1、第第2章章 計算機組成原理計算機組成原理2.1 計算機的組成與分類計算機的組成與分類 2.2 CPU的結構與原理的結構與原理2.3 PC機的主機機的主機2.4 常用輸入設備常用輸入設備2.5 常用輸出設備常用輸出設備2.6 外存儲器外存儲器22.1 計算機的組成與分類計算機的組成與分類32.1.1 計算機的發展與作用計算機的發展與作用（熟悉一下）（熟悉一下）4計算機是計算機是通用的通用的信息處理工具信息處理工具n計算機的信息處理功能：計算機的信息處理功能：n信息的收集（信息獲取）信息的收集（信息獲取）n信息的儲存（信息存儲）信息的儲存（信息存儲）n信息的加工（信息處理）信息的加工（信息處理）n

2、信息的傳遞（通信）信息的傳遞（通信）n信息的施用（展現與控制）信息的施用（展現與控制）5計算機有哪些特性？計算機有哪些特性？n計算機的特性：計算機的特性：（1）速度快）速度快（2）存儲容量大）存儲容量大（3）通用性通用性好好n不僅能處理數字和文字，而且能對圖像、聲音等多種形式的信息進不僅能處理數字和文字，而且能對圖像、聲音等多種形式的信息進行處理行處理n不僅能進行數學運算，而且能進行邏輯運算不僅能進行數學運算，而且能進行邏輯運算n不僅能進行運算，而且具有信息的獲取、存儲、傳輸、展現等功能不僅能進行運算，而且具有信息的獲取、存儲、傳輸、展現等功能（4）計算機與計算機具有互連、互通和互操作的能力）

3、計算機與計算機具有互連、互通和互操作的能力6計算機的巨大作用計算機的巨大作用n計算機對社會的進步與發展產生了巨大的作用：計算機對社會的進步與發展產生了巨大的作用：n計算機應用于計算機應用于科學研究科學研究，大大增強了人類認識自然、開發，大大增強了人類認識自然、開發自然、改造和利用自然的能力，促進了科學技術的發展。自然、改造和利用自然的能力，促進了科學技術的發展。n計算機應用于計算機應用于工農業生產工農業生產，大大提高了人類物質生產水平，大大提高了人類物質生產水平和社會生產率，促進了經濟的飛躍發展。和社會生產率，促進了經濟的飛躍發展。n計算機應用于計算機應用于社會服務社會服務，大大擴展和改善了服

4、務范圍與質，大大擴展和改善了服務范圍與質量，提高了工作效率，推動了社會進步。量，提高了工作效率，推動了社會進步。n計算機應用于計算機應用于社會文化社會文化，為人類創造文化提供了現代化工，為人類創造文化提供了現代化工具，改變了人們創造文化和傳播文化的方式和方法，擴展具，改變了人們創造文化和傳播文化的方式和方法，擴展了人類文化活動的領域、豐富了內容、提高了質量。了人類文化活動的領域、豐富了內容、提高了質量。7計算機有什么負面影響？計算機有什么負面影響？n計算機引發的社會問題和某些潛在的危機：計算機引發的社會問題和某些潛在的危機：n計算機系統崩潰給社會帶來不可預測的嚴重后果計算機系統崩潰給社會帶來不

5、可預測的嚴重后果n信息欺騙和計算機犯罪增加信息欺騙和計算機犯罪增加n知識產權保護更加困難知識產權保護更加困難n個人隱私受到威脅個人隱私受到威脅n不良和有害信息肆意傳播和泛濫不良和有害信息肆意傳播和泛濫n大量電子垃圾污染環境、破壞生態大量電子垃圾污染環境、破壞生態n長期沉迷于計算機游戲、網絡聊天等給青少年生理長期沉迷于計算機游戲、網絡聊天等給青少年生理和心理帶來嚴重危害和心理帶來嚴重危害 8計算機的發展計算機的發展n19461946年研制成功第年研制成功第1 1臺臺數字電子數字電子計算機計算機n6060年來發展速度之快大大超出人們的預料：年來發展速度之快大大超出人們的預料：n性能、體積、價格、性

