信息处理机器计算机系统

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1、第2章 信息处理机器：计算机系统n主要内容：l2.1 从历史走向未来计算机的发展史 l2.2 微型计算机硬件系统n本章小结n思考与练习n2.1.1 现代计算机的“史前”时代（1946）l中国古代普遍采用的一种计算工具“算筹”。 更为先进的计算工具是两千年前中华民族发明的算 盘，这是人类借助于工具进行数字计算的开端。 2.1 从历史走向未来计算机的发展史图2-1 中国古老的计算工具：算筹（左）与算盘（右）l19世纪和20世纪前半叶，是计算机发展史上不寻常 的时代。 l如果按时间序列划分，在近代对计算机的发展史做 出贡献的重要的人物和事件有：u（1）1642至1643年，帕斯卡(Blaise Pa

2、scal) 发明了 一个用齿轮运作的加法器。u（2）1674年，德国数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的计 算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出 了“二进制”数的概念。 u（3）1812年，为现代计算机的发明做出过重要贡献的英 国数学家查尔斯巴贝奇(Charles Babbage，1792 1871)开始考虑设计机械操纵的计算机。2.1 从历史走向未来计算机的发展史u（4）1847年，英国科学家乔治布尔(GeorgeBoole)创立了逻 辑代数，亦称布尔代数。u（5）1925年左右，美国马萨诸塞理工学院制成了一台大型的模拟计 算机，他们用齿轮的旋转角度来表示所要计算的量。u（6）1936

3、年，英国科学家图灵(A1an M.Turing)，提出了可计算计 算机的概念，后来人们称他描述的计算机为“图灵机”。u（7）1943年1月，霍华德艾肯（Howard H. Aiken）在哈佛大学研 制成功名为“ASCC Mark I”的世界上第一台通用计算机。u（8）1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀埃克特 (J.Prespcr Eckert）博士和物理学家约翰莫克利(John Mauchly)博士开始着手研制“埃尼阿克”。2.1 从历史走向未来计算机的发展史n2.1.2 冯诺依曼型计算机的基本结构l冯诺依曼提出计算机工作原理可概括为：“存 储程序，顺序控制”。其基本思想是：u(1

4、)计算机可以使用二进制；u(2)计算机的指令和数据都可以存储在机内 。 l冯诺依曼提出的“存储程序原理”，导致现代意 义的计算机的诞生。主要由5部分组成：存储器 、运算器、控制器、输入设备、输出设备。2.1 从历史走向未来计算机的发展史n2.1.3 第一台现代电子数字计算机的诞生l1946年2月5日，是人类文明历史上的重要转折点。 世界上第一台真正的现代电子数字计算机 “ENIAC”研制成功了（图2-4）。2.1 从历史走向未来计算机的发展史图2-4 采用电子管的世界上第一 台数字计算机ENIAC（1946）lENIAC的计算速度比以前的计算工具有了显著的提高 ，每秒钟可作5000次加法或40

5、0次乘法。n2.1.4 现代计算机发展的四个阶段l1.采用电子管计算机的第一代计算机（19461957 ）u第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的 ，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度 也慢。2.1 从历史走向未来计算机的发展史图2-5 1904年，世界上第一只电子管 在英国物理学家弗莱明的手下诞生图2-6 电子芯片、晶体管和LED 都是由半导体材料制成l2.采用晶体管的第二代电子计算机（19581964）u在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN 等语言，以单词、语句和数学公式代替了晦涩难懂的二 进制机器码，使计算机编程更容易。2.1 从历史走向未来计算机的

6、发展史图2-7 IBM公司于1959年生 产的IBM 7090型是采用晶 体管的第二代电子计算机l3.采用集成电路的第三代计算机（19651970）u1964年4月IBM 360系统问世，使它成为使用集成电路 的第三代电子计算机的里程碑式的产品（图2-8）。2.1 从历史走向未来计算机的发展史图2-8 用于美国航空和航天局(NASA)的IBM 360计算机（1964）l4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970 年至今）u目前超大规模集成电路(VLSI)可在硬币大小的芯片上容 纳上千万个乃至更多的元器件，如此高的集成度使得计算 机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断得到增强 。u在2

7、0世纪80年代发生的特别重要事件是个人计算机 （PC）的问世与普及。2.1 从历史走向未来计算机的发展史图2-9 世界上第 一台个人计算机 IBM PC(1981)图2-10 Apple公司 生产的iMac计算机n2.1.5 超级计算机（高性能计算机）l由数千个甚至更多的处理器组成，能完成普通PC机 和服务器不能完成的大型复杂任务。l天河一号：我国首台千万亿次超级计算机，由 6144颗CPU和5120颗GPU组成，内存容量98TB，共享 磁盘容量1PB，每秒4700亿万次运算速度，2010年 列世界第一。2.1 从历史走向未来计算机的发展史n计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组 成。l硬件系

8、统通常指机器的物理系统，硬件系统是指所 有构成计算机的物理实体，它包括计算机系统中一 切电子、机械、光电等设备。 l所谓软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系 统资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数 据等，广义地说，软件系统还包括电子的和非电子 的有关说明资料，说明书、用户指南、操作手册等 。2.2 微型计算机硬件系统n2.2.1 微型计算机系统l微型机根据工艺结构、外观形式和应用目的，可分为台式 机和便携式两类。l微型计算机的硬件系统应由微处理器（运算器和控制 器）、存储器、输入设备和输出设备组成（图2-11） 。2.2 微型计算机硬件系统图2-11 微型计算机 系统基本结构n2.2

