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第2章计算机体系结构 地居一郡楼台上 人在半空烟雨中 ENIAC电子计算机 埃克特为ENIAC换电子管 4 一 信息工具 计算机二 计算机的工作原理三 微机系统及其主要指标四 嵌入式计算机系统五 计算机应用 本章要点 5 一 信息工具 计算机 中国最早的计算工具 算筹 公元600年左右 我国出现新的计算工具 算盘 17世纪欧洲出现计算尺和机械式计算机 19世纪英国数学家巴贝奇提出通用计算机的基本设计思想 19世纪中叶 英国数学家布尔创立了布尔代数 1937年英国数学家图灵提出了著名的 图灵机 的模型 美国计算机协会设有图灵奖 世界上第一台电子数字计算机ENIAC于1946年底在美国宾夕法尼亚大学诞生 使用18000个电子管元件 占地170M2 功率150KW 重量30T 它的加法速度为每秒5000次 起源与发展 6 2 1信息工具 计算机 中国最早的计算工具 算筹 算筹 表示数的方法 用纵式表示个位 百位 万位 用横式表示十位 千位 十万位 如果遇到 0 数 则空位不摆算筹 十进位制 从右到左 算筹可以表示任何自然数 还能够进行加 减 乘 除 乘方 开方等复杂的计算问题 想出了用一粒粒算珠代替筹棒 用细棒把算珠穿起来 固定在木框上 用手指拨动算珠代替移动筹棒 这样 算盘 就发明了 7 2 1信息工具 计算机 巴贝奇于19世纪20年代制造的差分机 巴贝奇于19世纪30年代制造的分析机 8 一 信息工具 计算机 发展 9 一 信息工具 计算机 1956开始研究 1958年研究出第一台电子管计算机1964年 晶体管计算机 1971年 集成电路计算机1983年 银河 巨型机 运算速度每秒1亿次1995年 曙光1000 研制完成1997年 银河 巨型机 运算速度每秒130亿次2008年 曙光5000A研制成功 继美国后第二个成功研制浮点速度在百万亿次的超级计算机 2010年 国际超级计算机大会公布中国超级计算机 星云 是世界第二快的计算机 仅仅排在美国克雷公司的 美洲豹XT5 之后 2010年 经过一年时间全面的系统升级后 天河一号 在第36届全球超级计算机五百强排名中夺魁 实测运算速度可达每秒2570万亿次 2013年6月17日 在德国 2013国际超级计算机大会 上 由中国国防科技大学开发的 天河二号 以持续计算每秒3 39千万亿次的优越性能位居榜首 2015年7月13日在德国举行的2015年国际超级计算机大会上发布全球超级计算机500强最新榜单 天河二号 以每秒33 86千万亿次的浮点运算速度第五次蝉联冠军 我国计算机的发展 10 一 信息工具 计算机 发展 特点 运算速度每隔几个月提高一个数量级 其他计算工具无法比拟的 日本NEC的 地球模拟器 35860GFlops 每秒十亿次浮点运算 我国联想的深腾6800也达到了4183GFlops 曙光公司的曙光4000 运算速度甚至达到10000GFlops 是区别于其他计算工具的重要特征 计算机的存储器可以把原始数据 中间结果 运算指令等存储起来以备随时调用 通用性是计算机能够应用于各种领域的基础 任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算术运算和逻辑操作 计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则 算法 写成一系列操作指令 加上运算所需的数据 形成适当的程序就可以完成各种各样的任务 计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的 计算机的可靠性很高 差错率极低 一般来讲只在那些人工介入的地方才有可能发生错误 11 一 信息工具 计算机 分类 根据信息表示形式和处理方式的不同 计算机可分为 按用途 按规模 速度 功能 12 一 信息工具 计算机 应用 科学研究和工程设计 尤其尖端科学 对数据收集 分类 排序 存储 计算 传输 制表 过程控制是指对操作数据进行实时采集 检测 处理和判断 按最佳值进行调节的过程 CAD CAM CAT CAE集成系统 使设计 制造 测试 工程管理有机地组成一体 形成高度的自动化系统 因此产生了自动化生产线和 无人工厂 计算机模拟人类某些智力行为的理论 技术和应用 是一个新的应用领域 正处于发展阶段 在医疗诊断 定理证明 语言翻译 机器人等方面 已有了显著的成效 把文本 音频 视频 动画 