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第2章计算机组成原理2.1计算机的组成与分类2.2CPU的结构与原理2.3PC机的主机2.4常用输入设备2.5常用输出设备2.6外存储器22.1计算机的组成与分类2.1计算机的组成与分类32.1计算机的组成与分类2.1.1计算机的发展与作用42.1计算机的组成与分类什么是计算机？计算机是一种工具不是交通运输工具不是机械加工工具不是···工具计算机是一种信息处理工具52.1计算机的组成与分类对计算机的简单描述计算机(电脑)是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。②处理①输入③输出输入信息计算机输出信息62.1计算机的组成与分类计算机是通用的信息处理工具计算机的信息处理功能：信息的收集（信息获取）信息的储存（信息存储）信息的加工（信息处理）信息的传递（通信）信息的施用（展现与控制）72.1计算机的组成与分类计算机有哪些特性？计算机的特性：（1）速度快（2）存储容量大（3）通用性好不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能（4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力82.1计算机的组成与分类计算机的巨大作用计算机对社会的进步与发展产生了巨大的作用：计算机应用于科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。计算机应用于工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和社会生产率，促进了经济的飞跃发展。计算机应用于社会服务，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。计算机应用于社会文化，为人类创造文化提供了现代化工具，改变了人们创造文化和传播文化的方式和方法，扩展了人类文化活动的领域、丰富了内容、提高了质量。92.1计算机的组成与分类计算机有什么负面影响？计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果信息欺骗和计算机犯罪增加知识产权保护更加困难个人隐私受到威胁不良和有害信息肆意传播和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102.1计算机的组成与分类计算机的发展1946年研制成功第1台数字电子计算机60年来发展速度之快大大超出人们的预料：性能、体积、价格、···应用领域和装机数量软件技术和软件产品使用的元器件第1代：电子管＋磁鼓第2代：晶体管＋磁芯第3代：中、小规模集成电路第4代：大、超大规模集成电路应用模式：集中计算模式分散计算模式网络计算模式普适计算模式（？）问题：60年来没变的是什么？基本工作原理112.1计算机的组成与分类第1台数字电子计算机1946年ENIAC计算机公布ENIAC（电子数字积分机与计算机）：•研制单位：美国宾夕法尼亚大学•用途：军事计算•运算速度：5000次/秒•体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元122.1计算机的组成与分类计算机的分代(按使用的元器件)第一代（约1946-1957）电子管计算机●速度：几十～几万次/秒●内存：磁鼓，千字●外设：磁带●机器语言或汇编语言编程美国于20世纪50年代生产的IBM704型采用电子管的第一代电子计算机第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器第二代（约1957-1964）晶体管计算机●速度：几十万次/秒，●内存：磁芯，十万字●外设：磁盘●高级语言编程电子管晶体管132.1计算机的组成与分类计算机的分代(按使用的元器件)•第三代（约1965-1973）中小规模集成电路(SSI,MSI)计算机速度：几十万次～几百万次/秒内存：半导体存储器高级语言,OS,DBMS•第四代（1974年起）大规模(LSI)和VLSI计算机速度：几百万次～亿次/秒内存：半导体存储器软件工程，分布式处理等142.1计算机的组成与分类第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152.1计算机的组成与分类2.1.2计算机的组成162.1计算机的组成与分类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是计算机系统中所有实际物理装置的总称计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档计算机是一个复杂的系统复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑···等有关层次性：分层(hierarchical)结构172.1计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构1经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）运算器和控制器输入设备输出设备存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）182.1计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构2现代计算机的逻辑结构与经典计算机结构相比的3个变化：集中控制→分散控制存储器→内存储器＋外存储器通过CPU通信→通过总线进行通信中央处理器(运算器及其控制)外存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口I/O接口外存储器接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O设备通过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192.1计算机的组成与分类(1)输入设备输入(input)的双重含义：1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容输入设备(inputdevices)功能：用来向计算机输入信息输入设备有多种，例如:键盘——输入文字、符号和命令鼠标器——输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令扫描仪——输入图片麦克风——输入声音输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示202.1计算机的组成与分类(2)中央处理器(运算控制器)什么是处理器(processor)？能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：由数字电路组成，结构非常复杂所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器”(microprocessor)Intel4004chipIntel8080chip212.1计算机的组成与分类什么是中央处理器(CPU)？计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任务用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU问题：除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？222.1计算机的组成与分类(3)存储器功能：储存以二进位形式表示的程序和数据分类：内存储器/外存储器内存储器(简称内存或主存)外存储器(简称外存或辅存)存取速度很快较慢存储容量较小(因单位成本较高)很大(因单位成本较低)性质断电后信息消失断电后信息保持用途存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息与CPU关系CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存储内容地址232.1计算机的组成与分类(4)输出设备输出(output)的双重含义：1.把信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容输出设备(outputdevices)功能：从计算机输出信息输出设备有多种，例如:显示器——输出文字、符号和图形打印机——打印文字、符号和图形扬声器——输出声音(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等)242.1计算机的组成与分类(5)总线(bus)功能：用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路分类：CPU总线（或前端总线）：用于连接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252.1计算机的组成与分类2.1.3计算机的分类262.1计算机的组成与分类计算机的分类（1）按内部逻辑结构分类8位/16位/32位/64位单CPU/多CPU···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)使用曙光4000A巨型计算机272.1计算机的组成与分类计算机的分类（2）按计算机服务的对象和作用划分：类型服务对象应用性质主要特点分类或应用举例软件特点个人计算机服务器嵌入式计算机直接为用户服务通用性能/价格比高多媒体性能好有通用性和可扩展性工作站台式机笔记本种类多,功能丰富,用户可自行装卸为其它计算机服务半通用吞吐率(throughput)高可用性(availability)好有可扩展性(scalability)数据库服务器Web服务器打印服务器(企业级,部门级··)实时处理和并发工作能力强，可靠性和安全性好为其它设备服务专用价格便宜功耗低实时(realtime)处理软件固化,扩展性差手机数码相机MP3播放器···功能专用、单一、结构紧凑，固化在芯片中，不易修改和扩充282.1计算机的组成与分类2.1.4微处理器和嵌入式计算机292.1计算机的组成与分类什么是微处理器？微处理器（μP）是使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件，例如:μP是各种类型计算机的核心组成部分用于执行系统软件和应用软件的μP称为“CPU”目前几乎所有计算机的CPU使用的都是微处理器除了用作CPU的通用微处理器之外，还有许多专用的微处理器产品：绘图处理器、通信处理器等Intel4004Intel8086Intel奔腾4Intel酷睿2302.1计算机的组成与分类微处理器的发展非常迅速处理器主要参数400480808086802868038680486奔腾高能奔腾奔腾Ⅱ奔腾Ⅲ奔腾4推出时间(年)1971197419781982198519891993~19961995~19971997～19981999～20032000～2006主频(MHz)0.10824.776～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～3800前端总线频率(MHz)0.10824.776～2016～3325或3350或666666100或133400,533或800，1066外部数据线数目48161632326464646464地址线数目1016202432323236363636存储空间大小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶体管数目(万)0.230.452.913.427.51203105507509504200制造工艺(μm)10621.51