9、.2 微处理器l微处理器在微型计算机中又称为CPU（中央处理单元的缩 写)，又简称其为处理器(Processor)。lCPU作为计算机系统的核心，其内部结构可以分为控制器 、运算器和寄存器三个部分，如图2-13所示。2.2 微型计算机硬件系统图2-13 CPU主要由控制器、运算器和寄存器组成l人们常常用二进制位的位数(bit)来表示CPU的字长。l目前，微机的性能在某些方面已经达到甚至超过了小型机,并且普遍采 用双核（或多核）处理器。n计算机总线l用于各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，以 传递数据信息、地址信息和控制信息。 l分为数据总线、地址总线和控制总线。u数据总线：双向的，决定

10、了CPU和计算机其他设备之间每次交 换数据的位数。u地址总线：单向的，决定了CPU的最大寻址能力。u控制总线，用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。2.2 微型计算机硬件系统n2.2.5 主存储器系统 l主存储器是计算机内部存储器的简称，用于存放CPU正在处 理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问的 存储器。l地址：系统给每个存储器单元赋予的唯一标识。l存储器容量的标识u计算机主存储 器中存储单元 的总数是2的方 幂，主要原因 是方便设计。 存储容量的大 小通常以（1024）个存储单元为度量单位。2.2 微型计算机硬件系统l主存储器从存取功能上可分为只读存储器和随机存 储器两大类

11、。u只读存储器（ROM）中的内容在任何时候都可以读取 ，但是不可擦写和更改，数据和程序将会被永久地保存在 其中，即使是关闭计算机，ROM的数据也不会丢失 ，也就是说，它是非易失性的。u相对于ROM而言，随机存储器（RAM）是可读写存储 器，即可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算 机关闭电源后其内的信息将不在保存，再次开机需 要重新装入，也就是说，RAM中的数据是易失性的。2.2 微型计算机硬件系统n2.3.1 外部存储系统的基本概念 l存储系统的组成：存储设备和存储介质。存储设备 必须从存储介质中读/写数据和程序。 l固定存储系统与移动存储系统 u固定：存储设备通常安装或配置在计算机系统

12、内部。如 硬盘驱动器和光盘驱动器。 u移动：存储系统一般是独立的、可移动的，通过专用接 口与计算机相连，如U盘、光盘、移动硬盘等。 l易失性与非易失性存储器 u易失性存储器：断电后数据就会失去的存储器，如RAM。 u非易失性存储器（NVRAM）：如U盘、数码相机、可拍照 手机、PDA、存储卡等2.3 外部存储设备n2.3.2 磁存储系统l磁存储系统是一个精密的机电结合体，它的主要功能是将主 机送来的电脉冲信号转换成磁记录信号，保留在涂有 磁介质的盘片上，或者从盘片上将被保留的磁记录信号再转 换成电脉冲信号送往主机。l1.硬盘存储系统u硬盘是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的

13、硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上(图2-18)。u在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的 若干个同心圆就被划分成磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区，数 据就按扇区存放在硬盘上（图2-19）。2.3 外部存储设备2.3 外部存储设备l2. 磁盘冗余陈列-RAID u一种把多块独立的硬盘按不同的方式组合起来形成一个 硬盘组，提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术 。 u具有容错处理和拯救数据功能。图2-18 硬盘由多个磁头和盘片组成 图2-19 磁盘寻址结构示意图2.3 外部存储设备u针对不同应用使用不同的RAID技术，称为RAID Level， 公认的有Level0Leve

14、l5。uLevel不代表技术的高低。uRAID分为软件RAID和硬件RAID。l3.光盘存储系统u对光存储介质最基本的要求,就是存储单元的某种性质可 以用某种方法改变以代表被存储的数据,同时这种性质可 用光的方法检测出来。u最常用的方法是存储单元的光反射率代表存储的 信号(1或0)，如图2-20所示。2.3 外部存储设备l蓝光光盘（BD）：单层容量为25GB，可录制4小时的 高解析影片；双层容量为50GB。l2010年制定的BDXL规格（高容量可刻录和可擦写光 盘）支持100GB和128GB的容量。CD光盘的表面的存储位（凹痕 ） DVD光盘的表面的存储位（凹痕） 图2-20 光盘表面上的物理

15、凹痕用来存储和表示0和1信号2.3 外部存储设备l4.非易失性存储器u如果通俗地解释非易失性存储器，那就是指那些断电后 数据仍然能保留的半导体存储器。u闪存(Flash Memory)具有关掉电源仍可保存数据的优 点，同时又可重复读写且读写速度快、单位体积内可储存 最多数据量，以及低功耗特性等优点。 l5.数据校验方法u奇偶校验：在每个字节中加上一个奇偶校验位， 指示之前的数据中包含奇数个1还是偶数个1，每 个字节发送9位数据。2.3 外部存储设备奇校验：假如每字节的数据位中“1”的个数为奇数， 校验位为“0”，使得包括校验位的“1”的总数为奇 数。奇校验无法检测出双位错误。8位数据原有数据中

16、1的个数奇校验位增加校验位后的字节000000000000000000 0101000103010100010 0110011004111001100 1111111107011111110 02.3 外部存储设备u奇偶校验在RAID中的应用 例：在一个由4块硬盘构成的RAID系统中，3块硬盘将被用 来保存数据，第4块则用来校验，假设数据块 A1=00000111，A2=00000101，A3=00000000分别存储在不 同的磁盘中，奇偶校验块Ap由A1、A2、A3异或得到，如果 第2块磁盘出现故障，A2将不能被访问，如何得到A2的数 据。A1A2A3Ap注释00000111000001010000000000000010Ap= A1A2A300000111XXXXXX XX0000000000000010A2出错0000011100000101000000000000