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1、第2章 计算机组成原理,2.1 计算机的组成与分类 2.2 CPU的结构与原理2.3 PC机的主机2.4 常用输入设备2.5 常用输出设备2.6 外存储器,2.1 计算机的组成与分类,2.1.1 计算机的发展与作用2.1.2 计算机的逻辑组成2.1.3 计算机的分类,2.1.1 计算机的发展与作用,过去的计算工具,随着生产的发展和社会的进步，计算工具的发展过程从简单到复杂、从低级到高级计算工具相继出现了如：算盘计算尺手摇计算器电动计算器,我国研制第1颗原子弹时使用的飞鱼牌手摇计算机（新华网图片）,帕斯卡的加法机,1642年，法国数学家B.Pascal用钟表元件制造了一种能够做两个十进制数加减法
2、的机器,上世纪30年代的机械式计算器,电动式计算器（1930）,手摇式计算器,第1台数字电子计算机诞生,1946年美国宾州大学研制成功第1台数字电子计算机-ENIAC,Photo:van Pelt Library,U Penn.,18 000 电子管,6000 开关占地面积:150 m2重量:30 吨功耗:140 KW运算速度:5000 次/s平均无故障时间 7 min外部程序控制,第1代数字电子计算机,时间：约1946-1957使用的元器件：电子管 速度：几十几万次/秒 内存：磁鼓，千字 外设：磁带 机器语言或汇编语言编程,美国于20世纪50年代生产的IBM704型电子管计算机,磁鼓存储器,
3、旋风1号(Whirlwind I)数字计算机,Whirlwind I数字计算机，当时的售价是1750万美元，美国国防部使用,我国第1台数字电子计算机,1956年，华罗庚受命筹建中国科学院计算技术研究所。1958年中国第一台计算机103型机研制成功，中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制。字长31位，内存容量为1024字，运算速度每秒450次。1958年8月1日该机可以表演短程序运行，标志着我国第一台电子计算机诞生。该机在738厂开始小量生产，改名为103型计算机，共生产38台,我国第1台大型电子计算机,1959年4月104机完成调试,第一道题目是“五一”节天气预报，9月交付用户使用。无故障稳定
4、运行时间达到2小时 该机有22个机柜，占地200平方米。全机共用4200个电子管，4000个晶体二极管。字长39位，容量4K，每秒运算1万次,第2代数字电子计算机,时间：约1957-1964使用的元器件：晶体管 速度：几十万次/秒，内存：磁芯，十万字 外设：磁盘 高级语言编程,第2代计算机的内存：磁芯存储器,右图是容量为32x32(1024)bit的一块磁芯存储板,放大50倍的照片,上世纪50年代末 安装在美国宇航局的IBM 7090计算机,价格：290万美元；内存容量：128KB；存取周期：2微妙,我国的第2代电子计算机,1964年我国华北计算所先后研制成功108乙机(DJS-6)、121机
5、(DJS-21)和320机(DJS-6)，并在738厂等五家工厂生产；哈军工（国防科大前身）研制成功441B全晶体管计算机，小批量生产了40多台。,当时我国研发出的计算机，仅有小批量生产，由国家分配到各个科研院所使用。研发和生产计算机的单位，全部是军工企业。具备极高的保密措施，每一个元件，每一张设计图纸都被严格看管,我国第一颗原子弹,1964年10月16日下午3时，新疆罗布泊上空，我国第一颗原子弹爆炸成功，成为继美苏英法后第五个拥有核武器的国家。,电子计算机是核计划的关键工具。高等物理的公式计算主要依靠人工使用计算尺和手摇计算机，只有非常复杂的计算才能用到昂贵的电子计算机,前苏联派出大批科学家
6、，在核武器及电子计算机方面提供了技术支持。,第3代数字电子计算机,时间：约1965-1973使用的元器件：中小规模集成电路 速度：几十万次几百万次/秒内存：半导体存储器软件：高级编程语言 操作系统,数据库,第3代计算机,1965年IBM推出的System 360大型主机，被美国航天局用于首次载人登月任务,上世纪60年代的 存储容量为5MB的硬盘,（27Kg重）,上世纪70年代 我国的集成电路计算机,DJS-180系列超级小型 计算机,天津DJS130小型机参展“1975年广交会”,第4代数字电子计算机,时间：从1974年起使用的元器件：大规模和超大规模集成电路（VLSI）速度：几百万次亿次/秒
7、内存：半导体存储器软件工程，分布式处理等,第14代计算机的对比,计算机的发展大大超出人们预料,由于集成电路技术的发展和微处理器的出现，计算机发展速度之快，大大超出人们的预料：性能不断提高体积不断变小功耗不断降低价格越来越便宜软件越来越丰富使用越来越容易应用领域越来越普遍计算机数量不断增加,上述趋势不仅仍在继续，且节奏进一步加快 已不再沿用“第x代计算机”的说法。正在研究开发智能化的计算机系统，它以知识处理为核心，可以模拟或部分替代人的智能活动，具有自然的人机通信能力,选讲：未来可能的新型计算机,目前计算机用的几乎都是半导体集成电路，但现在人们也在努力研究基于其他材料的计算机，如：量子计算机：建
