37330-00王移芝-大学计算机4版第3章

第3章硬件平台,学习内容,图灵机理论模型冯诺依曼计算机计算机体系结构计算机实现,学习内容,1.硬件基础,1.硬件基础图灵机理论模型,阿兰图灵是英国著名的数学家，1936年他发表了论可计算数及其在判定问题中的应用，提出了对数字计算机具有深远影响的“图灵机”模型，这一模型对于计算机领域的发展奠定了理论基础。“图灵机”不是一种具体的机器，而是一种思想模型和理论模型。,图灵机模型将输入集合、输出集合、内部状态和程序结合成一种抽象计算模型，可以精确定义可计算函数。可以将多个图灵机进行组合，从最简单的图灵机构造出复杂的图灵机，也可以构建通用图灵机。图灵机模型为计算机领域的发展奠定了理论基础。,图灵机模型概念,1.硬件基础图灵机理论模型,1946年2月15日，第一台计算机ENIAC问世。但是，它的设计存在着一些缺陷，没有最大限度地发挥电子技术的巨大潜力。美籍匈牙利科学家冯诺依曼着手改进这些缺陷，他发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”（EDVAC），并于1950年实现。这也是现代计算机普遍采用的冯诺依曼体系结构。,1.硬件基础冯诺依曼计算机,计算机由五个基本部件组成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备数据和指令采用二进制代码采用“存储程序”方式即事先编制程序（包括指令和数据），将程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序代码和操作数，并加以执行。,冯诺依曼计算机特点,1.硬件基础冯诺依曼计算机,冯诺依曼计算机体系结构,1.硬件基础计算机体系结构,现代计算机硬件组成,1.硬件基础计算机体系结构,在机械计算机的时代，人们将一些零件（如算盘珠子）移动到合适的位置来表示数字。但对电子计算机来说，需要用电信号来表示数字，用电信号来计算。计算机采用二进制主要原因是可靠性高、方便硬件的实现，因为电流的通、断，或电压的高、低正好能够表示二进制的0和1两个数码。我们可以用开关来表示，通过设计来实现半加器、全加器，计算更大的数，进而实现多种计算。,用电信号表示数字,1.硬件基础计算机实现,电磁效应当一根电线有电流通过时，就会在其周围产生微弱的磁场，电能生磁的现象叫做电流的磁效应。继电器就是采用这个原理。数字电路的理论基础1938年，克劳德艾尔伍德香农发表了著名论文继电器和开关电路的符号分析，证明了可以通过继电器电路来实现逻辑运算，还提出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这些奠定了数字电路的理论基础。,数字电路基础,1.硬件基础计算机实现,电子管晶体管集成电路大规模集成电路,每一次变革在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。,元器件发展,1.硬件基础计算机实现,2.微型计算机,认识微机主机系统存储系统输入输出系统,学习内容,微处理器（MicroProcessorUnit）微型计算机（MicroComputer）微型计算机系统（MicroComputerSystem）,微机系统的层次,2.微型计算机认识微机,字长运算速度内存容量外存容量外部设备的配置和扩展能力软件配置,微机的主要性能指标,2.微型计算机认识微机,中央处理器结构,主要功能：控制计算机的操作和处理数据。组成：由控制器、运算器、寄存器、及实现它们之间联系的CPU总线组成。,2.微型计算机主机系统,中央处理器（CPU）,2.微型计算机主机系统,取指周期,执行周期,有间址吗？,间址周期,中断周期,是,是,否,否,有中断吗？,CPU通过指令来响应各部件请求。指令包括操作码和操作数。根据对指令类型的分析和特殊工作状态的需要，引入了指令周期的概念。CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。,中央处理器的指令周期,取指周期间址周期执行周期中断周期,2.微型计算机主机系统,什么是主板主板的主要功能主板主要部件,主板是维系CPU与外部设备之间协同工作的重要部件，是支撑并连接主机内其它部件的一个平台，也是微机系统中最大的一块电路板。,提供安装CPU、内存和各种功能卡的插座；为各种常用外部设备提供通用接口。,芯片组扩展槽输入/输出接口（I/O接口）基本输入输出BIOS和CMOS,主板,2.微型计算机主机系统,芯片组(南桥),典型主板示例,2.微型计算机主机系统,典型主板接口示例,2.微型计算机主机系统,总线（bus）：是一组连接各个部件的公共通信线路，即两个或多个设备之间进行通信的路径，是一种可被共享的传输媒介。总线分类：数据总线（DB）地址总线（AB）控制总线（CB）,总线,2.微型计算机主机系统,为便于不同厂家生产的材料能灵活构成系统形成了总线标准。正式公布的标准：由IEEE(电气电子工程师学会)或CCITT(国际电报电话咨询委员会)等国际组织正式确定和承认，有严格定义。