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计算机硬件技术基础 同济大学电子与信息工程学院 教学内容 第一章微型计算机概述第二章微型计算机的主要部件第三章微型计算机的外部设备第四章多媒体计算机第五章计算机网络第六章笔记本PC机第七章微型计算机的选购 安装与维护 参考教材 计算机硬件技术基础谭浩强主编电子工业出版社计算机硬件技术基础教程史嘉权主编清华大学出版社 第一章微型计算机概述 1946年 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC 重28吨 耗电150kW 占地170平米 用电子管18800个 每秒5000次加法 第一代电子管时代 1946 1958 耗电高 体积大 定点计算 机器语言 汇编语言第二代晶体管时代 1958 1965 变集中处理为分级处理 浮点运算 高级语言第三代中小规模集成电路时代 1965 1970 存储容量大 运算速度快 几十至几百万次 秒第四代大规模集成电路时代 1971至今 向大型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向巨型化 微型化 网络化 智能化 多媒体化 计算机的发展 巨型机 世界几家公司生产 最快1 4万亿次 9千个CPU组成Cray 1 Cray 2 Cray 3 国产银河I 银河II 银河III小巨型机 功能同巨型机相近 价格相对便宜 发展十分迅速美国Convex公司的C系列机为其代表产品 大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用 统一调度主机资源 代表产品有IBM360 370 4300等 小型机 它可以满足部门性的需求 供小型企事业单位使用 典型产品有IBM AS 400 DEC VAX系列 国产太极工作站 用于特殊的专业领域 例如图象处理和辅助设计等 典型产品有HP APOLLO SUN工作站等 微型机 个人或家庭使用 PC机 个人计算机 价格低廉 计算机的六大分类 1 1微电子器件的发展 1 1 1摩尔定律 摩尔定律 60年代初 英特尔公司创始人之一 美国化学家戈登 摩尔提出每隔18至24个月 芯片每秒速度至少提高一倍 戈登 摩尔当年提出摩尔定律的时候 恐怕自己都想不到会对现在这个时代产生如此大的影响 因为戈登 摩尔所处的时代 石油和煤炭依然是经济发展的动力 而现在 芯片已经成为了左右经济的重要力量 摩尔定律经受了将近40年的时间冼礼 其间它像一双无形的臂膀 推动着IT产业不断地向前发展一一每个芯片上集成的晶体管数目已经增长了18000倍 由1971年的2300个增长到了今天Pellet4芯片的4200万个 一个高大的 阴影 始终弥漫在英特尔这家半导体领域利润最高的公司之中 笼罩着整个半导体产业 这就是 摩尔定律 IT产业的第一定律 关于摩尔定律的不同观点 10年前的intel 5年前的微软 给人们的印象是一个产生兴奋的地方 好莱坞只能把梦想做到银幕上 而微软和intel的联盟把银幕上的梦变成了人们生活的一部分 于是 在那个时候 摩尔定律和windows一起代表了人类征服数字世界 改造自己生活的精神 现在的摩尔定律 不再是一个梦想的一部分 而是逼迫人们掏钱的工具 什么是摩尔定律的灵魂 更快 更高 更强 技术让你实现梦想 一切以用户体验为中心 而现在的硬件厂商恰恰相反 拼命提高主频 甚至不惜牺牲架构优势也要突出主频优势 完全背离了用户 背离了应用 在科技界存在的一个众所周知的事实 那就是任何试图突破 摩尔定律 的行动最终都以失败告终 企业每年在该领域的尝试至少达到1000多次 如rilogySystems和MicroUnity的超级芯片试验 以及IBM的X射线平板印刷术等 最终都胎死腹中 但人们很少注意到的是 成千上万家追崇 摩尔定律 的企业最终都退出了这场 游戏角逐 另外 人们也很少关注这些企业的最终命运如何 事实上 几千家4年前仍可以看到的企业 如今已不复存在了 摩尔定律 的副作用在网络界体现的尤为突出 甚至可以说 网络市场从一窝蜂地不正常发展到最终的破灭 都是 摩尔定律 惹得祸 Intel捍卫摩尔定律 摩尔定律与英特尔有着不解的渊海 不仅因为摩尔定律的提出者戈登 摩尔是英特尔的创始人之一 更因为英特尔在芯片技术上的一次次突破 使之理所当然地成为了摩尔定律的忠实捍卫者 而英特尔最新的一次捍卫行动 仍然是用技术说话 2004年11月26日 美国英特尔宣布该公司的研究人员已经开发出了新型晶体管结构 英特尔实验室元件研究部门经理格兰德 马斯科说 此前我们的研究曾证明了 完全可以开发出更快更小的晶体管 但这里存在着耗电量 发热及漏电等根本性的问题 我们的目标是克服这一障碍 制造出可集成相当于目前微处理器25倍的晶体管 同时不增加耗电量的芯片 对于这项技术所带来的影响 有关人士则称为是 这项技术的开发成功将再次打破阻碍摩尔法则继续存在的瓶颈 1 2微型计算机的硬件组成 约翰 冯 诺依曼 JohnVonNouma 1903 1957 美藉匈牙利人 1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯 父亲是一个银行家 家境富裕 十分注意对孩子的教育 冯 诺依曼从小聪颖过人 兴趣广泛 读书过目不忘 据说他一生掌握了七种语言 6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈 其中最擅长德语 他对读过的书籍和论文能很快一句不差地将内容复述出来 而且若干年之后 仍然如此 1911年一1921年 冯 诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期间 就崭露头角而深受老师的器重 在费克特老师的个别指导下 两人合作发表了第一篇数学论文 此时冯 诺依曼还不到18岁 1921年至1923年在苏黎世大学学习 在1926年以优异的成绩获得了布达佩斯大学数学博士学位 此时冯 诺依曼年仅22岁 