计算机硬件与集成

1、计算机硬件与集成任课老师：袁学，助课老师：王 成绩=平时成绩+试卷成绩 平时成绩平时成绩试卷成绩试卷成绩出勤， 课堂作业展示 50% 50%基础概念普及基础概念普及上一页上一页微型计算机系统微型计算机系统 一台完整的计算机系统包括计算机的硬件系统和软件系一台完整的计算机系统包括计算机的硬件系统和软件系统。统。 硬件（硬件（Hardware）是整个计算机系统的物质基础，是计）是整个计算机系统的物质基础，是计算机系统中实际装置的总称。算机系统中实际装置的总称。 软件（软件（Software）则是指在计算机上运行的所有程序及其）则是指在计算机上运

2、行的所有程序及其文档资料，包括系统软件和应用软件两大类。文档资料，包括系统软件和应用软件两大类。 上一页上一页计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 从外观上看，微型计算机系统硬件主要包括五大部分：从外观上看，微型计算机系统硬件主要包括五大部分： 主机箱：计算机中几乎所有的重要部件都在主机箱中，主机箱：计算机中几乎所有的重要部件都在主机箱中，如中央处理器（如中央处理器（CPU）、主板、内存储器、硬盘驱动器、光）、主板、内存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器（盘驱动器（CD-ROM或或DVD-ROM）、声卡、显示卡，以）、声卡、显示卡，以及电源等。及电源等。 显示器：是微机系统必须配备的信息输出设备

3、显示器：是微机系统必须配备的信息输出设备 。 键盘键盘：是计算机重要的信息输入设备，是微型计算机系：是计算机重要的信息输入设备，是微型计算机系统必配的外部设备。统必配的外部设备。 鼠标器：是现代微机必不可少的输入设备鼠标器：是现代微机必不可少的输入设备 。 音箱：计算机的发音设备音箱：计算机的发音设备 。 上一页上一页微型计算机系统硬件的组成成分微型计算机系统硬件的组成成分机箱机箱显示器显示器键盘、鼠标键盘、鼠标音箱音箱 主板（主板（mainboard）：是）：是PC机硬件系统的核心。它的作机硬件系统的核心。它的作用是将计算机的各个部件有机地整合在一起。用是将计算机的各个部件有机地整合在一起。

4、CPU、内存储、内存储器、显示卡和声卡等直接安插在主板上，硬盘驱动器、软盘器、显示卡和声卡等直接安插在主板上，硬盘驱动器、软盘驱动器、光驱、键盘、鼠标器等外部设备则通过缆线、接口驱动器、光驱、键盘、鼠标器等外部设备则通过缆线、接口与主板相连，主板上还安装了组成计算机的主要电路系统，与主板相连，主板上还安装了组成计算机的主要电路系统，如如I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯接插件、控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯接插件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。 CPU：计算机的核心部件。主要是用来进行数据的计算、：计算机的

5、核心部件。主要是用来进行数据的计算、处理和控制，处理和控制，CPU的好坏，往往反映出整个计算机系统性能的好坏，往往反映出整个计算机系统性能的高低。的高低。 上一页上一页主机箱内安装的主要部件主机箱内安装的主要部件主板主板BIOSCMOS 内存储器：计算机的重要组成部分，是微机运行程序内存储器：计算机的重要组成部分，是微机运行程序时用于快速存放程序和数据的载体，它都是由半导体大规时用于快速存放程序和数据的载体，它都是由半导体大规模集成电路存储芯片组（模集成电路存储芯片组（ROM和和RAM）组成，做成内存条）组成，做成内存条的形式安装在主板上的的形式安装在主板上的SIMM接口槽或接口槽或DIMM接

6、口槽中。接口槽中。 显示卡：工作在显示卡：工作在CPU和显示器之间，是直接安插在主和显示器之间，是直接安插在主板上的一块印刷电路板卡，其基本作用是控制计算机的图板上的一块印刷电路板卡，其基本作用是控制计算机的图形输出。显示卡负责将形输出。显示卡负责将CPU送来的图像数据处理成显示器送来的图像数据处理成显示器可以了解的格式，再送到显示器形成图像。显示卡简称显可以了解的格式，再送到显示器形成图像。显示卡简称显卡，又称图形加速卡，它是我们从微机中获取图形、图像卡，又称图形加速卡，它是我们从微机中获取图形、图像信息的最重要途径。信息的最重要途径。上一页上一页主机箱内安装的主要部件（续主机箱内安装的主要

