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計算機硬件技術基礎 同濟大學電子與信息工程學院 教學內(nèi)容 第一章微型計算機概述第二章微型計算機的主要部件第三章微型計算機的外部設備第四章多媒體計算機第五章計算機網(wǎng)絡第六章筆記本PC機第七章微型計算機的選購 安裝與維護 參考教材 計算機硬件技術基礎譚浩強主編電子工業(yè)出版社計算機硬件技術基礎教程史嘉權主編清華大學出版社 第一章微型計算機概述 1946年 美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機ENIAC 重28噸 耗電150kW 占地170平米 用電子管18800個 每秒5000次加法 第一代電子管時代 1946 1958 耗電高 體積大 定點計算 機器語言 匯編語言第二代晶體管時代 1958 1965 變集中處理為分級處理 浮點運算 高級語言第三代中小規(guī)模集成電路時代 1965 1970 存儲容量大 運算速度快 幾十至幾百萬次 秒第四代大規(guī)模集成電路時代 1971至今 向大型機和微型機兩個方向發(fā)展現(xiàn)代計算機發(fā)展方向巨型化 微型化 網(wǎng)絡化 智能化 多媒體化 計算機的發(fā)展 巨型機 世界幾家公司生產(chǎn) 最快1 4萬億次 9千個CPU組成Cray 1 Cray 2 Cray 3 國產(chǎn)銀河I 銀河II 銀河III小巨型機 功能同巨型機相近 價格相對便宜 發(fā)展十分迅速美國Convex公司的C系列機為其代表產(chǎn)品 大型機 大中型企事業(yè)單位作為計算中心的主機使用 統(tǒng)一調(diào)度主機資源 代表產(chǎn)品有IBM360 370 4300等 小型機 它可以滿足部門性的需求 供小型企事業(yè)單位使用 典型產(chǎn)品有IBM AS 400 DEC VAX系列 國產(chǎn)太極工作站 用于特殊的專業(yè)領域 例如圖象處理和輔助設計等 典型產(chǎn)品有HP APOLLO SUN工作站等 微型機 個人或家庭使用 PC機 個人計算機 價格低廉 計算機的六大分類 1 1微電子器件的發(fā)展 1 1 1摩爾定律 摩爾定律 60年代初 英特爾公司創(chuàng)始人之一 美國化學家戈登 摩爾提出每隔18至24個月 芯片每秒速度至少提高一倍 戈登 摩爾當年提出摩爾定律的時候 恐怕自己都想不到會對現(xiàn)在這個時代產(chǎn)生如此大的影響 因為戈登 摩爾所處的時代 石油和煤炭依然是經(jīng)濟發(fā)展的動力 而現(xiàn)在 芯片已經(jīng)成為了左右經(jīng)濟的重要力量 摩爾定律經(jīng)受了將近40年的時間冼禮 其間它像一雙無形的臂膀 推動著IT產(chǎn)業(yè)不斷地向前發(fā)展一一每個芯片上集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)增長了18000倍 由1971年的2300個增長到了今天Pellet4芯片的4200萬個 一個高大的 陰影 始終彌漫在英特爾這家半導體領域利潤最高的公司之中 籠罩著整個半導體產(chǎn)業(yè) 這就是 摩爾定律 IT產(chǎn)業(yè)的第一定律 關于摩爾定律的不同觀點 10年前的intel 5年前的微軟 給人們的印象是一個產(chǎn)生興奮的地方 好萊塢只能把夢想做到銀幕上 而微軟和intel的聯(lián)盟把銀幕上的夢變成了人們生活的一部分 于是 在那個時候 摩爾定律和windows一起代表了人類征服數(shù)字世界 改造自己生活的精神 現(xiàn)在的摩爾定律 不再是一個夢想的一部分 而是逼迫人們掏錢的工具 什么是摩爾定律的靈魂 更快 更高 更強 技術讓你實現(xiàn)夢想 一切以用戶體驗為中心 而現(xiàn)在的硬件廠商恰恰相反 拼命提高主頻 甚至不惜犧牲架構優(yōu)勢也要突出主頻優(yōu)勢 完全背離了用戶 背離了應用 在科技界存在的一個眾所周知的事實 那就是任何試圖突破 摩爾定律 的行動最終都以失敗告終 企業(yè)每年在該領域的嘗試至少達到1000多次 如rilogySystems和MicroUnity的超級芯片試驗 