8、立在量子力学基础上，可以同时使用多个不同的量子态来处理和存储信息 光学计算机：以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。生物计算机：蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。预计1020年后，DNA计算机将进入实用阶段 这些技术现在还都不成熟，与实际应用有很大差距，但可以预计这些技术的发展必将使计算机的前景更加美好,选讲：光计算机和生物计算机,奥林巴斯光学工业公司开发出的生物计算机,英国女王大学的Anatoly Zayats教授他是光计算机项目的负责人,计算机的特
9、点与作用,什么是计算机？,计算机是一种工具不是交通运输工具不是机械加工工具不是工具计算机是一种信息处理工具！,为什么说 计算机是通用的信息处理工具？,计算机具有多方面的信息处理功能：信息的收集（信息获取）信息的储存（信息存储）信息的加工（信息处理）信息的传递（通信）信息的施用（展现与控制）,计算机能做许多不同的工作,算题（科学计算）制作图案处理文字管理数据控制其他机器游戏收发邮件收看电视,播放音乐设计产品帮助决策模拟世界上的事物制作影视特技寻找信息与人聊天,问题：为什么计算机能做许多不同的工作？为什么计算机可以同时做许多不同的工作？是不是计算机什么都能做？,计算机有哪些特性？,计算机的特性：（
10、1）速度快（2）存储容量大（3）通用性好不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能（4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力,计算机对社会的进步与发展有 巨大作用,计算机应用于科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。计算机应用于工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和劳动生产效率，促进了经济的飞跃发展。计算机应用于社会服务，大大扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步。计算机应用于社会文化，为人类传承并创造
11、知识与文化提供了现代化工具，改变了人们创造和传播文化的方式和方法，扩展了人类文化活动的领域、丰富了内容、提高了质量。,计算机有什么负面影响？,计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果信息欺骗和计算机犯罪增加知识产权保护更加困难个人隐私受到威胁不良和有害信息肆意传播和泛滥大量电子垃圾污染环境、破坏生态长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害,2.1.2 计算机的逻辑组成,计算机是一个复杂系统,计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称,计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档,计算机是一个复杂的系统复杂性：
12、硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑等有关层次性：分层(hierarchical)结构,计算机硬件的逻辑结构 1,经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）,（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）,中央处理器CPU(Central Processing Unit),计算机硬件的逻辑结构 2,现代计算机的逻辑结构,与经典计算机结构相比的3个变化：集中控制分散控制存储器内存储器外存储器通过CPU通信通过总线进行通信,(1)输入设备,输入(input)的双重含义：1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容输入设备(inp
13、ut devices)功能：用来向计算机输入信息输入设备有多种，例如:键 盘 输入文字、符号和命令鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令扫描仪输入图片麦克风输入声音输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示,(2)中央处理器(运算控制器),什么是处理器(processor)？能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：由数字电路组成，结构非常复杂所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器”(microprocessor),Intel 4004 chip,Intel 8080 chip,教师参考：
14、关于(微)处理器和中央处理器(CPU),现代计算机中一般包含有多个(微)处理器，它们各有不同的分工和任务：用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件完成其它功能的处理器举例：显卡包含的绘图处理器（用于加速图形绘制）声卡包含的DSP（用于数字声音信号的处理）过去，个人计算机通常只有1个CPU；现在，大部分PC机虽然仍只有1个CPU芯片，但其内部却包含有2个、4个或6个CPU(内核)，目的是提高系统性能,CPU的任务,CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作,(3)存储器,功能：储存以二进位形式表示的程序和数据分类：内存储器/外存储器,存储单
