信息处理机器计算机系统

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1、第3章 计算机系统,纲要,3.1从历史走向未来计算机的发展史 3.2 微型计算机系统与微处理器 3.3计算机存储系统及工作原理 3.4计算机输入/输出设备 3.5微型计算机的总线及接口标准,1了解计算机的发展史。 2掌握计算机存储原理及工作过程。 3掌握计算机的基本组成、系统单元，输入输出系统和设备，辅助存储设备。 二、重点、难点 1重点：计算机的基本组成、系统单元，输入输出系统和设备。 2难点：辅助存储设备和计算机存储原理及工作过程。,一、教学要求,3.1从历史走向未来计算机的发展史,3.1.1 现代计算机的“史前”时代（-1946）,1946年2月5日，世界上第一台真正的现代电子数字计算机

2、“ENIAC“研制成功了（图3-5）。,3.1.2 第一台现代电子数字计算机的诞生,1.计算机的产生,计算机的产生 世界上第一台电子数字计算机 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了 “埃尼阿克”（ENIAC电子数字积分计算机）内部总共安装了17468只电子管、占地面积为170平方米左右、总重量达到30吨、耗电量超过174千瓦、运算速度为每秒5千3万次/秒。,1.采用电子管计算机的第一代计算机（19461957） 2.采用晶体管的第二代电子计算机（19581964） 3.采用集成电路的第三代计算机（19651970） 4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年至今）,3.1.3 现代

3、计算机发展的四个阶段,第一代 电子管计算机（1946 1957年） 以电子管作为计算机的基本逻辑电路元件，主存储器采用延迟线和静电存储管，容量非常小，仅1000-4000B。外存储器采用纸带、卡片、磁鼓和磁带，运算速度一般为每秒数千次至数万次。,3.1.3 现代计算机发展的四个阶段,第二代 晶体管计算机（1958 1964年） 第二代计算机采用半导体晶体管作为逻辑开关元件，内存采用了磁芯存储器，其容量达几十万B。外存采用磁盘、磁带。运算速度达几十万次/每秒。软件方面出现了一系列的高级程序设计语言(如 FORTRAN，COBOL等)，有了系统软件（监控程序），提出了操作系统的概念。,3.1.3

4、现代计算机发展的四个阶段,第三代 集成电路计算机（1965 1970年）,3.1.3 现代计算机发展的四个阶段,第四代 大规模、超大规模集成电路计算机（1971年 现在）,3.1.3 现代计算机发展的四个阶段,计算机发展各阶段示意表,3.1.4 计算机的特点,运算速度快 计算精度高 具有超强记忆和逻辑判断能力 实现自动控制并且具备人机交互功能 可靠性高 跨地域信息资源共享,3.2 计算机系统的基本组成,3.2.1 计算机系统硬件与软件 硬件系统: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。 软件系统:则是指管理计算机软件系统和硬件系

5、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。,3.2.1 计算机系统的基本组成,冯.诺依曼确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理。 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。今天，人们把具有这样一种工作原理和基本结构的计算机统称为“冯诺依曼型计算机”。,3.2.2 冯诺依曼型计算机的基本结构,3.2.2 冯诺依曼计算机经典结构,图3.2冯诺依曼计算机的基本结构,1冯诺依曼计算机的基本设计思想就是“存储程序”，其特点如下：计算机应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器

6、、输入设备和输出设备。 (1)采用二进制代码表示数据和指令计算机中所有数据和指令都是以二进制代码存储在存储器中，即都是由0和1组成的代码序列，只是数据和指令各自的约定不同而已。 (2)采用存储程序的方式存储程序的方式是指程序和数据存放在同一个存储器中，指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器控制指令的执行。 (3)系统由5部分组成系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。,3.2.2 冯诺依曼计算机经典结构,2、计算机硬件的基本结构,2、计算机硬件的基本结构按照冯诺依曼计算机的基本设计思想，一个完整的计算机系统，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个功能部件组成