以及IBM的X射線平板印刷術等 最終都胎死腹中 但人們很少注意到的是 成千上萬家追崇 摩爾定律 的企業(yè)最終都退出了這場 游戲角逐 另外 人們也很少關注這些企業(yè)的最終命運如何 事實上 幾千家4年前仍可以看到的企業(yè) 如今已不復存在了 摩爾定律 的副作用在網(wǎng)絡界體現(xiàn)的尤為突出 甚至可以說 網(wǎng)絡市場從一窩蜂地不正常發(fā)展到最終的破滅 都是 摩爾定律 惹得禍 Intel捍衛(wèi)摩爾定律 摩爾定律與英特爾有著不解的淵海 不僅因為摩爾定律的提出者戈登 摩爾是英特爾的創(chuàng)始人之一 更因為英特爾在芯片技術上的一次次突破 使之理所當然地成為了摩爾定律的忠實捍衛(wèi)者 而英特爾最新的一次捍衛(wèi)行動 仍然是用技術說話 2004年11月26日 美國英特爾宣布該公司的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了新型晶體管結構 英特爾實驗室元件研究部門經(jīng)理格蘭德 馬斯科說 此前我們的研究曾證明了 完全可以開發(fā)出更快更小的晶體管 但這里存在著耗電量 發(fā)熱及漏電等根本性的問題 我們的目標是克服這一障礙 制造出可集成相當于目前微處理器25倍的晶體管 同時不增加耗電量的芯片 對于這項技術所帶來的影響 有關人士則稱為是 這項技術的開發(fā)成功將再次打破阻礙摩爾法則繼續(xù)存在的瓶頸 1 2微型計算機的硬件組成 約翰 馮 諾依曼 JohnVonNouma 1903 1957 美藉匈牙利人 1903年12月28日生于匈牙利的布達佩斯 父親是一個銀行家 家境富裕 十分注意對孩子的教育 馮 諾依曼從小聰穎過人 興趣廣泛 讀書過目不忘 據(jù)說他一生掌握了七種語言 6歲時就能用古希臘語同父親閑談 其中最擅長德語 他對讀過的書籍和論文能很快一句不差地將內(nèi)容復述出來 而且若干年之后 仍然如此 1911年一1921年 馮 諾依曼在布達佩斯的盧瑟倫中學讀書期間 就嶄露頭角而深受老師的器重 在費克特老師的個別指導下 兩人合作發(fā)表了第一篇數(shù)學論文 此時馮 諾依曼還不到18歲 1921年至1923年在蘇黎世大學學習 在1926年以優(yōu)異的成績獲得了布達佩斯大學數(shù)學博士學位 此時馮 諾依曼年僅22歲 1927年至1929年 馮 諾依曼相繼在柏林大學和漢堡大學擔任數(shù)學講師 1930年接受了普林斯頓大學客座教授的職位 1931年成為該校終身教授 1933年轉到該校的高級研究所 成為最初六的位教授之一 并在那里工作了一生 是美國國家科學院 秘魯國立自然科學院和意大利國立林且學院等院的院土 1954年他任美國原子能委員會委員 1951年至1953年任美國數(shù)學會主席 馮 諾依曼由ENIAC機研制組的戈爾德斯廷中尉介紹參加ENIAC機研制小組后 便帶領這批富有創(chuàng)新精神的年輕科技人員 向著更高的目標進軍 1945年 他們在共同討論的基礎上 發(fā)表了一個全新的 存儲程序通用電子計算機方案 EDVAC ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer的縮寫 EDVAC方案明確奠定了新機器由五個部分組成 包括 運算器 邏輯控制裝置 存儲器 輸入和輸出設備 并描述了這五部分的職能和相互關系 EDVAC機還有兩個非常重大的改進 即 1 采用了二進制 不但數(shù)據(jù)采用二進制 指令也采用二進制 2建立了存儲程序 指令和數(shù)據(jù)便可一起放在存儲器里 并作同樣處理 簡化了計算機的結構 大大提高了計算機的速度 1946年7 8月間 馮 諾依曼和戈爾德斯廷 勃克斯在EDVAC方案的基礎上 為普林斯頓大學高級研究所研制IAS計算機時 又提出了一個更加完善的設計報告 電子計算機邏輯設計初探 以上兩份既有理論又有具體設計的文件 首次在全世界掀起了一股 計算機熱 它們的綜合設計思想 便是著名的 馮 諾依曼機 其中心就是有存儲程序 輸入設備 控制器 輸出設備 CPU 存儲器 運算器ALU 諾依曼計算機的工作原理可概述為 存儲程序 程序控制 1 以二進制表示數(shù)據(jù)和指令 程序 2 先將程序存入存儲器中 再由控制器自動讀取并執(zhí)行 1 3基本原理和工作過程 馮 