15、元,(4)输出设备,输出(output)的双重含义：1.把信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容输出设备(output devices)功能：从计算机输出信息输出设备有多种，例如:显示器输出文字、符号和图形打印机打印文字、符号和图形扬声器输出声音(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等),(5)总线(bus),功能：用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路分类：CPU总线（或前端总线）：用于连接CPU和内存储器的总线I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线,2.1.3 计算机
16、的分类,计算机的分类（1）,按内部逻辑结构分类8位/16位/32位/64位单CPU/多CPU按性能和价格分类巨型计算机(supercomputer)大型计算机小型计算机(服务器)个人计算机(personal computer)台式PC笔记本PC平板电脑等嵌入式计算机,巨型计算机（Supercomputer）,也称超级计算机，有极强的运算处理能力，速度达到每秒运算数万、数十万亿次以上采用大规模并行处理的结构，由数以百计、千计、万计的CPU共同完成系统软件和应用软件运行任务大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、生物信息处理、破解密码等领域国际上：美国IBM公司的GeneL系统，运
17、算速度为280.6万亿次秒 美国Cray公司XT4巨型计算机(3万处理器)250万亿次秒日本NEC公司的“地球模拟器”我国：江南计算技术研究所；“神威”巨型机中科院计算所(曙光计算机公司)：“曙光”巨型计算机国防科技大学：“银河”巨型机、“天河一号”千万亿次/秒联想集团公司：“深腾”巨型机,神威巨型计算机,巨型计算机（续）,IBM Blue Gene/L supercomputer,Cray 巨型计算机,银河巨型计算机,“天河1号A”峰值性能4700万亿次、持续速度 2566万亿次，有14000个通用处理器和上万个图形加速处理器;内存总容量98TB，磁盘总容量2PB，安装在天津国家超级计算中心
18、,2010.11.17国际超级计算机TOP500组织正式发布第36届世界超级计算机500强排名中，中国“天河一号”和“曙光星云”分别位列第1和第3名,天河1号A(TH-1A)巨型计算机,140个机柜，在700平方米的机房内整整齐齐排成13排,每小时耗电4040度部分采用了自主研制的飞腾-1000中央处理器,运行自主研制的麒麟操作系统,关于“个人计算机”,台式个人计算机(卧式),台式个人计算机(立式),便携式(笔记本)个人计算机,个人计算设备走向多元化,eBook（电子书）,Tablet PC（平板式电脑）,Apple的iPad平板电脑,Height:9.56 inches(242.8 mm)W
19、idth:7.47 inches(189.7 mm)Depth:0.5 inch(13.4 mm)Weight:1.5 pounds(0.68 kg)Wi-Fi model;1.6 pounds(0.73 kg)Wi-Fi+3G model,9.7-inch 液晶显示器，带多点触摸功能，分辨率：1024x768,第2代iPad平板电脑,采用双核 CPU芯片，增加了双摄像头,陀螺仪、加速感应器、指南针相互配合，游戏操控更方便,厚度比之前薄了 33%，重量减轻了 15%,平板电脑的趋势,三星Galaxy,联想乐Pad华硕EeePad摩托罗拉Xoom,宏基 Iconia Tab,万利达Zpad T8
20、,Gartner报告指出，2010年全球总共卖出了1760万台平板电脑，其中主要是苹果的iPad，销售价格平均为每台543美元。Gartner预测，2011年全球平板电脑销售数量将达到6950万台，平均售价则为423美元。Gartner表示，平板电脑平均售价将持续走跌，在2013年达到300美元，2015年则降到263美元，届时卖出的数量将达到2亿9500万台。,厦门35Pad,关于“服务器”,服务器的英文名是“server”，指的是在计算机网络中专门用于为其他计算机提供服务和资源（数据、存储空间、处理能力、软件等）的一类计算机原理上任何计算机都可以作为服务器使用巨型机和大型机可以作为企业级服
21、务器专用的服务器可作为部门级服务器一般的PC也可以作为工作组服务器或打印服务器由于需要大量服务器，一些计算机厂家专门设计制造了称为“服务器”的一类计算机产品，取代了传统的小型计算机。其特点是：存储容量大，存取速度快，网络通信功能强，可靠性好,例：HP公司的ProLiant 服务器,计算机的分类（2）,按计算机服务的对象和作用划分：,关于嵌入式计算机,把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算机”或“嵌入式计算机”用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如数码相机、MP3播放器、手机、计算机外设、汽车、机顶盒等产品举例：全球市场份额最大的是英国ARM公司的ARM处理器，现在大部分手机和平板电脑使用的都是采用ARM技术的微处理器（包括苹果公司的iPad）,