1927年至1929年 冯 诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师 1930年接受了普林斯顿大学客座教授的职位 1931年成为该校终身教授 1933年转到该校的高级研究所 成为最初六的位教授之一 并在那里工作了一生 是美国国家科学院 秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且学院等院的院土 1954年他任美国原子能委员会委员 1951年至1953年任美国数学会主席 冯 诺依曼由ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组后 便带领这批富有创新精神的年轻科技人员 向着更高的目标进军 1945年 他们在共同讨论的基础上 发表了一个全新的 存储程序通用电子计算机方案 EDVAC ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer的缩写 EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成 包括 运算器 逻辑控制装置 存储器 输入和输出设备 并描述了这五部分的职能和相互关系 EDVAC机还有两个非常重大的改进 即 1 采用了二进制 不但数据采用二进制 指令也采用二进制 2建立了存储程序 指令和数据便可一起放在存储器里 并作同样处理 简化了计算机的结构 大大提高了计算机的速度 1946年7 8月间 冯 诺依曼和戈尔德斯廷 勃克斯在EDVAC方案的基础上 为普林斯顿大学高级研究所研制IAS计算机时 又提出了一个更加完善的设计报告 电子计算机逻辑设计初探 以上两份既有理论又有具体设计的文件 首次在全世界掀起了一股 计算机热 它们的综合设计思想 便是著名的 冯 诺依曼机 其中心就是有存储程序 输入设备 控制器 输出设备 CPU 存储器 运算器ALU 诺依曼计算机的工作原理可概述为 存储程序 程序控制 1 以二进制表示数据和指令 程序 2 先将程序存入存储器中 再由控制器自动读取并执行 1 3基本原理和工作过程 冯 诺依曼型计算机的特征的特 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备组成 数据 地址和指令在机器中均用二进制表示 计算机的最基本功能是执行指令 指令由操作码和操作数组成 把程序和数据一起存储在存储器中 并可以由计算机进行修改 程序按指令顺序存放 存储器 I O接口 输入设备 I O接口 数据总线DB 控制总线CB 地址总线AB 输出设备 CPU 微机的硬件由CPU 存储器 输入 输出设备构成 输入 输出设备通过输入 输出接口与系统相连 输入 输出接口简称I O接口 各部件通过总线连接 构成部件 中央处理器CPU 计算机的核心部件用来实现指令的自动装入和自动执行 实现计算机本身的自动化 地址信号 标志寄存器 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地址寄存器 指令指针寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运算器 IP 数据信号 控制信号 ALU ALU控制器 总线 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输 总线BUS 计算机中传输信息的公共通路称为总线 BUS 按照总线上传输信息的不同 总线可分为 1 数据总线 DB 用来传送数据信息 它主要连接了CPU与各个部件 是它们之间交换信息的通路 数据总线是双向的 而具体的传送方向由CPU控制 2 地址总线 AB 用来传送地址信息 CPU通过地址总线中传送的地址信息访问存储器 通常地址总线是单向的 3 控制总线 CB 用来传送控制信号 以协调各部件之间的操作 内存内存是存储程序和数据的部件 由地址译码器 内存单元等构成 外设和输入 输出接口 I O接口 外设的电信号 运行速度与CPU不匹配 不能与CPU直接相连 必须通过I O接口与CPU相连 微型计算机常用外围设备有显示器 键盘 鼠标器及外存储器 外存中常用的有硬磁盘 硬盘 软磁盘 软盘 和光盘 如果需要还可以根据用户的要求配置打印机 绘图仪 投影仪 同时为了联网 还可以配置调制解调器等通信设备 键盘 键盘接口显示器 显示卡鼠标 串行接口网络 网卡打印机 并行接口音箱 麦可风 声卡 表1 2PC机系列发展表 1 2 1微型计算机的基本配置 表1 2PC机系列发展表 1 2 2微型计算机的指令系统 机器语言机器语言是指机器能直接识别的语言 它是由 1 和 0 组成的一组代码指令 例如 01001001 作为机器语言指令 可能表示将某两个数相加 由于机器语言比较难记 所以基本上不能用来编写程序 汇编语言汇编语言是由一组与机器语言指令一一对应的符号指令和简单语法组成的 例如 ADDA B 可能表示将A与B相加后存入B中 它可能与上例机器语言指令01001001直接对应 汇编语言程序要由一种 翻译 程序来将它翻译为机器语言程序 这种翻译程序称为汇编程序 任何一种计算机都配有只适用于自己的汇编程序 汇编语言适用于编写直接控制机器操作的低层程序 它与机器密切相关 一般人也很难使用 高级语言高级语言比较接近日常用语 对机器依赖性低 是适用于各种机器的计算机语言 目前 高级语言已发明出数十种 下面介绍常用的几种 如表 微型计算机的工作过程CPU进行简单的算术运算或逻辑运算 或从存贮器取数 将数据存放于存贮器 或由接口取数或向接口送数 这些都是一些基本动作 也称为CPU的操作 用微型计算机求解 7 10 这样一个极为简单的问题 必须利用指令告诉计算机该做的每一个步骤 先做什么 后做什么 具体步骤就是 7 ALAL 10 AL 其含义就是把7这个数送到AL里面 然后将AL中的7和10相加 把要获得的结果存放在AL里 把它们变成计算机能够直接识别并执行的程序如下 1011000000000111第