图形和图像等各种媒体综合起来 构成 多媒体 Multimedia 13 一 信息工具 计算机 发展趋势 指发展高速的 大存储量和强大功能的巨型计算机 研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志 指利用微电子技术和超大规模集成电路技术 把计算机的体积缩小 价格降低 功能增强 嵌入式系统通常将微小的计算机系统埋藏在宿主设备中 利用现代通讯技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来 组成一个规模更大 功能更强的可以互相通信的网络结构 实现软 硬件和数据资源的共享 指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力 计算机成为智能计算机 包括模拟识别 物形分析 自然语言的生成和理解 博弈 定理自动证明 自动程序设计 专家系统 学习系统和智能机器人等 14 二 计算机的工作原理 冯 诺依曼结构 计算机硬件由五个基本部分组成并规定了这五部分的基本功能 15 二 计算机的工作原理 二进制与存储程序 采用二进制 存储程序方式 二进制只有 0 和 1 两个数字 易实现 运算规则简单 简化结构 运算速度提高 算术运算规则逻辑运算规则存储程序原理冯 诺依曼思想的核心内容 就是把程序和数据都以二进制编码预先按一定顺序存放到计算机存储器里 16 二 计算机的工作原理 CPU CPU 中央处理器 计算机内部完成指令读出 解释和执行的重要部件 第一块微处理器1971年由Intel生产 4位 32位 64位 不到1MHz 数亿MHz 集成2200个晶体管 集成亿个晶体管 Intel公司推出了32位Pentium 它的外部数据总线为64位 工作频率为66 200MHz 以后的PentiumPro PentiumMMX PentiumII和PentiumIII芯片都是先进的32位高档微处理器芯片 17 二 计算机的工作原理 CPU 为了协调CPU与RAM之间的速度差而引入的 Cache通常采用与CPU速度相接近的RAM L1和L2 18 二 计算机的工作原理 CPU 指令 计算机执行某种操作的命令称为指令 通常一条指令对应一种基本操作 结构为 19 二 计算机的工作原理 CPU 指令 计算机执行某种操作的命令称为指令 通常一条指令对应一种基本操作 指令集 指令系统 一台计算机中所有机器指令的集合 是表征一台计算机性能的重要因素 它的格式与功能直接影响到硬件结构 系统软件 机器的适用范围 系列计算机 指基本指令系统相同 基本体系结构相同的一系列计算机 同一系列的各机种有共同的指令集 实现 向上兼容 20 二 计算机的工作原理 CPU 指令 指令集风格 指令系统复杂 绝大多数指令需要多个机器周期执行完 指令数量有限 但是这些指令的执行速度很快 RISC的设计思想是 将那些不是最频繁使用的功能 指令 由软件来加以实现 这样就可以优化硬件 并可使其执行得更快 21 二 计算机的工作原理 CPU 指令 指令周期示意图 取出并执行一条指令的时间 内存中读取一个指令字的最短时间 22 二 计算机的工作原理 CPU 指令 CPU的性能 CPU的时钟频率 由控制器内时钟发生器所用的石英晶体振荡器的频率决定 CPU每秒钟平均能运行的次数 是衡量微机运行速度的一个重要指标 单位是MHz 主频 外频 倍频 系统总线的工作频率 CPU外频与主频相差的倍数 CPU正常工作所需的电压 早期一般为5V 随着CPU主频的提高 CPU工作电压逐步下降 23 二 计算机的工作原理 CPU 指令 CPU的性能 指CPU与二级 L2 高速缓存和内存之间的通信速度 局部总线 VESA或PCI总线 接口卡的工作速度 CPU与L2 内存以及I O设备一次数据传输的信息量 决定了CPU可以访问的物理地址空间 24 二 计算机的工作原理 CPU 指令 CPU的性能 加快特定类型的数值计算 复杂计算的软件需它的支持 指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令 提高CPU的运行效率 Cache由静态RAM组成 结构较复杂 而CPU芯片面积不能太大 L1不可能做得太大 对读和写操作均有效 速度较快 25 二 计算机的工作原理 存储器是计算机中具有记忆能力的部件 根据地址接收和保存指令和数据 基本操作有 数据的存取方法是按址存取 常用单位有 千字节 KB 兆字节 MB 吉字节 GB 26 