諾依曼型計算機的特征的特 計算機由運算器 控制器 存儲器 輸入設備和輸出設備組成 數(shù)據(jù) 地址和指令在機器中均用二進制表示 計算機的最基本功能是執(zhí)行指令 指令由操作碼和操作數(shù)組成 把程序和數(shù)據(jù)一起存儲在存儲器中 并可以由計算機進行修改 程序按指令順序存放 存儲器 I O接口 輸入設備 I O接口 數(shù)據(jù)總線DB 控制總線CB 地址總線AB 輸出設備 CPU 微機的硬件由CPU 存儲器 輸入 輸出設備構成 輸入 輸出設備通過輸入 輸出接口與系統(tǒng)相連 輸入 輸出接口簡稱I O接口 各部件通過總線連接 構成部件 中央處理器CPU 計算機的核心部件用來實現(xiàn)指令的自動裝入和自動執(zhí)行 實現(xiàn)計算機本身的自動化 地址信號 標志寄存器 指令寄存器 數(shù)據(jù)暫存器 控制電路 指令譯碼器 地址寄存器 指令指針寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器組 運算器 IP 數(shù)據(jù)信號 控制信號 ALU ALU控制器 總線 總線是連接多個功能部件的一組公共信號線微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸 總線BUS 計算機中傳輸信息的公共通路稱為總線 BUS 按照總線上傳輸信息的不同 總線可分為 1 數(shù)據(jù)總線 DB 用來傳送數(shù)據(jù)信息 它主要連接了CPU與各個部件 是它們之間交換信息的通路 數(shù)據(jù)總線是雙向的 而具體的傳送方向由CPU控制 2 地址總線 AB 用來傳送地址信息 CPU通過地址總線中傳送的地址信息訪問存儲器 通常地址總線是單向的 3 控制總線 CB 用來傳送控制信號 以協(xié)調(diào)各部件之間的操作 內(nèi)存內(nèi)存是存儲程序和數(shù)據(jù)的部件 由地址譯碼器 內(nèi)存單元等構成 外設和輸入 輸出接口 I O接口 外設的電信號 運行速度與CPU不匹配 不能與CPU直接相連 必須通過I O接口與CPU相連 微型計算機常用外圍設備有顯示器 鍵盤 鼠標器及外存儲器 外存中常用的有硬磁盤 硬盤 軟磁盤 軟盤 和光盤 如果需要還可以根據(jù)用戶的要求配置打印機 繪圖儀 投影儀 同時為了聯(lián)網(wǎng) 還可以配置調(diào)制解調(diào)器等通信設備 鍵盤 鍵盤接口顯示器 顯示卡鼠標 串行接口網(wǎng)絡 網(wǎng)卡打印機 并行接口音箱 麥可風 聲卡 表1 2PC機系列發(fā)展表 1 2 1微型計算機的基本配置 表1 2PC機系列發(fā)展表 1 2 2微型計算機的指令系統(tǒng) 機器語言機器語言是指機器能直接識別的語言 它是由 1 和 0 組成的一組代碼指令 例如 01001001 作為機器語言指令 可能表示將某兩個數(shù)相加 由于機器語言比較難記 所以基本上不能用來編寫程序 匯編語言匯編語言是由一組與機器語言指令一一對應的符號指令和簡單語法組成的 例如 ADDA B 可能表示將A與B相加后存入B中 它可能與上例機器語言指令01001001直接對應 匯編語言程序要由一種 翻譯 程序來將它翻譯為機器語言程序 這種翻譯程序稱為匯編程序 任何一種計算機都配有只適用于自己的匯編程序 匯編語言適用于編寫直接控制機器操作的低層程序 它與機器密切相關 一般人也很難使用 高級語言高級語言比較接近日常用語 對機器依賴性低 是適用于各種機器的計算機語言 目前 高級語言已發(fā)明出數(shù)十種 下面介紹常用的幾種 如表 微型計算機的工作過程CPU進行簡單的算術運算或邏輯運算 或從存貯器取數(shù) 將數(shù)據(jù)存放于存貯器 或由接口取數(shù)或向接口送數(shù) 這些都是一些基本動作 也稱為CPU的操作 用微型計算機求解 7 10 這樣一個極為簡單的問題 必須利用指令告訴計算機該做的每一個步驟 先做什么 后做什么 具體步驟就是 7 ALAL 10 AL 其含義就是把7這個數(shù)送到AL里面 然后將AL中的7和10相加 把要獲得的結果存放在AL里 把它們變成計算機能夠直接識別并執(zhí)行的程序如下 1011000000000111第