第2章21計算機的組成與分類

第2章計算機組成原理2.1計算機的組成與分類

2.2CPU的結(jié)構(gòu)與原理2.3

PC機的主機2.4常用輸入設(shè)備2.5常用輸出設(shè)備2.6外存儲器2.1計算機的組成與分類2.1.1計算機的發(fā)展與作用2.1.2計算機的邏輯組成2.1.3計算機的分類2.1.1計算機的發(fā)展與作用過去的計算工具隨著生產(chǎn)的發(fā)展和社會的進步，計算工具的發(fā)展過程從簡單到復(fù)雜、從低級到高級計算工具相繼出現(xiàn)了如：算盤計算尺手搖計算器電動計算器我國研制第1顆原子彈時使用的飛魚牌手搖計算機（新華網(wǎng)圖片）

帕斯卡的加法機1642年，法國數(shù)學(xué)家B.Pascal用鐘表元件制造了一種能夠做兩個十進制數(shù)加減法的機器上世紀(jì)30年代的機械式計算器電動式計算器（1930）手搖式計算器第1臺數(shù)字電子計算機誕生1946年美國賓州大學(xué)研制成功第1臺數(shù)字電子計算機-ENIACPhoto:vanPeltLibrary,UPenn.18000電子管,6000開關(guān)占地面積:150m2重量:30噸功耗:140KW運算速度:5000次/s平均無故障時間7min外部程序控制第1代數(shù)字電子計算機時間：約1946-1957使用的元器件：電子管

●速度：幾十～幾萬次/秒

●內(nèi)存：磁鼓，千字

●外設(shè)：磁帶

●機器語言或匯編語言編程美國于20世紀(jì)50年代生產(chǎn)的IBM704型電子管計算機磁鼓存儲器旋風(fēng)1號(WhirlwindI)數(shù)字計算機WhirlwindI數(shù)字計算機，當(dāng)時的售價是1750萬美元，美國國防部使用我國第1臺數(shù)字電子計算機1956年，華羅庚受命籌建中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所。1958年中國第一臺計算機103型機研制成功，中國科學(xué)院計算所與北京有線電廠共同研制。字長31位，內(nèi)存容量為1024字，運算速度每秒450次。1958年8月1日該機可以表演短程序運行，標(biāo)志著我國第一臺電子計算機誕生。該機在738廠開始小量生產(chǎn)，改名為103型計算機，共生產(chǎn)38臺我國第1臺大型電子計算機1959年4月104機完成調(diào)試,第一道題目是“五一”節(jié)天氣預(yù)報，9月交付用戶使用。無故障穩(wěn)定運行時間達到2小時該機有22個機柜，占地200平方米。全機共用4200個電子管，4000個晶體二極管。字長39位，容量4K，每秒運算1萬次第2代數(shù)字電子計算機時間：約1957-1964使用的元器件：晶體管●速度：幾十萬次/秒，

●內(nèi)存：磁芯，十萬字

●外設(shè)：磁盤 ●高級語言編程電子管晶體管第2代計算機的內(nèi)存：磁芯存儲器右圖是容量為32x32(1024)bit的一塊磁芯存儲板放大50倍的照片

上世紀(jì)50年代末

安裝在美國宇航局的IBM7090計算機價格：290萬美元；內(nèi)存容量：128KB；存取周期：2微妙我國的第2代電子計算機1964年我國華北計算所先后研制成功108乙機(DJS-6)、121機(DJS-21)和320機(DJS-6)，并在738廠等五家工廠生產(chǎn)；哈軍工（國防科大前身）研制成功441B全晶體管計算機，小批量生產(chǎn)了40多臺。當(dāng)時我國研發(fā)出的計算機，僅有小批量生產(chǎn)，由國家分配到各個科研院所使用。研發(fā)和生產(chǎn)計算機的單位，全部是軍工企業(yè)。具備極高的保密措施，每一個元件，每一張設(shè)計圖紙都被嚴格看管我國第一顆原子彈1964年10月16日下午3時，新疆羅布泊上空，我國第一顆原子彈爆炸成功，成為繼美蘇英法后第五個擁有核武器的國家。電子計算機是核計劃的關(guān)鍵工具。高等物理的公式計算主要依靠人工使用計算尺和手搖計算機，只有非常復(fù)雜的計算才能用到昂貴的電子計算機前蘇聯(lián)派出大批科學(xué)家，在核武器及電子計算機方面提供了技術(shù)支持。第3代數(shù)字電子計算機時間：約1965-1973使用的元器件：中小規(guī)模集成電路

