信息处理机器：计算机系统

《信息处理机器：计算机系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信息处理机器：计算机系统（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 信息处理机器：计算机系统,主要内容： 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 2.2 微型计算机硬件系统 本章小结 思考与练习,2.1 从历史走向未来 计算机的发展史,2.1.1 现代计算机的“史前”时代（1946） 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）,19世纪和20世纪前半叶，是计算机发展史上不寻常的时代。 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： （1）1642至1643

2、年，帕斯卡(Blaise Pascal) 发明了一个用齿轮运作的加法器。 （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。 （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，17921871)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,（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。 （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。

3、 （6）1936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”。 （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。 （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,2.1.2 冯诺依曼型计算机的基本结构 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

4、是： (1)计算机可以使用二进制； (2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。 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,2.1.3 第一台现代电子数字计算机的诞生 1946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）,ENIAC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。 2.1.4 现代计算机发展的四个阶段 1.采用电子管计算机的第一代计算机（19461957） 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,2.采用晶体管的第二代电子计算机（19581964） 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发

6、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,3.采用集成电路的第三代计算机（19651970） 1964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）,4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年至今） 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。 在20世纪80

7、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,2.1.5 超级计算机（高性能计算机） 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。 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,2.2 微型计算机硬件系统,计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

8、 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。 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,2.2.1 微型计算机系统 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。 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,2.2.2

9、微处理器 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)。 CPU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,人们常常用二进制位的位数(bit)来表示CPU的字长。 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。 计算机总线 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。 分为数据总线、地址总线和控制总线。 数据总线：双向的，决定了CPU和计

10、算机其他设备之间每次交换数据的位数。 地址总线：单向的，决定了CPU的最大寻址能力。 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,2.2.5 主存储器系统 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。 地址：系统给每个存储器单元赋予的唯一标识。 存储器容量的标识 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,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。 只读存储器（R

11、OM）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。 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,2.3.1 外部存储系统的基本概念 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。 固定存储系统与移动存储系统 固定：存储设备通常安装或配置在计算机系统内部。如硬盘驱动器和光盘驱动器。 移

12、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。 易失性与非易失性存储器 易失性存储器：断电后数据就会失去的存储器，如RAM。 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,2.3.2 磁存储系统 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。 1.硬盘存储系统 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硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上(图2-18)。 在磁盘片

13、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,2. 磁盘冗余陈列-RAID 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。 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,针对不同应用使用不同的RAID技术，称为RAID Level，公认的有Level0Level5。 Level不代表技术的高低。 RAID分为软件RAID

14、和硬件RAID。 3.光盘存储系统 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。 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,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。 2010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 光盘表面上的物理凹痕用来存储和表示0和1信号,2.3 外部存储设备,4.非易失性存储器

15、 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。 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。 5.数据校验方法 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。,2.3 外部存储设备,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

16、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。,2.4 输入/输出子系统,2.4.1 计算机输入设备 1.键盘 键盘的工作主要由其内置的单片微处理器负责控制。 2.鼠标 鼠标的工作原理是利用自身的移动，把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机，再由计算机把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示屏幕位置的目的。 3.扫描仪 人们通常将扫描仪用于各种形式的图像和文稿的输入。 扫描仪的主要指标为分辨率，它是用来表示扫描仪对图像细节表现的能力。,4.触摸屏 触摸屏作为一种多媒体输入设备，可使用户用手指直接在屏幕上指点或触及屏幕上的菜单、光标、图符等按钮，具有直观、方便的特点，就是从没有接触过计算机的人也会立即使用，有效地提高了人机对话效率。 电容式触