6、能、體積、價格、n應用領域和裝機數量應用領域和裝機數量n軟件技術和軟件產品軟件技術和軟件產品n使用的元器件使用的元器件n第第1 1代：電子管磁鼓代：電子管磁鼓n第第2 2代：晶體管磁芯代：晶體管磁芯n第第3 3代：中、小規模集成電路代：中、小規模集成電路n第第4 4代：大、超大規模集成電路代：大、超大規模集成電路n 應用模式：應用模式：n 集中計算模式集中計算模式n 分散計算模式分散計算模式n 網絡計算模式網絡計算模式n 普適計算模式（？）普適計算模式（？）問題：問題：60年來沒變的是什么？年來沒變的是什么？基本工作原理基本工作原理9第第1臺數字電子計算機臺數字電子計算機1946年年ENIAC

7、計算機公布計算機公布 ENIAC（電子數字積分機與計算機）：電子數字積分機與計算機）：研制單位：美國賓夕法尼亞大學研制單位：美國賓夕法尼亞大學用用 途：途： 軍事計算軍事計算運算速度：運算速度：5000次次/秒秒體積價格：體積價格：170平方米，平方米，30噸，噸，140千瓦，千瓦，40萬美元萬美元10計算機的分代計算機的分代( (按使用的元器件按使用的元器件) )u第一代（約第一代（約1946-19571946-1957）電子管計算機）電子管計算機 速度：幾十幾萬次速度：幾十幾萬次/ /秒秒 內存：磁鼓，千字內存：磁鼓，千字 外設：磁帶外設：磁帶 機器語言或匯編語言編程機器語言或匯編語言編程

8、美國于20世紀50年代生產的IBM704型采用電子管的第一代電子計算機第一代電子計算機中使用的磁鼓存儲器u第二代（約第二代（約1957-19641957-1964） 晶體管計算機晶體管計算機 速度：幾十萬次速度：幾十萬次/ /秒，秒， 內存：磁芯，十萬字內存：磁芯，十萬字 外設：磁盤外設：磁盤 高級語言編程高級語言編程電子管晶體管11計算機的分代計算機的分代( (按使用的元器件按使用的元器件) )第三代（約第三代（約1965-19731965-1973）中小規模集成電路）中小規模集成電路(SSI,MSI)(SSI,MSI)計算機計算機 速度：幾十萬次幾百萬次速度：幾十萬次幾百萬次/ /秒秒 內

9、存：半導體存儲器內存：半導體存儲器 高級語言高級語言, OS, DBMS, OS, DBMS第四代（第四代（19741974年起）大規模年起）大規模(LSI)(LSI)和和VLSIVLSI計算機計算機 速度：幾百萬次億次速度：幾百萬次億次/ /秒秒 內存：半導體存儲器內存：半導體存儲器 軟件工程，分布式處理等軟件工程，分布式處理等12第第14代計算機的對比代計算機的對比 代代 別別年年 代代使用的元器件使用的元器件使用的軟件類型使用的軟件類型主要應用領域主要應用領域第第1代代20世紀世紀40年代年代中期中期50年代年代末期末期CPU：電子管：電子管內存：內存：磁鼓磁鼓使用機器語言和使用機器語言

10、和匯編語言編寫程匯編語言編寫程序序科學和工程計科學和工程計算算第第2代代20世紀世紀50年代年代中、后期中、后期60年代中期年代中期CPU：晶體管：晶體管內存：內存：磁芯磁芯使用使用FORTRAN等等高級程序設計語高級程序設計語言言開始廣泛應用開始廣泛應用于數據處理領于數據處理領域域第第3代代20世紀世紀60年代年代中期中期70年代年代初期初期CPU：SSI，MSI內存：內存：SSI，MSI的半導體存儲器的半導體存儲器操作系統、數據操作系統、數據庫管理系統等開庫管理系統等開始使用始使用在科學計算、在科學計算、數據處理、工數據處理、工業控制等領域業控制等領域得到廣泛應用得到廣泛應用第第4代代20

11、世紀世紀70年代年代中期以來中期以來CPU：LSI、VLSI內存：內存：LSI、VLSI的半導體存的半導體存儲器儲器軟件開發工具和軟件開發工具和平臺、分布式計平臺、分布式計算、網絡軟件等算、網絡軟件等開始廣泛使用開始廣泛使用深入到各行各深入到各行各業，家庭和個業，家庭和個人開始使用計人開始使用計算機算機132.1.2 計算機的組成計算機的組成14計算機系統計算機系統計算機硬件計算機硬件計算機軟件計算機軟件運算器運算器控制器控制器輸入設備輸入設備存儲器存儲器輸出設備輸出設備系統軟件系統軟件應用軟件應用軟件操作系統操作系統數據庫管理系統數據庫管理系統程序語言處理系統程序語言處理系統文字處理文字處理