速度：幾十萬次～幾百萬次/秒內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器軟件：高級編程語言

操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫第3代計算機1965年IBM推出的System360大型主機，被美國航天局用于首次載人登月任務(wù)上世紀(jì)60年代的

存儲容量為5MB的硬盤（27Kg重）上世紀(jì)70年代

我國的集成電路計算機DJS-180系列超級小型計算機天津DJS130小型機參展“1975年廣交會”第4代數(shù)字電子計算機時間：從1974年起使用的元器件：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLSI）速度：幾百萬次～億次/秒內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器軟件工程，分布式處理等第1～4代計算機的對比代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域第1代20世紀(jì)40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓使用機器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)和工程計算第2代20世紀(jì)50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內(nèi)存：磁芯使用FORTRAN、COBOL等高級程序設(shè)計語言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代20世紀(jì)60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI的半導(dǎo)體存儲器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計算、網(wǎng)絡(luò)軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個人開始使用計算機計算機的發(fā)展大大超出人們預(yù)料由于集成電路技術(shù)的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，計算機發(fā)展速度之快，大大超出人們的預(yù)料：性能不斷提高體積不斷變小功耗不斷降低價格越來越便宜軟件越來越豐富使用越來越容易應(yīng)用領(lǐng)域越來越普遍計算機數(shù)量不斷增加上述趨勢不僅仍在繼續(xù)，且節(jié)奏進一步加快已不再沿用“第x代計算機”的說法。正在研究開發(fā)智能化的計算機系統(tǒng)，它以知識處理為核心，可以模擬或部分替代人的智能活動，具有自然的人機通信能力選講：

未來可能的新型計算機目前計算機用的幾乎都是半導(dǎo)體集成電路，但現(xiàn)在人們也在努力研究基于其他材料的計算機，如：量子計算機：建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上，可以同時使用多個不同的量子態(tài)來處理和存儲信息

光學(xué)計算機：以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。生物計算機：蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計算機的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。預(yù)計10～20年后，DNA計算機將進入實用階段這些技術(shù)現(xiàn)在還都不成熟，與實際應(yīng)用有很大差距，但可以預(yù)計這些技術(shù)的發(fā)展必將使計算機的前景更加美好選講：

光計算機和生物計算機奧林巴斯光學(xué)工業(yè)公司開發(fā)出的生物計算機

英國女王大學(xué)的AnatolyZayats教授他是光計算機項目的負責(zé)人

計算機的特點與作用什么是計算機？計算機是一種工具不是交通運輸工具不是機械加工工具不是···工具計算機是一種信息處理工具！為什么說

計算機是通用的信息處理工具？計算機具有多方面的信息處理功能：信息的收集（信息獲?。┬畔⒌膬Υ妫ㄐ畔⒋鎯Γ┬畔⒌募庸ぃㄐ畔⑻幚恚┬畔⒌膫鬟f（通信）信息的施用（展現(xiàn)與控制）計算機能做許多不同的工作算題（科學(xué)計算）制作圖案處理文字管理數(shù)據(jù)控制其他機器游戲收發(fā)郵件收看電視播放音樂設(shè)計產(chǎn)品幫助決策模擬世界上的事物制作影視特技尋找信息與人聊天……問題：為什么計算機能做許多不同的工作？為什么計算機可以同時做許多不同的工作？是不是計算機什么都能做？計算機有哪些特性？計算機的特性：（1）速度快（2）存儲容量大（3）通用性好不僅能處理數(shù)字和文字，而且能對圖像、聲音等多種形式的信息進行處理不僅能進行數(shù)學(xué)運算，而且能進行邏輯運算不僅能進行運算，而且具有信息的獲取、存儲、傳輸、展現(xiàn)等功能（4）計算機與計算機具有互連、互通和互操作的能力計算機對社會的進步與發(fā)展有