7、部件（续1）内存内存FPMEDOSDRAMRDRAMDDRDDR2 for NotebookDDR3DDR2显示卡显示卡Nvdia 8800GT/9800GTAMD（ATI） Radeon HD 4850 声卡：声卡是计算机的发音设备，它与计算机箱内置声卡：声卡是计算机的发音设备，它与计算机箱内置的小喇叭不一样，小喇叭是用来发出某些警告或提示信号的小喇叭不一样，小喇叭是用来发出某些警告或提示信号的，而声卡则是为多媒体计算机配置的。现在的微机几乎的，而声卡则是为多媒体计算机配置的。现在的微机几乎都是多媒体计算机，为了让其发出优美的声音，必须配置都是多媒体计算机，为了让其发出优美的声音，必须配置声

8、卡和音箱。声卡和音箱。 硬盘：硬盘是一种用来储存数据的外部设备，被称为硬盘：硬盘是一种用来储存数据的外部设备，被称为数据仓库。硬盘里面存放着计算机的灵魂数据仓库。硬盘里面存放着计算机的灵魂软件，包括软件，包括操作系统和各种各样的应用软件。硬盘的存储容量可以说操作系统和各种各样的应用软件。硬盘的存储容量可以说是目前存储器中最大的存储设备。是目前存储器中最大的存储设备。 软盘驱动器：软盘驱动器曾是微机中常用的外存储设软盘驱动器：软盘驱动器曾是微机中常用的外存储设备，一般简称为软驱，用来存储用户运行的程序和文档，备，一般简称为软驱，用来存储用户运行的程序和文档，现在已经逐渐趋于淘汰。现在已经逐渐趋于

9、淘汰。 上一页上一页主机箱内安装的主要部件（续主机箱内安装的主要部件（续2）声卡声卡AUDIGY 2 ZSXMODSound Blaster X-Fi Elite Pro Tank HiFi 集成声卡芯片集成声卡芯片 硬盘和软驱硬盘和软驱IDE 3.5 HDSATA 3.5 HDSATA 2.5 HD CD-ROM驱动器或驱动器或DVD-ROM：简称光驱，是重要的：简称光驱，是重要的存储设备，存储设备，CD-ROM的容量为的容量为650MB。 电源：机箱中都安装由电源（电源：机箱中都安装由电源（Power Supply Unit），），它的功能是将市电（交流电）转换为微机工作所需要的直它的功能

10、是将市电（交流电）转换为微机工作所需要的直流电，它是一种电气行业中所说的开关电源。微机电源分流电，它是一种电气行业中所说的开关电源。微机电源分为为AT、ATX等标准，现在微机上普遍使用等标准，现在微机上普遍使用ATX电源。电源。上一页上一页主机箱内安装的主要部件（续主机箱内安装的主要部件（续3）光驱光驱内置光驱内置光驱 DVD-R/RW外置光驱外置光驱超薄外置光驱超薄外置光驱DVD-R/RW内置笔记本光驱内置笔记本光驱内置光驱内置光驱 DVD-R/RW电源电源航嘉台式机电源航嘉台式机电源笔记本电源拆解笔记本电源拆解台式机电源拆解台式机电源拆解笔记本电源笔记本电源一、计算机诞生中的三个第一：一、

11、计算机诞生中的三个第一：l世界上第一台投入运行的电子计算机世界上第一台投入运行的电子计算机 ENIAC, 1946.2 , 美国美国l世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算机世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算机 EDVAC，1946-1950，美国美国l世界上第一台投入运行的实现存储程序控制的计算世界上第一台投入运行的实现存储程序控制的计算机机 EDSAC，1947-1949，英国英国 计算机时代的开始：以计算机时代的开始：以1951年年 UNIVAC-投入运行为标投入运行为标志，第一台批量生产的商用计算机，从此，计算机走向社志，第一台批量生产的商用计算机，从此，计算机走向社会。会。上

