专转本计算机第2章_计算机组成原理

1第2章计算机组成原理2学习目标与要求1.掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能2.描述CPU的结构与工作原理3.熟悉PC机的物理组成4.常用输入设备的功能、结构与原理5.常用输出设备的功能、结构与原理6.外存储器32.1计算机的组成与分类一、计算机的诞生与发展–1、第一台电子计算机诞生4ENIAC：电子数字积分机与计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）•时间：1946年2月•地点：美国宾夕法尼亚大学•用途：军事计算•逻辑部件：电子管•运算速度：5000次/秒•体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元1943年由JohnBrainered领导ENIAC开始研究。图为JohnMauchly及J.PresperEckert负责这计划的执行者5对计算机的诞生和发展做出重大贡献的两个人：（1）阿伦·图灵(AlanTuring)图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论基础。（2）冯·诺依曼(JohnVonNeumman)奠定了当代计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备等组成的结构体系。6阿伦.图灵(AlanTuring)英国数学家、哲学家、密码破译家30年代初，发表了一篇著名的论文《论数字计算在决断难题中的应用》，他提出了一种十分简单，但运算能力极强的理想计算装置，用它来计算所有能想象得到的可计算函数。图灵机——自动机理论ACM（美国计算机学会）图灵奖71945年VonNeuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks发表了一篇论文《电子计算机装置逻辑结构初探》提出了两个主要论点:*使用二进制*存储程序和程序控制冯·诺依曼教授（JohnVonNeumman）和他设计的“存储程序式”计算机EDVAC(埃德瓦克)82、计算机的发展阶段以计算机使用的基本电子元件作为划分依据，计算机的发展经历了四个阶段。基本电子元件的演变：集成电路（IC）电子管晶体管中小规模集成电路芯片大规模超大规模集成电路芯片9代别年代主要元器件配置的软件主要应用第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计算和工程计算第2代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60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI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工程、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10–3、计算机信息处理的特点运算速度快：用MIS（每秒百万条指令）来衡量，巨型机可达千万MIPS计算精度高：如Л，计算机能计算到小数点后2亿位记忆能力强：存储数据、程序逻辑判断能力：解决数值和非数值（信息检索、图像识别等）问题可靠性高、通用性强：应用领域广高性能的实时通信和交换能力：网络信息表达方式直观，使用方便11–4、计算机的应用领域科学计算信息处理自动控制辅助系统：CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAI（计算机辅助教学）、CAT（计算机辅助测试）网络通信、电子商务、多媒体人工智能12–5、计算机的发展趋势巨型化微型化网络化智能化多媒体化13二、计算机的组成–计算机系统由硬件和软件两部分组成。硬件指计算机系统中所有实际物理装置的总称。软件是在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档。14计算机硬件的组成冯·诺依曼型计算机的5个组成部分运算器控制器存储器输入输出中央处理器俗称:CPU主机计算机硬件I/O设备其基本原理是存储程序控制，或说是存储程序，程序控制。15目前所使用的计算机都是基于冯·诺依曼提出的“存储程序控制”原理进行工作的。16CPU与主存储器连同总线构成主机外存储器与输入输出设备称外围设备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系统总线互相连接主机CPU主存储器总线外围设备（外设）外存储器输入设备输出设备17中央处理器外存储器内存储器输出设备系统总线输入设备适配器适配器适配器I/O端口I/O端口外存储器接口控制器运算器存储器计算机的逻辑结构181、中央处理器(CPU)(CPU：CentralProcessingUnit)包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器，它们各有其不同的任务）19处理器能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理微处理器简称μP或MP，通常指将控制器、运算器、寄存器制作在一块半导体芯片上的处理器，例如Pentium处理器20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”。多处理器系统一般用于服务器上。21存储器用于存储程序和数据（包括原始数据、中间运算结果和最终结果）。分为内存储器、外存储器两大类。