巨大作用計算機應(yīng)用于科學(xué)研究，大大增強了人類認識自然、開發(fā)自然、改造和利用自然的能力，促進了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。計算機應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大大提高了人類物質(zhì)生產(chǎn)水平和勞動生產(chǎn)效率，促進了經(jīng)濟的飛躍發(fā)展。計算機應(yīng)用于社會服務(wù)，大大擴展和改善了服務(wù)范圍與質(zhì)量，提高了工作效率，推動了社會進步。計算機應(yīng)用于社會文化，為人類傳承并創(chuàng)造知識與文化提供了現(xiàn)代化工具，改變了人們創(chuàng)造和傳播文化的方式和方法，擴展了人類文化活動的領(lǐng)域、豐富了內(nèi)容、提高了質(zhì)量。計算機有什么負面影響？計算機引發(fā)的社會問題和某些潛在的危機：計算機系統(tǒng)崩潰給社會帶來不可預(yù)測的嚴重后果信息欺騙和計算機犯罪增加知識產(chǎn)權(quán)保護更加困難個人隱私受到威脅不良和有害信息肆意傳播和泛濫大量電子垃圾污染環(huán)境、破壞生態(tài)長期沉迷于計算機游戲、網(wǎng)絡(luò)聊天等給青少年生理和心理帶來嚴重危害2.1.2計算機的邏輯組成計算機系統(tǒng)計算機硬件計算機軟件運算器控制器輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序語言處理系統(tǒng)文字處理通信···娛樂計算機是一個復(fù)雜系統(tǒng)計算機硬件是計算機系統(tǒng)中所有實際物理裝置的總稱計算機軟件是指在計算機中運行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔計算機是一個復(fù)雜的系統(tǒng)復(fù)雜性：硬件由數(shù)以億計的元器件組成，軟件由數(shù)以億計的指令組成多樣性：硬件與光、機、電、聲等有關(guān)，軟件與數(shù)學(xué)、邏輯···等有關(guān)層次性：分層(hierarchical)結(jié)構(gòu)模塊化：每一層均由許多模塊構(gòu)成計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu)1經(jīng)典計算機的邏輯結(jié)構(gòu)（馮.諾依曼計算機）運算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)，而不是實際的物理結(jié)構(gòu)）中央處理器CPU(CentralProcessing

Unit)計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu)2現(xiàn)代計算機的邏輯結(jié)構(gòu)與經(jīng)典計算機結(jié)構(gòu)相比的3個變化：集中控制→分散控制存儲器→內(nèi)存儲器＋外存儲器通過CPU通信→通過總線進行通信中央處理器(運算器及其控制)輔助存儲器內(nèi)存儲器輸出設(shè)備總線(bus)輸入設(shè)備I/O接口I/O接口輔存接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O設(shè)備通過I/O接口與各自的控制器連接，然后由控制器與I/O總線相連(1)輸入設(shè)備輸入(input)的雙重含義：1.把信息送入計算機的過程;2.向計算機輸入的內(nèi)容輸入設(shè)備(inputdevices)功能：用來向計算機輸入信息輸入設(shè)備有多種，例如:鍵盤——輸入文字、符號和命令鼠標(biāo)器——輸入鼠標(biāo)器移動的位置信息及按鈕命令掃描儀——輸入圖片麥克風(fēng)——輸入聲音條碼、磁卡、IC卡等的掃描器/閱讀器——輸入文字符號輸入設(shè)備的共性：不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計算機中的信息都使用二進位來表示(2)中央處理器(運算控制器)什么是處理器(processor)？能高速執(zhí)行指令，完成二進制數(shù)據(jù)的算術(shù)或邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等操作的部件，特點是：由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米)，稱為“微處理器”(microprocessor)Intel4004chipIntel8080chip教師參考：

關(guān)于(微)處理器和中央處理器(CPU)現(xiàn)代計算機中一般包含有多個(微)處理器，它們各有不同的分工和任務(wù)：用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱為CPU，CPU是計算機必不可少的核心組成部件完成其它功能的處理器舉例：顯卡包含的繪圖處理器GPU（用于加速圖形繪制）聲卡包含的DSP（用于數(shù)字聲音信號的處理）注意，CPU和CPU芯片是兩個概念：CPU是邏輯上的概念，強調(diào)的是它的功能CPU芯片是IC產(chǎn)品的概念，1個CPU芯片可包含1個、2個或更多個CPU(稱為內(nèi)核)，還可以包含cache，存儲控制器，甚至GPU等需根據(jù)上下文進行區(qū)別存儲器中央處理器存儲數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數(shù)據(jù)進行操作(3)存儲器功能：儲存以二進位形式表示的程序和數(shù)據(jù)分類：內(nèi)存儲器/輔助存儲器內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)輔助存儲器(俗稱外存，簡稱輔存)存取速度很快相對較慢存儲容量相對較小(因單位成本較高)

很大(因單位成本較低)