12、一页上一页1.3.1 计算机系统的发展计算机系统的发展 ENIACEDVACUNIVACEDSAC二、计算机发展的分代二、计算机发展的分代以计算机硬件所使用的逻辑器件作为划分以计算机硬件所使用的逻辑器件作为划分“代代”的依据。的依据。l第一代第一代电子管电子管计算机时代（计算机时代（1946.21946.25050年代年代后期）后期）vacuum tube computer l第二代第二代晶体管晶体管计算机时代（计算机时代（5050年代中期年代中期6060年代中期）年代中期）transistor computer l第三代第三代中小规模集成电路中小规模集成电路计算机时代（计算机时代（6060年

13、代年代中期中期7070年代初）年代初）middle and small scale integrated circuit l第四代第四代大规模超大规模集成电路大规模超大规模集成电路计算机时代计算机时代（70年代初年代初现在）现在）large and very large scale integrated circuit上一页上一页1.3.1 计算机系统的发展（续计算机系统的发展（续1） 计算机第一定律计算机第一定律摩尔定律摩尔定律 1965年，美国人戈登年，美国人戈登摩尔摩尔(Gordon Moore)在准备一个关在准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告整理资料时，发现了一个于计算机存储器发展

14、趋势的报告整理资料时，发现了一个惊人的趋势。每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，惊人的趋势。每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的1824个月。个月。计算机的处理能力相对于时间周期将呈指数式的上升。计算机的处理能力相对于时间周期将呈指数式的上升。这就是著名的这就是著名的摩尔定律摩尔定律，该定律成为许多工业对于性能预，该定律成为许多工业对于性能预测的基础。测的基础。上一页上一页 冯冯诺依曼结构为现代电子数字计算机的发展奠定了基础。现代计算诺依曼结构为现代电子数字计算机的发展奠定了基础。现代计算机基本上仍然沿用这一基本思

15、想。机基本上仍然沿用这一基本思想。 冯冯诺依曼结构的特点是：诺依曼结构的特点是： 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。组成。 数据和程序都以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存数据和程序都以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也以二进制代码形式表示。放位置由地址指定，地址码也以二进制代码形式表示。 控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有

16、判断个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。 冯冯诺依曼结构的核心思想是诺依曼结构的核心思想是“存储程序存储程序”，这种结构的优点是结构，这种结构的优点是结构比较简单，便于控制，实现容易。比较简单，便于控制，实现容易。 上一页上一页冯冯诺依曼结构诺依曼结构 冯冯诺依曼结构诺依曼结构计算机的发展趋势计算机的发展趋势l巨型化巨型化l微型化微型化l网络化网络化l智能化智能化l多媒体计算机多媒体计算机进入进入20世纪世纪90年代以后，计算机开始向年代以后，计算机开始向“巨巨”(巨型化巨型化)、“微微”

17、(微小化微小化)、“网网”(计算机网络化计算机网络化)、“智智”(计算机智计算机智能化能化)、“多多”(多媒体计算机多媒体计算机)的方向发展。的方向发展。上一页上一页 是否能够研制运算速度达每秒几百亿次甚至上万亿次、是否能够研制运算速度达每秒几百亿次甚至上万亿次、存储容量很大、并且功能非常强大的巨型计算机，是一个存储容量很大、并且功能非常强大的巨型计算机，是一个国家综合实力是否强大的标志。美国和日本凭借自己的经国家综合实力是否强大的标志。美国和日本凭借自己的经济实力，研制了这样的计算机，想以此称霸世界。济实力，研制了这样的计算机，想以此称霸世界。 1975年世界上第一台超级计算机年世界上第一台