7、。,(1)运算器运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，由算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit，简称ALU)、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成，是计算机对信息数据进行处理和运算的部件。,图2.3运算器工作示意图,2、计算机硬件的基本结构,(2)控制器控制器是计算机的神经中枢，协调并控制计算机的各个部件按程序中排好的指令序列执行指定的操作，使整个计算机有条不紊地自动执行程序。控制器一般包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序控制电路、微操作控制电路等。在个人计算机（PC）中，运算器与控制器是集成在一块半导体芯片上的，它们组成了计算机的核心，称为中央处理器（Centra

8、l Processing Unit，简称CPU）。,2、计算机硬件的基本结构,图2.4控制器工作示意图,2、计算机硬件的基本结构,(3)存储器存储器是计算机的记忆功能部件，用于存放程序、参与运算的数据和运算的结果。 存储器有“内存”(主存)和“外存”(辅存)之分。“外存”是存放程序和数据的仓库，可以长时间地保存大量信息；“内存”是计算机运行时的主体，直接与CPU交换信息，凡是要运行的数据与程序只有调入内存后才能执行。 ,2、计算机硬件的基本结构,(4)输入输出设备输入设备的任务是输入操作者提供的原始信息，并将它变为机器能识别的信息。输入设备的种类较多，最常见的有键盘、鼠标、卡片机、扫描仪等。外

9、存储器如磁盘、磁带、光盘从信息传送的角度来看，也属于I/O设备，通过磁头(光头)和读出放大器，从磁介质或光盘中读出信息转换为电信号，再送入主机处理。输出设备用于将计算机的处理结果按人们的要求输出。最常见的有显示器、打印机、绘图设备以及自动控制装置中的数/模（D/A）转换装置等。外存储器可以用来存放计算机处理的结果，此时也可看成是输出设备。,2、计算机硬件的基本结构,(5)计算机的总线与接口所谓总线，是一组连接各个部件的公共通信线。即系统各部件之间传送信息的公共通道。接口就是外部设备与计算机连接的端口，是计算机输入输出的重要通道，它的性能好坏直接影响到计算机的性能。如果按总线内所传输的信息种类，

10、可将总线分类为：数据总线（Data Bus，DB） 、地址总线（Address Bus，AB）、控制总线（Control Bus，CB）。,2、计算机硬件的基本结构,2、计算机硬件的基本结构,(5)计算机的总线与接口 数据总线：数据总线在CPU与内存或输入输出接口之间传递数据。数据总线位数的多少反映了CPU一次可按收数据的能力。它的条数取决于CPU的字长。 地址总线：地址总线用来传递存储单元或输入输出接口的地址信息，信息传送是单向的，它的条数决定了计算机内存空间的范围大小，即CPU能管辖的内存数量。不同的CPU芯片，地址总线的位数是不同的。 控制总线：控制总线用来传递各种控制与应答信号。它传递

11、的信号基本上分两类；一类是由CPU、内存、外设发送的控制信号。另一类是由外设或有关接口电路向CPU送回的信号。包含内存的应答信号。,3.3 计算机的基本工作过程,从1946年出现的第一台计算机（ENIAC）到目前为止，几乎所有计算机的工作过程都大致相同，都按照冯诺依曼计算机的基本思想进行工作。 冯诺依曼计算机的工作过程如下： 人们按照要解决的问题的数学描述，用计算机能接受的“语言”编制成程序，即指令，将程序和数据以二进制代码的形式存入计算机的存储器中； 在控制器的控制下，计算机自动从存储器中取出一条指令，分析指令并执行，以完成计算机的各项工作，并把计算结果再存入存储器中； 计算机再处理下一条程

12、序指令，直到整个程序运行结束。,3.3 计算机的基本工作过程,冯诺依曼计算机的特点可概括为如下几点： 存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构，每个字节有唯一的地址； 由指令形式的机器语言驱动； 指令的执行是串行顺序进行的，即按指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现； 运算器、存储器和输入/输出设备都由控制器集中控制；,3.3.1 计算机系统主要性能指标,计算机的基本性能指标主要有以下几个方面： 1、字长字长是计算机CPU能直接处理的二进制数的位数，它直接关系到计算机的计算精度、功能和运行速度。一般来说，字长越长，运算精度越高，处理速度越快，价格也越高。目前计算机字长一般为32

