类大脑的机制，具有人类大脑所特有的联想、推理、学习等某些功能，具有对语言、声音、图像及各种模糊信息的感知、识别和处理能力。2006-7-10大学IT142.1.2计算机的特点•与其他计算工具和人类自身相比，计算机具有高速性、存储性、通用性、自动性和精确性等特点。1.高速性2.存储性3.通用性4.自动性5.精确性2006-7-10大学IT151.高速性•计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且运算速度还以每隔几个月提高一个数量级的速度在快速发展。如目前运行速度最快的是日本NEC的“地球模拟器”，其采用5120个处理器实现运算速度35860GFlops（每秒十亿次浮点运算）；我国联想公司的深腾6800也达到了4183GFlops，曙光公司的曙光4000Ａ运算速度甚至达到10000GFlops。这种数据处理速度是其他任何处理工具无法比拟的。2006-7-10大学IT162.存储性•计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来，以备随时调用。存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。2006-7-10大学IT173.通用性•通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算术运算和逻辑操作，计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则（算法）写成一系列操作指令，加上运算所需的数据，形成适当的程序就可以完成各种各样的任务。2006-7-10大学IT184.自动性•计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。2006-7-10大学IT195.精确性•计算机的可靠性很高，差错率极低，一般来讲只在那些人工介入的地方才有可能发生错误，这就是它的精确性。2006-7-10大学IT202.1.3计算机的分类•计算机有不同的分类方法，根据信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。•数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机。2006-7-10大学IT21•模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。•数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。2006-7-10大学IT22•专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。•通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。2006-7-10大学IT232.1.4计算机的应用•计算机的应用已渗透到社会的各个领域，正在改变着人们的工作、学习和生活的方式，推动着社会的发展。归纳起来可分为以下几个方面：1.数值计算2.数据处理（信息处理）3.自动控制4.计算机辅助设计和辅助教学5.人工智能方面的研究和应用6.多媒体技术应用2006-7-10大学IT241.数值计算•计算机最开始是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中，显得尤为重要。例如，人造卫星轨迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机的精确计算。•在工业、农业以及人类社会的各领域中，计算机的应用都取得了许多重大突破，就连我们每天收听收看的天气预报都离不开计算机的科学计算。2006-7-10大学IT252.数据处理（信息处理）•在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据，其中包括大量图片、文字、声音等信息处理就是对数据进行收集、分类、排序、存储、计算、传输、制表等操作。目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索、经济管理等。•信息处理已成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。据统计，全世界计算机用于数据处理的工作量占全部计算机应用的80%以上，大大提高了工作效率，提高了管理水平。2006-7-10大学IT263.自动控制•自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，它不需人工干预，能按人预定的目标和预定的状态进行过程控制。所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集、检测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程。目前被广泛用于操作复杂的钢铁企业、石油化工业、医药工业等生产中。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率、产品质量，降低成本，缩短生产周期。•计算机自动控制还在国防和航空航天领域中起决定性作用，例如，无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制，都是靠计算机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢。2006-7-10大学IT274.计算机辅助设计和辅助教学•计算机辅助设计与制造•计算机辅助教学2006-7-10大学IT28•计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)是指，借助计算机的帮助，人们可以自动或半自动地完成各类工程设计工作。目前CAD技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。在京九铁路的勘测设计中，使用计算机辅助设计系统绘制一张图纸仅需几个小时，而过去人工完成同样工作则要一周甚至更长时间。可见，采用计算机辅助设计，可缩短设计时间，提高工作效率，节省人力、物力和财力，更重要的是提高了设计质量。CAD已得到各国工程技术人员的高度重视。有些国家已把CAD和计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，简称CAM)、计算机辅助测试(ComputerAidedTest，简称CAT)及计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering，简称CAE)组成一个集成系统，使设计、制造、测试和管理有机地组成为一体，形成高度的自动化系统，因此产生了自动化生产线和“无人工厂”。计算机辅助设计与制造2006-7-10大学IT29•计算机辅助教学(ComputerAidedInstruction，简称CAI)是指用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程。计算机可按不同要求，分别提供所需教材内容，还可以个别教学，及时指出该学生在学习中出现的错误