18、超级计算机“Cray-1” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探、卫星图像处理、核武器、反导弹武器、空间技术质勘探、卫星图像处理、核武器、反导弹武器、空间技术等要求计算机有很高处理速度和很大容量的领域。等要求计算机有很高处理速度和很大容量的领域。 上一页上一页1.3.1 计算机系统的发展（续计算机系统的发展（续4） 中国的超级计算机：中国的超级计算机：“银河银河1号号”、 “银河银河2号号”、 “银银河河3号号”；“曙光曙光1000”、 “曙光曙光2001”；“神威神威”；中；中国制造成功近万亿次计算机国制造成功近万亿次计算机2

19、002年年8月月29日，名为日，名为“深深腾腾1800”的万亿次（的万亿次（1.0TFLOP/s）联想高性能计算机诞生联想高性能计算机诞生 。2004年由曙光公司研制成功曙光年由曙光公司研制成功曙光4000A，运算速度达到，运算速度达到8.061万亿次浮点运算，蜂值运算速度可达到每秒万亿次浮点运算，蜂值运算速度可达到每秒11.264万亿次浮万亿次浮点运算。使我国成为世界上为数不多的能研制巨型计算机点运算。使我国成为世界上为数不多的能研制巨型计算机的国家之一。的国家之一。“神威神威”和和“深腾深腾1800”的研制成功，是我国的研制成功，是我国在巨型计算机研制和应用领域取得的重大成果，是中国在巨型

20、计算机研制和应用领域取得的重大成果，是中国IT企业群体发展历程中的一块里程碑。它标志着中国成为继企业群体发展历程中的一块里程碑。它标志着中国成为继美国、日本之后，世界上第三个具备研制高性能计算机能美国、日本之后，世界上第三个具备研制高性能计算机能力的国家。力的国家。 。上一页上一页1.3.1 计算机系统的发展（续计算机系统的发展（续5） 上一页上一页1.3.1 计算机系统的发展（续计算机系统的发展（续6） 高性能计算机高性能计算机 ：高性能计算机是指处理量大、运算速度：高性能计算机是指处理量大、运算速度快的计算机领域的高尖端产品，是现代大型建设与研究项目快的计算机领域的高尖端产品，是现代大型建

21、设与研究项目的必备条件。的必备条件。 高性能计算机也有高、中、低档之分，中档系统近年来市高性能计算机也有高、中、低档之分，中档系统近年来市场发展最快。从应用与市场角度来划分，中高档系统可分为场发展最快。从应用与市场角度来划分，中高档系统可分为两种，一种叫超级计算机，主要是用于科学工程计算及专门两种，一种叫超级计算机，主要是用于科学工程计算及专门的设计，如的设计，如Cray T3E；另一种叫超级服务器，可以用来支；另一种叫超级服务器，可以用来支持计算、事务处理、数据库应用、网络应用与服务，如持计算、事务处理、数据库应用、网络应用与服务，如IBM的的SP和国产的曙光和国产的曙光2000。 美国能源

22、部的加速战略计算美国能源部的加速战略计算ASCI计划，目标是构造计划，目标是构造100万万亿次的超级计算机系统、软件和算法。最新的亿次的超级计算机系统、软件和算法。最新的Ultrascale计计划目标在划目标在2010年研制万万亿次级系统。年研制万万亿次级系统。上一页上一页1.3.2 计算机的分类（续计算机的分类（续1） 近年来，我国在高性能计算机的研发方面也取得了很大近年来，我国在高性能计算机的研发方面也取得了很大的成绩，推出了的成绩，推出了“曙光曙光”、“联想联想”等代表国内最高水平等代表国内最高水平的高性能计算机系统，并在国民经济的关键领域得到了应的高性能计算机系统，并在国民经济的关键领

23、域得到了应用。联想公司用。联想公司2003年研发的安装在中国科学院计算机网络年研发的安装在中国科学院计算机网络信息中心的深腾信息中心的深腾6800用了用了1024颗颗Intel公司的公司的Itanium 2处理处理器，实际运算速度为每秒器，实际运算速度为每秒4.148万次，峰值运算速度达到每万次，峰值运算速度达到每秒秒5.324万亿次。万亿次。2004年安装在上海超级计算中心的曙光公年安装在上海超级计算中心的曙光公司研发的曙光司研发的曙光4000A采用采用2560颗颗64位位AMD Opteron处理器，处理器，运算速度达到运算速度达到8.061万亿次浮点运算，峰值运算速度可达到万亿次浮点运算