13、位、64位。 2、主频主频是时钟脉冲发生器所产生的时钟信号频率，用兆赫（MHz）或兆兆赫（GHz）为单位表示，它决定了计算机的处理速度，主频越高，速度越快。 3、存储器容量存储器分为内存和外存。内存容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力，内存容量越大，所存储的程序和数据越多，计算机系统的处理能力越强。外存容量通常是指硬盘容量，外存容量越大，可存储信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。,3.3 计算机系统主要性能指标,4、运算速度运算速度是指计算机每秒钟能执行指令的数量，即计算机进行数值运算的快慢程度。运算速度的单位用MIPS（每秒百万条指令）表示。衡量计算机的速度一般从以下几个方面考虑。 主

14、频：一般指计算机的时钟频率，在很大程度上决定了计算机的运算速度。 运算速度：计算机每秒中能执行的指令条数，单位一般为“次/秒”或“百万次/秒”。 存取速度：存储器完成一次读或写操作所需要的时间，时间越短，存取速度越快。 5、系统可靠性系统可靠性一般用平均无故障时间(MTBF)和平均故障修复时间(MTTR)来衡量。平均无故障时间越大越好，而平均故障修复时间则越小越好。,3.4 计算机系统配置及主要硬件,3.4.1 CPU（中央处理器）CPU是个人计算机的核心部件，一般由高速的电子线路组成，目前的CPU都是集成在一块半导体芯片上，也称为微处理器。微处理器的发明源于美国Intel公司的4004芯片，

15、这是世界上第一款微处理器芯片，总线宽度4位，集成了2300个晶体管，然而经过30年的发展CPU的主频已达4G总线宽度达64位集成了上亿只晶体管。CPU是整个计算机硬件系统的核心，负责按照程序给出的指令序列分析指令、执行指令，完成对数据的加工处理。,3.4 计算机系统配置及主要硬件,3.4 计算机系统配置及主要硬件,3.4.2 主板主板是计算机工作的平台。主板是微机系统中最大的一块电路板。主机部分的大多数部件在物理上主要安装在机箱内的主板上，外部设备通过输入/输出接口及系统总线与主板相连。主板上的部件主要包括CPU、控制芯片组、Cache、内存储器插槽、I/O接口、总线扩展槽、键盘/鼠标接口、软

16、盘接口、IDE（ATA）接口（用于连接硬盘和光驱）、可充电电池以及各种开关和跳线等。一体化主板，还集成了显示卡、声效卡、网络卡等部件。如图2.5所示。,3.4 计算机系统配置及主要硬件,P 主板,Pentium4 主板,3.4 计算机系统配置及主要硬件,华硕 P8Z77-M主板,3.4 计算机系统配置及主要硬件,3.4 计算机系统配置及主要硬件,3.4.3 内存条 内存条，是内存储器的物理设备,如图所示。 内存条通过内存插槽与主板相连。它只用于暂时存放程序和数据，内存越大，信息交换越快，处理数据就越快。一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。内存大多以M（兆）为单位，一般单条最大为2

17、G=2048M，目前主流内存条均是1G以上。,图：内存条,SDRAM内存条,DDR内存条,内存条的安装,内存条的安装,3.4 计算机系统配置及主要硬件,内存多采用半导体存储器构成。按功能可分为两种类型，一种是只读存储器ROM（Read Only Memory），另一种是随机存储器RAM(Random Access Memory)。 1、随机存储器（RAM）随机存取存储器简称随机存储器或RAM（Random Access Memory）。计算机工作时，其中的数据可以随机读出或者写入。关机或者停电时，其中的数据丢失。用户开机工作时，程序调入RAM执行；关机时，RAM中的程序和数据信息如果需要，需送外存储器保存。在计算机工作时，RAM主要用于随机存放程序和数据。 2、只读存储器（ROM）只读存储器简称ROM（Read Only Memory）。其中的内容事先写入，计算机开机工作后只能读出，不能随机写入。关机或停电时ROM中的数据信息不丢失，因此常用来存放固定程序或常数。,