2、存储器22–内存储器(简称内存或主存)逻辑上直接与CPU相连接（CPU可直接访问）存取速度快、容量相对小，价格相对高易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正在处理的数据以及产生的结果数据存储介质：大规模、超大规模集成电路芯片23–外存储器(简称外存或辅存)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）存取速度慢、容量相对大，价格相对低非易失性，用于长期存放各类信息存储介质：磁盘、光盘、移动U盘、移动硬盘、磁带等243、输入设备输入：把信息(原始数据或程序)转换为计算机能识别的形式而送入计算机内存的过程，输入到计算机中的信息都被转换成二进制“0”和“1”两个符号来表示输入设备：用来向计算机输入信息的设备25按照输入信息的类型对输入设备分类–数字和文字输入设备(键盘、写字板等)位置和命令输入设备(鼠标器、触摸屏等)–图形图像输入设备（扫描仪，数码相机等）–声音输入设备（话筒，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)264、输出设备输出：把信息送出计算机的过程，计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式输出设备：完成信息输出的设备，即把计算机内存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备输出设备类别–输出文字和图像的设备：显示器打印机绘图仪–输出声音的设备：音箱275、系统总线系统总线是用来在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个控制部件(含传输线与控制电路)。有些计算机把连接CPU和内存的总线称为系统总线，把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为I/O总线。系统总线上有3类信号：数据信号、地址信号、控制信号，因此有数据线、地址线、控制线286、I/O端口（I/Oport）计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器（即，适配器）连接，然后由控制器与总线相连。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。29二、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）30最早的代表机型：1977年：AppleMacintosh(Apple公司产品，使用Motorola公司生产的微处理器）1981年：IBM-PC(IBM公司产品，使用Intel公司生产的8086微处理器）31台式机笔记本电脑掌上计算机•1、个人计算机（也称个人电脑、PC机或微机）类别台式机：一般在办公室或家庭中使用。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、快译通之类产品，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。32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。SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。工作站332、服务器/客户机在这种系统中，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。鉴于服务器/客户机系统的盛行，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。343、微处理器（单片机）是一种把处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。35四、计算机主要性能指标1.运算速度用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：次／秒（每秒执行加法运算的次数）世界第一台计算机ENIAC的运算速度5000次/秒目前计算机的速度银河Ⅲ：130亿次／秒(国产机）曙光3000：3800亿次／秒(国产机，国内最快)EarthSimulator(地球仿真超级计算机)：350000亿次/秒浮点运算(NEC公司，世界最快)36国际TOP500组织于2010年11月14日14日在新华网华盛顿网站上公布了最新全球超级计算机前500强排行榜，中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”雄居第一。“天河一号”由国防科学技术大学研制，部署在国家超级计算天津中心，其实测运算速度可以达到每秒2570万亿次。美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”超级计算机此前排名第一，在新榜单中，其排名下滑一位。“美洲虎”的实测运算速度可达每秒1750万亿次。排名第三的是中国曙光公司研制的“星云”高性能计算机，其实测运算速度达到每秒1270万亿次。37用于说明CPU运算速度的度量单位：（1）MIPS：百万条定点指令／秒（MillionInstructionsPerSecond）。例如,P4微处理器运算速度已超过100MIPS（2）MFLOPS：百万条浮点指令／秒（MillionFLOatinginstructionsPerSecond）（3）TFLOPS：万亿条浮点指令／秒（TrillionFLOatinginstructionsPerSecond)例如，EarthSimulator运算最高速度达到35.8TFLOPS382.字长中央处理器中运算器和寄存器的宽度，即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。字长决定了计算的精度。字长通常是2的整数次幂。微处理器字长演变：Intel4004:4位(1971年,世界第一个微处理器)Intel8008,8080:8位Intel8086:16位Intel80386,80486,pentium：32位393.存储容量内存容量，硬盘容量度量单位：B，KB，MB，GB，TB1B（字节,Byte）=8位二进制数(字位，bit)（个人计算机主存的地址编码单位）1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B例如：内存256MB，硬盘40GB402.2CPU的结构和原理一、CPU的结构–1、CPU的任务是执行系统程序或应用程序中的指令。41运算器（执行单元）对数据进行各种算术运算和逻辑运算(称ALU)控制器取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态。它是CPU的指挥中心寄存器临时存放参加运算的数据和得到的