12、通信通信娛樂娛樂計算機是一個復雜系統計算機是一個復雜系統計算機硬件是計算計算機硬件是計算機系統中所有實際機系統中所有實際物理裝置的總稱物理裝置的總稱計算機軟件是指在計算機中計算機軟件是指在計算機中運行的各種程序及其處理的運行的各種程序及其處理的數據和相關的文檔數據和相關的文檔n計算機是一個復雜的系統計算機是一個復雜的系統n復雜性：硬件由數以億計的元器件組成，軟件由數以億計的指令組成復雜性：硬件由數以億計的元器件組成，軟件由數以億計的指令組成n多樣性：硬件與光、機、電、聲等有關，軟件與數學、邏輯多樣性：硬件與光、機、電、聲等有關，軟件與數學、邏輯等有關等有關n層次性：分層層次性：分層(hiera

13、rchical) 結構結構15計算機硬件的邏輯結構計算機硬件的邏輯結構 n經典計算機的邏輯結構（經典計算機的邏輯結構（馮馮. .諾依曼計算機諾依曼計算機）運算器和控制器運算器和控制器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備存儲器存儲器（注：邏輯結構意指概念上（即功能上）的結構）（注：邏輯結構意指概念上（即功能上）的結構）16計算機硬件的邏輯結構計算機硬件的邏輯結構 2n現代計算機的邏輯結構現代計算機的邏輯結構n與經典計算機結構相比的與經典計算機結構相比的3個變化：個變化：n集中控制集中控制分散控制分散控制n存儲器存儲器內存儲器外存儲器內存儲器外存儲器n通過通過CPU通信通信通過總線進行通信通過總線進行

14、通信中央處理器中央處理器(運算器及其控制運算器及其控制)外存儲器外存儲器內存儲器內存儲器輸出設備輸出設備總線總線(bus)輸入設備輸入設備I/O接口接口I/O接口接口外存儲器接口外存儲器接口控制器控制器控制器控制器控制器控制器CPU控制器控制器memorystorageI/O設備通過設備通過I/O接接口口與各自的控制器與各自的控制器連接，然后由控制連接，然后由控制器與器與I/O總線相連總線相連17(1) 輸入設備輸入設備n輸入輸入(input)的雙重含義：的雙重含義：1.把信息送入計算機的過程把信息送入計算機的過程; 2.向計算機輸入的內容向計算機輸入的內容n輸入設備輸入設備(input de

15、vices)n功能：用來向計算機輸入信息功能：用來向計算機輸入信息n輸入設備有多種，例如輸入設備有多種，例如:n鍵鍵 盤盤 輸入文字、符號和命令輸入文字、符號和命令n鼠標器鼠標器輸入鼠標器移動的位置信息及按鈕命令輸入鼠標器移動的位置信息及按鈕命令n掃描儀掃描儀輸入圖片輸入圖片n麥克風麥克風輸入聲音輸入聲音n輸入設備的共性：不論信息的原始形態如何，輸入到計算機中輸入設備的共性：不論信息的原始形態如何，輸入到計算機中的信息都使用二進位來表示的信息都使用二進位來表示18(2) 中央處理器中央處理器(運算控制器運算控制器)n什么是處理器什么是處理器(processor)？n能能高速執行指令，完成二進制

16、數據的算術或邏輯高速執行指令，完成二進制數據的算術或邏輯運算和數據傳送等操作運算和數據傳送等操作的部件，特點是：的部件，特點是：n由數字電路組成，結構非常復雜由數字電路組成，結構非常復雜n所有電路都制作在大規模集成電路芯片上所有電路都制作在大規模集成電路芯片上(僅幾僅幾個平方厘米個平方厘米)，稱為，稱為“微處理器微處理器” (microprocessor)Intel 4004 chipIntel 8080 chip19什么是中央處理器什么是中央處理器(CPU)？n計算機中通常有多個不同的處理器，各有不同的分計算機中通常有多個不同的處理器，各有不同的分工和任務工和任務n用于執行系統軟件和應用軟件