实际的工业标准：由某一厂家提出，而又得到其他厂家广泛使用，这种标准可能还没有经过正式、严格的定义，经过一段时间后而被确定为正式标准。流行的总线和接口标准总线性能的改善对提高计算机的总体性能有极大地影响。现常见有PCI、PCI-E、AGP、USB、IEEE1394等。,总线标准,2.微型计算机主机系统,常用存储器分类,计算机采用多种形式的存储器构成一个存储系统，来进行数据的存储。内存储器和外存储器。,存储系统,2.微型计算机存储系统,存储系统中各存储器的层次关系,2.微型计算机存储系统,主机系统里，内存储器是非常重要的部件，也称为主存储器。它大多采用半导体存储器芯片，用来存放当前运行的程序和数据。,内存储器,2.微型计算机存储系统,是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要装入该存储器中。存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时存储器中的内容才被更新；存储器中的信息会随着计算机的断电自然消失。实现RAM有两种技术：动态RAM（DRAM），适合用做内存；静态RAM（SRAM），适合做高速缓存。,内存储器：随机读/写存储器（RAM）,2.微型计算机存储系统,只能读出不能随意写入信息的存储器，主要用于存放专用或固定的程序和数据。计算机断电后存储器中的数据仍然存在。,内存储器：只读存储器（ROM）,2.微型计算机存储系统,常用外存储器:硬盘、光盘、移动存储器（U盘或活动硬盘）等。硬盘：最主要的外存储器，存储容量大、读写速度快、密封性好、可靠性高、使用方便。U盘：即插即用、价格低廉、性能好，是目前微机最常用的移动存储设备。光盘：随着多媒体技术的推广，光盘以其寿命长、成本低的特点受到人们的欢迎。,外存储器,2.微型计算机存储系统,计算机是如何识别外部设备、实现信息交换和传送呢？端口地址中断,输入输出设备使用端口和计算机连接。为了区分，要对端口进行唯一编码，称为端口地址。,计算机在执行正常程序的过程中，由于外部或内部的种种原因，将会出现一些异常的情况和特殊要求。这就需要计算机暂时中断正在执行的程序，去转去执行预先编好的中断服务程序，等处理完毕后再返回执行原来的程序，这个过程称为中断。,输入输出系统,2.微型计算机输入输出系统,输入输出设备与主机系统实现信息的输入输出。常用输入设备键盘、鼠标等常用输出设备显卡和显示器、打印机、声卡和音箱等其它外部设备扫描仪、数码相机等,输入输出设备,2.微型计算机输入输出系统,认识计算机网络网络协议网络硬件构建计算机网络,学习内容,3.计算机网络,3.计算机网络认识计算机网络,计算机网络，是指将地理位置不同的、具有独立功能的、多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。,什么是计算机网络？,计算机网络发展历程,阶段一：面向终端的计算机网络阶段二：计算机和计算机网络阶段三：计算机网络标准化阶段四：网络互联与Internet时代,3.计算机网络认识计算机网络,功能一：数据传输,功能二：共享资源,功能三：分布式信息处理,计算机网络的功能,3.计算机网络认识计算机网络,局域网（LAN）：覆盖半径通常在几米到几公里城域网（MAN）：覆盖半径通常在几公里到几十公里之间广域网（WAN）：覆盖半径通常在几十公里到几千公里之间互联网（Internet）：在地理范围和网络规模上最大的网络,计算机网络的类型,3.计算机网络认识计算机网络,数据传输率:数据传输率是指单位时间内信道上所能传输的数据量。时延:一个数据包从网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。吞吐量:指单位时间内网络传输的数据量。丢失率:指表示数据传输过程中出错的概率，是出错的比特数与传输的比特总数之比。,计算机网络的性能指标,3.计算机网络认识计算机网络,协议：指通信双方必须遵循的控制信息交换的规则集合，其作用是控制并指导通信双方的对话过程，发现对话过程中出现的差错并确定处理策略。协议组成：由语法、语义、定时规则三个要素组成,网络协议,3.计算机网络网络协议,采用层次化结构具有很多优越性。划分计算机网络层次，其中最著名的是ISO/OSI参考模型和TCP/IP体系结构,网络的层次化结构,3.计算机网络网络协议,服务器（Server）：担负一定数据处理任务和提供资源的计算机称为服务器。服务器是网络运行、管理和提供服务的中枢，直接影响着网络的整体性能。客户机（Client）：又称为用户工作站，一般由微机担任，是被连接在网络中的向服务器提出请求或享用网络资源的计算机。,网络中的计算机设备,3.计算机网络网络硬件,双绞线同轴电缆光纤无线传输介质,网络中的传输介质,3.计算机网络网络硬件,网络接口卡（NIC：NetInterfaceCard），也称为网卡或网板，是计算机与传输介质进行数据交互的部件。调制解调器（MODEM），是调制器和解调器的简称，俗称“猫”。计算机处理的是数字信号，而电话线传输的是模拟信号，调制解调器的作用就是数字信号和模拟信号之间的转换。,网络中的接口设备,3.计算机网络网络硬件,中继