第3章 信息处理机器计算机系统

第3章信息处理机器：计算机系统,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,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）,3.1.2冯诺依曼型计算机的基本结构冯.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”。,3.1.3第一台现代电子数字计算机的诞生1946年2月5日，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3-5）。,3.1.4现代计算机发展的四个阶段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）,3.1.5巨型计算机与矢量计算,对多组数据（每组一般为两个数据）成批地进行同样的运算，得到一批结果的运算方法，即被称为“矢量运算”。,3.2微型计算机系统与微处理器,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。,3.2.2微型计算机硬件系统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3-15）。,3.2.3微处理器-给你一颗奔腾的”芯”微处理器(Microprocessor)在微型计算机中又称为CPU（中央处理单元的缩写)，人们又经常简称为处理器(Processor)（图3-17）。,随着微处理器设计、制造技术的不断提高和更新换代，推动了微机系统的迅猛发展（图3-18）。目前，微机的性能在某些方面已经达到甚至超过了小型机,并且普遍采用双核处理器。,3.3计算机存储系统及工作原理,3.3.1半导体存储器及其存储单元寻址半导体存储器（semiconductormemory）是一种能存储大量二值信息(或称为二值的数据)的半导体器件。从存取功能上可以分为只读存储器(ROM，即ReadOnlyMemory)和随机存储器(RAM，即RandomAccessMemory)两大类。,RAM控制器负责向RAM芯片输出行地址还是列地址，行与列地址的信息由RAS（RowAddressSelect）或CAS(ColumnAddressSelect)信号确定。,当CPU处理信息时，需要将信息存储到RAM中。如果需要将数据“写”到RAM中，则处理器会发出一个“写”信号到CPU中，通过系统总线，到达RAM单元。这些RAM单元然后就按行或列地址将这些信息数据存储到指点定的栅格中。当CPU需要读取RAM中的数据，则会向RAM发出请求信号，这些信号中包含地址信息，以确定数据在那些栅格中的位置。,3.3.2只读存储器-ROMROM可分为掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM和快闪存储器等几种不同类型。掩模ROM是采用掩模工艺制作而成，在出厂时内部存储的数据就已经固化在里边了，所以数据不允许用户修改。PROM指的是“可编程只读存储器”这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”,EPROM指的是“可擦写可编程只读存储器”。它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。EEPROM指的是“电可擦除可编程只读存储器”，它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。,Flashmemory指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点。,3.3.3随机存储器-RAMRAM又分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两大类,1.静态随机存储器的工作原理计算机系统工作时，将运行时要经常存取的一些数据从系统内存读取到Cache中，而CPU会首先到Cache中去读取数据（或写入数据），如果Cache中没有所需数据（或Cache已满，无法再写入），则再对系统内存进行读写，另外Cache在空闲时也会与内存交换数据，如图3-22所示。,2.动态存储器的工作原理动态随机存储器DRAM需要定时充电，即通常所说的刷新，来保持数据的完整性，通常用来组成大容量的内存储器。,3.3.4非易失性存储器非易失性存储器，那就是指那些断电后数据仍然能保留的半导体存储器。对这类存储器，业界统称为非易失性随机访问存储器（NVRAM，Non-VolatileRandomAccessMemory）。在多种NVRAM产品中，以闪存（FlashMemory）技术最为引人注目。闪存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。,3.3.5磁存储器1.磁存储原理磁存储的关键部件是磁头，磁头的基本结构是在一个环形导磁体上绕上线圈，导磁体面向磁盘方向开一个漏磁缝隙，当磁头线圈中通以交变信号电流时，导磁体内的磁通量也跟着产生变化，这个交变的磁场从磁头缝隙中泄漏出去，使做匀速运动的磁盘表面上的磁介质感应磁化。磁化后在磁盘上的磁化点(磁元)就代表了所要记录的数据，这是做记录的基本工作原理。,2.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3-25）。,3.磁盘阵列磁盘阵列是将若干个硬磁盘机按一定的要求组成一个快速、超大容量的存储系统，数据是分配存储在各个硬磁盘机上。磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术,目前常用的标准是RAID0RAID5。RAID1通常称为镜像结构。,3.3.6光盘存储系统1.光存储介质的概念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。当前几乎所有的光存储器都检测反射光而不是透射光。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3-27所示。,2.光盘与光盘存储系统通常意义上所说的光盘只是一个统称，用英文CD表示，意为高密盘。光盘可分成两类，一类是只读型光盘，另一类是可记录型光盘。微机上的光盘存储系统由光盘和光盘驱动器组成，对于大容量存储，还可以采用光盘库。,3.只读光盘存储器只读光盘中的数据是用压模方法压制而成的，用户只能读取上面的数据，而不能写入或修改光盘中的数据。它适用于大量的、通常不需要改变的数据信息存储。为了提高存储容量，只读DVD盘（DVD-ROM）可分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层4种结构，如图3-29所示。,DVD单面双层盘的最里层称为第一层，表层称为第二层，该层采用了一种新的半透明薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第一层，如图3-30所示。通过采用这些技术，单面双层DVD盘的容量可达到8.5GB，双面双层DVD盘的容量可达到17GB。,4.多次可写光盘存储器这种光盘允许用户一次或多次写入数据，并可随时往盘上追加数据，直到盘满为止。信息写入后则变成只读状态，不可再作修改，主要用于重要数据的长期保存。目前得到了广泛应用的CD-R就属于这类光盘。,5.可重写光盘存储器可重写光盘具有磁盘一样的可重写性，可多次写入或修改光盘上的数据，更适合作为计算机的新型标准外存设备，目前有磁光（Magneto-Optical）和相变（Phase-Change）和两种类型。磁光型光盘工作原理如图3-32所示。,相变光盘是利用激光使记录介质在结晶态和非结晶态之间的可逆相变结构来实现信息的记录和擦除。,3.4计算机输入/输出设备,3.4.1计算机输入设备1.键盘2.鼠标3.扫描仪4.触摸屏5.手写输入设备6.数码相机7.数字摄像机,3.4.2输出设备1.显示器,2.打印机,3.绘图仪,3.5微型计算机的总线及接口标准,3.5.1计算机总线总线（BUS）是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分（图3-47）,用于连接CPU、主存和I/O控制器的总线称为外部设备总线或外部总线，简称为总线。常见的总线有ISA（工业标准体系接口）总线、PCI（外部设备互连）总线、SCSI（小型计算机系统接口）总线等，它们的传输速度一个比一个快。,3.5.