24、，峰值运算速度可达到每秒每秒11.264万亿次浮点运算。万亿次浮点运算。2008年年9月月16日，我国首款超日，我国首款超百万亿次计算机曙光百万亿次计算机曙光5000A在天津下线，标志我国成为继美在天津下线，标志我国成为继美国之后第二个自主研发制造百万亿次高性能计算机的国家。国之后第二个自主研发制造百万亿次高性能计算机的国家。 上一页上一页1.3.2 计算机的分类（续计算机的分类（续2）高性能计算机高性能计算机 微型计算机（个人计算机）微型计算机（个人计算机）工作站（工作站（workstation）：是一种介于微型机与小型机之）：是一种介于微型机与小型机之间的高档微机系统，它具备强大的数据运算

25、与图形、图像间的高档微机系统，它具备强大的数据运算与图形、图像处理能力。工作站主要面向的是专业应用领域，主要有工处理能力。工作站主要面向的是专业应用领域，主要有工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等。息服务、模拟仿真等。服务器：是一种在网络环境下为多个用户提供服务的计服务器：是一种在网络环境下为多个用户提供服务的计算机系统。根据提供的服务，服务器可以分为文件服务器、算机系统。根据提供的服务，服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。嵌入式计算机：嵌入

26、式计算机是指作为一个信息处理部嵌入式计算机：嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统之中的计算机。件，嵌入到应用系统之中的计算机。 上一页上一页1.3.2 计算机的分类（续计算机的分类（续3）上一页上一页计算机的分类计算机的分类工作站工作站服务器服务器上一页上一页服务器与服务器与PC机的比较机的比较稳定性稳定性：服务器需要服务器需要724小时不间断运行，而小时不间断运行，而PC机只需要机只需要58小时运行小时运行运算运算能力能力：服务器需要及时响应众多客户机的请求，而服务器需要及时响应众多客户机的请求，而PC机只由少数用户进行操作机只由少数用户进行操作图形显示图形显示：PC机直接和

27、用户进行交互，而服务器放在后台，只和客户机进行通信机直接和用户进行交互，而服务器放在后台，只和客户机进行通信可管理可管理性性：服务器集成了各种硬件监控部件，可进行远程监测和控制，而服务器集成了各种硬件监控部件，可进行远程监测和控制，而PC机基本没有机基本没有硬件硬件冗余冗余：服务器在关键部件上常有冗余配置，比如电源、风扇等，而服务器在关键部件上常有冗余配置，比如电源、风扇等，而PC机很少考虑机很少考虑CPU：服务器的服务器的CPU种类很多，包括种类很多，包括RISC和和CISC架构，架构，PC机通常只有机通常只有CISC。服务器往往有多颗处理器，而。服务器往往有多颗处理器，而PC机通常只有机通

28、常只有1颗颗内存：内存：服务器内存插槽要远多于服务器内存插槽要远多于PC机，一般在机，一般在8根以上，根以上，PC机往往不到机往往不到4根。服务器采用根。服务器采用ECC、Registered、Chipkill、热备、镜像等技术来保、热备、镜像等技术来保证数据的可靠性，证数据的可靠性，PC机基本没有。服务器内存往往支持热插拔，而机基本没有。服务器内存往往支持热插拔，而PC机不支持机不支持硬盘硬盘：服务器支持服务器支持SCSI、SAS等高速接口，等高速接口，PC机通常支持机通常支持IDE、SATA等普通接口。服务器硬盘常采用硬件等普通接口。服务器硬盘常采用硬件RAID技术保护数据，技术保护数据，PC机一般只机一般只有软件有软件RAID技术技术网络网络：服务器上往往有服务器上往往有2块以上网卡，块以上网卡，PC机通常只有机通常只有1块。服务器上往往采用一些特殊定制的网络，比如块。服务器上往往采用一些特殊定制的网络，比如Infiniband、myrinet等，等，PC机通常只机通常只采用以太网采用以太网 主频主频：主频即时钟频率，是指主频即时钟频率，是指CPU在单位时间内发出在