二 计算机的工作原理 RAM 特点 RAM既可读出信息又可写入信息 主要用于临时保存数据 优点 存取速度快 存储体积小 可靠性高 缺点 断电后所存的信息会丢失 数据的存储 一个电容代表一个二进制位 一个字节使用8个电容 通过改变电容的状态来存储数据 电容充电表示1 放电表示0 27 二 计算机的工作原理 RAM CMOS 1 CMOS缩写CMOS是互补金属氧化物半导体的缩写 是制造大规模集成电路芯片用的一种技术 2 CMOS存储器的功能是主板上一块可读写的存储芯片 存储了微机系统的时钟信息和硬件配置信息 系统引导时 用来初始化各个部件的状态 CMOS存储器本身只有数据保存功能 一般128B或256B 各项参数的设定要通过专门的程序 多数厂家将CMOS设置程序做到了BIOS芯片中 因此CMOS设置又叫做BIOS设置 可手动设置或自动更新 CMOS使用电池供电 关闭电源信息不会丢失 28 二 计算机的工作原理 ROMBIOS 是主板上存放基本输入输出程序的只读存储器 功能是微机上电自检 开机引导 基本外设I O和CMOS设置 惟一的贴有标签 保护BIOS内容 防止紫外线照射 多数上面印有 BIOS 586以前的BIOS多为可重写EPROM芯片 以后的多采用EEPROM 通过跳线开关和系统配带的驱动程序盘 可以对EEPROM进行重写 实现BIOS升级 常见的BIOS芯片有AMI Award Phoenix等 29 二 计算机的工作原理 ROM 可靠性高 集成度高 价低 但不能重写 ROM常用于存放固定的程序和数据 即使电源被切断 ROM中的信息也不会丢失 30 二 计算机的工作原理 为了提供比实际物理内存还多的内存容量 Windows操作系统占用硬盘上的一部分空间作为虚拟内存 操作系统用虚拟内存来动态管理运行时的交换文件 分页文件 虚拟内存不仅解决了存储容量和存取速度之间的矛盾 而且也是管理存储设备的有效的方法 设置 控制面板 系统 右击我的电脑 属性 高级选项卡 性能设置 高级 虚拟内存更改 更改后要重启系统 通常增大不要求重启 虚拟内存 31 二 计算机的工作原理 外存 软盘和硬盘 磁带 都是利用磁存储原理来存储数据的 用电子方法可以控制磁盘表面的磁化 以达到记录信息的目的 32 二 计算机的工作原理 外存 1 软盘 1 构成 两面涂有磁性氧化物的聚酯薄膜圆片 2 规格 5 25英寸和3 5英寸 防尘防损 写保护孔的作用 3 磁道 扇区 簇 容量的计算磁道 盘片上分成的若干个同心圆 磁道号从外向里依次为0 1 2 扇区 每个磁道被分为若干个弧段 每一个弧段为一个扇区 是存放数据的最小介质单位 扇区长度不等 可存放相同数量的信息 512字节 簇 包括一个或数个扇区 33 二 计算机的工作原理 外存 1 软盘 2 硬盘 硬盘安装在主机内 也称固定盘 硬磁盘存储器盘片的盘基采用铝合金 比较坚硬 也叫温盘 是采用温彻斯特 Winchester 技术的小型密封组合式磁盘的简称 为了避免磁盘污染引起磁头故障 硬盘被密封在保护壳中 磁盘猛烈的震动也会引起磁头故障 写入数据是磁头对可磁化单元进行磁化 硬盘精度高 容量大 速度快 结构复杂 但携带不便 价格较高 34 二 计算机的工作原理 外存 1 软盘 2 硬盘 3 磁带存储器 由磁带机和磁带两部分组成 磁带是线性存储设备 不利于高速存取 但其单位存储成本低 容量扩展灵活方便 介质尺寸小 可靠性高且宜保存 适合对数据备份 磁带记录格式已从单一线性模拟记录发展到线性和螺旋扫描两大阵营 单盘磁带容量达到几十GB 保存时间20年以上 35 二 计算机的工作原理 外存 1 软盘 2 硬盘 3 磁带存储器 CD ROM是一种只读存储器 存储容量大 时间长 可靠性高 不易损坏 携带方便 容量一般为650MB CD ROM上的数据通过激光在介质表面烧蚀出凸凹来记录 边界代表 1 平面代表 0 使用光驱读出信息 据光驱传输数据的速率分为单 2 4 8 12倍速 单倍速只数据的传输速率是150KB s 与音频CD相同 不能连续播放VCD 一次写入型 WORM 可擦写光盘 都需光盘刻录机 4 光盘 36 二 计算机的工作原理 外存 1 软盘 2 硬盘 3 磁带存储器 4 光盘 5 USB和U盘 USB UniversalSerialBus 通用串行总线 不是新总线标准 是电脑系统连接外围设备 如键盘 鼠标 打印机等 的输入 输出接口标准 在USB方式下 外设机箱外连接 热插拔 采用 级联 方式 这样 一个USB控制器可以连接127个外设 外设间距离 