性質(zhì)按字節(jié)編址和訪問，斷電后信息消失按數(shù)據(jù)塊編址和訪問，斷電后信息保持用途存放已經(jīng)啟動運行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)長期存放計算機系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關(guān)系CPU所處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存儲內(nèi)容地址存儲單元(4)輸出設(shè)備輸出(output)的雙重含義：1.把信息送出計算機的過程;2.從計算機輸出的內(nèi)容輸出設(shè)備(outputdevices)功能：從計算機輸出信息輸出設(shè)備有多種，例如:顯示器——輸出文字、符號和圖形打印機——打印文字、符號和圖形揚聲器——輸出聲音(多數(shù))輸出設(shè)備的共性：把計算機中的二進位信息轉(zhuǎn)換成人可感知的形式(文字、符號、圖形、聲音等)(5)總線(bus)功能：用于連接CPU、內(nèi)存、輔存（外存）和各種I/O設(shè)備并在它們之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及其控制電路分類：CPU總線（或前端總線）：用于連接CPU和內(nèi)存儲器的總線I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）的總線2.1.3計算機的分類計算機的分類（1）按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分類8位/16位/32位/64位單CPU/多CPU···按性能和價格分類巨型計算機(supercomputer)大型計算機小型計算機(服務(wù)器)個人計算機(personalcomputer)臺式PC筆記本PC平板電腦等嵌入式計算機作為服務(wù)器(server)使用獨立使用或作為客戶機(client)使用嵌入在非計算機的設(shè)備中使用巨型計算機（Supercomputer）也稱超級計算機，有極強的運算處理能力，速度達到每秒運算數(shù)萬、數(shù)十萬億次以上采用大規(guī)模并行處理的結(jié)構(gòu)，由數(shù)以百計、千計、萬計的CPU共同完成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行任務(wù)大多使用在軍事、科研、氣象預(yù)報、石油勘探、飛機設(shè)計模擬、生物信息處理、破解密碼等領(lǐng)域國際上：美國IBM公司、Cray公司日本富士通公司、NEC公司我國：國防科技大學(xué)：“天河1號”、“天河2號”億億次/秒江南計算技術(shù)研究所；“神威”巨型機中科院計算所(曙光計算機公司)：“曙光”巨型計算機聯(lián)想集團公司：“深騰”巨型機神威巨型計算機巨型計算機（續(xù)）IBMBlueGene/LsupercomputerCray巨型計算機銀河巨型計算機國防科大：天河2號(TH-2)巨型機含3.2萬個CPU和4.8萬個協(xié)處理器，內(nèi)存總?cè)萘?400TB，峰值計算速度達5.49億億次/秒，平均速度為3.39億億次/秒，連續(xù)多次獲得全球巨型機500強排名第1名

神威·太湖之光巨型計算機峰值計算速度達每秒12.54億億次，持續(xù)計算速度為每秒9.3億億次，包含40960個自主開發(fā)的SW26010處理器（每個處理器有260個內(nèi)核），內(nèi)存總?cè)萘窟_1310TB。2016年6月在全球巨型機500強排行榜中名列首位

關(guān)于“個人計算機”臺式個人計算機(臥式)臺式個人計算機(立式)便攜式(筆記本)個人計算機iMac一體機UMPC(超極本)個人計算設(shè)備走向多元化eBook（電子書）智能手機iPhone4TabletPC（平板式電腦）

關(guān)于手機手機是移動電話（mobilephone）的簡稱分類：按照可接入的移動通信網(wǎng)技術(shù)劃分：1G手機（俗稱“大哥大”，模擬手機）2G手機（GSM或CDMA手機）3G手機（國內(nèi)有3種制式）4G手機（TDD-LTE和FDD-LTE）按照手機的功能劃分：笨手機（dumbphone）：除電話之外很少其他功能功能手機（featurephone）：除了通話功能之外，還具有收發(fā)短信、通訊錄、計算器、收音、錄音、照相等功能智能手機（smartphone）：比功能手機更豐富多樣，它可以像PC個人電腦一樣安裝第3方軟件，不斷擴充其功能。而功能手機通常不能隨意安裝和卸載軟件。關(guān)于智能手機智能手機=電話+電腦+數(shù)碼相機+電子書+音視頻播放器+定位器+身份證+錢包+······智能手機有如下一些技術(shù)特點：具有無線接入移動電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的能力；具有功能強大的操作系統(tǒng)，操作方便，使用效率高；安裝了豐富的應(yīng)用軟件，與通用計算機保持數(shù)據(jù)兼容；擴展性好，可以方便地安裝、卸載和更新各種軟件；具有文字、圖像、音頻、視頻處理的多媒體信息處理功能智能手機就是一臺可以隨身攜帶的真正的個人電腦，它還具有一些傳統(tǒng)PC所不具備的能力，如3G/4G移動通信、環(huán)境感知、位置服務(wù)等。關(guān)于“服務(wù)器”服務(wù)器的英文名是“server”，指的是在計算機網(wǎng)絡(luò)中專門用于為其他計算機提供服務(wù)和資源（數(shù)據(jù)、存儲空間、處理能力、軟件等）的一類計算機原理上任何計算