线缆长度 可达5米 U盘 用半导体集成电路制成 又称 优盘 用 闪存 作存储介质 可反复存取数据 直接插入USB插口 不需另外的硬驱设备 使用时 数据读取速度可达480KB s 可靠性高 保存期可达10年 37 三 微机系统及其主要指标 微机分类 1 单片机 2 单板机 3 PC 4 便携式微机 38 三 微机系统及其主要指标 主机主要包括主板 硬盘驱动器 软盘驱动器 CD ROM驱动器 电源 风扇 各种外设的适配器 接口板 等 系统内部结构 39 三 微机系统及其主要指标 主板是一块印刷电路板 又称系统板 母板 装有组成电脑的主要电路系统 是硬件系统的核心 维系CPU与外部设备之间协同工作 不出差错 系统内部结构 40 三 微机系统及其主要指标 扩展槽 扩展槽用于连接各种功能的适配器 如显示卡 声卡等 扩充电脑的功能 主板一般装有3 4个PCI槽 2 3个ISA槽 还有一个AGP槽一般接图形加速卡 41 三 微机系统及其主要指标 适配器 适配器是外设与总线和微处理器连接的接口电路 插在I O扩展槽上与总线相连 据连接设备和功能不同 常称为 某某卡 42 三 微机系统及其主要指标 接口是计算机的CPU和外部设备之间的连接通道 接口也泛指任意两个系统之间的交接部分 两个系统之间的连接线路 接口程序 共同访问的存储区等 接口能传送数据 文件 状态信息或控制信息 在微机中 硬件接口可分为串行接口和并行接口及DMA接口 为I O设备和存储器间交换数据 减少CPU介入 提高运算速度 扩展接口通常在适配器上 外设通过接口和I O总线与CPU相连 CPU对外设的控制和信息交换要通过接口来实现 扩展接口 43 三 微机系统及其主要指标 接口图 44 三 微机系统及其主要指标 微机的主要性能指标 取指1 单处理器 译码1 执行1 指令计数器加1 取指2 译码2 指令计数器加1 取指3 流水线技术加速了处理速度 多核心处理器 在一块CPU基板上集成两个或多个处理器核心 并通过并行总线将各处理器核心连接起来 多任务处理器成为市场的主流 执行2 45 三 微机系统及其主要指标 微机的性能 计算机一次存取 加工和传送的一组二进制位数 是衡量计算机性能的重要指标 决定CPU的寄存器和总线的宽度 综合性的性能指标 由主频 字长 内存容量 存取周期决定 单位是MIPS 每秒106条指令 和BIPS 109 内存中能存储信息的总字节数 46 三 微机系统及其主要指标 微机的其他性能 衡量计算机系统的性能指标很多 除列举的主要指标外 还应考虑 47 三 微机系统及其主要指标 常用的外部设备 外设有外存 磁盘驱动器 磁带机 光盘等 和键盘 鼠标器 打印机 扫描仪 数码相机 绘图仪 调制解调器等I O设备 1 鼠标 鼠标器是一种屏幕光标控制器 通过串行口 PS 2或USB与微机相连 在计算机绘图和窗口 菜单选择等场合很有用 48 三 微机系统及其主要指标 常用的外部设备 1 鼠标 2 显示器和打印机 体积小巧 重量轻 能耗低 无辐射 无闪烁 图像质量低 价高 分辨率是显示器的性能描述 例如 像素与像素之间的距离为0 33mm 即指800 600的分辨率 而0 28mm则指1024 768的分辨率 49 三 微机系统及其主要指标 常用的外部设备 1 鼠标 2 显示器和打印机 50 三 微机系统及其主要指标 常用的外部设备 1 鼠标 2 显示器和打印机 3 扫描仪和数码相机 扫描仪 Scanner 是文字和图片输入的主要设备之一 依靠光学扫描机构和有关的软件 如识别字符的OCR 识别图像的ImageProcessingSystem等 把大量的文字或图片信息扫描到计算机中 据扫描仪的形状可分为台式和手持式两种 20世纪90年代以来 扫描技术发展迅速 彩色扫描仪代替了黑白扫描仪 扫描仪的主要性能指标是分辨率和彩色位数 低档扫描仪的分辨率约为300 600dpi dpi表示每英寸点数 高档的可达4800 9600dpi 可实现48位色彩输入 获取的图像色彩更加丰富 真实 51 三 微机系统及其主要指标 常用的外部设备 1 鼠标 2 显示器和打印机 3 扫描仪和数码相机 数码相机采用光电子技术摄取静止图像 摄取的光信号由电荷耦合器 ChargeCoupledDevice 简称CCD 成像后变换成电信号 保存在CF卡 CompactFlash 或SM卡 SmartMedia 上 将其与计算机的USB通信端口连接 可将拍摄的照片转储到计算机内进行编辑 分辨率是最重要的性能指标 用图像的绝对像素数来衡量 取决于