17、的處理器用于執行系統軟件和應用軟件的處理器稱為稱為CPU，CPU是計算機必不可少的核心組成部件是計算機必不可少的核心組成部件n多數個人計算機只有多數個人計算機只有1個個CPU，但有一些計算機包，但有一些計算機包含有含有2個、個、4個、個、8個甚至成百上千個個甚至成百上千個CPU20(3) 存儲器存儲器n功能：功能：n儲存以二進位形式表示的程序和數據儲存以二進位形式表示的程序和數據n分類：內存儲器分類：內存儲器/外存儲器外存儲器內存儲器內存儲器(簡稱內存或主存簡稱內存或主存)外存儲器外存儲器(簡稱簡稱外存外存或輔存或輔存)存取速度存取速度很快很快較慢較慢存儲容量存儲容量較小較小(因單位成本較高因

18、單位成本較高) 很大很大(因單位成本較低因單位成本較低) 性質性質斷電后信息消失斷電后信息消失斷電后信息保持斷電后信息保持用途用途存放已經啟動運行的程序存放已經啟動運行的程序和需要立即處理的數據和需要立即處理的數據長期存放計算機系統中幾乎所長期存放計算機系統中幾乎所有的信息有的信息與與CPU關關系系CPU所處理的指令及數所處理的指令及數據直接從內存中取出據直接從內存中取出程序及相關數據必須先送入內程序及相關數據必須先送入內存后才能被存后才能被CPU使用使用011010011010101000001000000001000011001001111011111存儲內容存儲內容地地 址址21(4)

19、輸出設備輸出設備n輸出輸出(output)的雙重含義：的雙重含義：1.把信息送出計算機的過程把信息送出計算機的過程; 2.從計算機輸出的內容從計算機輸出的內容n輸出設備輸出設備(output devices)n功能：從計算機輸出信息功能：從計算機輸出信息n輸出設備有多種，例如輸出設備有多種，例如:n顯示器顯示器輸出文字、符號和圖形輸出文字、符號和圖形n打印機打印機打印文字、符號和圖形打印文字、符號和圖形n揚聲器揚聲器輸出聲音輸出聲音n(多數多數)輸出設備的共性：把計算機中的二進位信息轉換成人可輸出設備的共性：把計算機中的二進位信息轉換成人可感知的形式感知的形式(文字、符號、圖形、聲音等文字、符

20、號、圖形、聲音等)22(5) 總線總線(bus)n功能：功能：n用于連接用于連接CPU、內存、外存和各種、內存、外存和各種I/O設備并在它們設備并在它們之間傳輸信息的一組之間傳輸信息的一組共享的共享的傳輸線及其控制電路傳輸線及其控制電路n分類：分類：nCPU總線（或前端總線）總線（或前端總線） ：用于連接：用于連接CPU和內存的和內存的總線總線nI/O總線：連接內存和總線：連接內存和I/O設備（包括外存）的總線設備（包括外存）的總線232.1.3 計算機的分類計算機的分類24計算機的分類（計算機的分類（1）n按內部邏輯結構分類按內部邏輯結構分類n8位位/16位位/32位位/64位位n單單CPU

21、/多多CPUnn按性能和價格分類按性能和價格分類n巨型計算機巨型計算機 (supercomputer)n大型計算機大型計算機n小型計算機小型計算機 n個人計算機個人計算機 (personal computer)n筆記本筆記本PCn臺式臺式PCn工作站工作站 (workstation)作為服務器作為服務器(server)使用使用獨立使用或作為獨立使用或作為客戶機客戶機(client)使用使用曙光曙光4000A巨型巨型計算機計算機25計算機的分類（計算機的分類（2）n按計算機服務的對象和作用劃分：按計算機服務的對象和作用劃分：類類型型服務服務對象對象應用應用性質性質主要特點主要特點分類或應用分類或

22、應用舉例舉例軟件特點軟件特點個人個人計算計算機機服務服務器器嵌入嵌入式計式計算機算機直接為直接為用戶服用戶服務務通用通用性能性能/ /價格比高價格比高多媒體性能好多媒體性能好有通用性和可擴展性有通用性和可擴展性 工作站工作站 臺式機臺式機 筆記本筆記本種類多種類多, ,功功能豐富能豐富, ,用用戶可自行裝戶可自行裝卸卸為其它為其它計算機計算機服務服務半通半通用用吞吐率吞吐率(throughput)(throughput)高高可用性可用性(availability)(availability)好好有可擴展性有可擴展性(scalability)(scalability)數據庫服務器數據庫服務器We

23、bWeb服務器服務器打印服務器打印服務器( (企業級企業級, ,部門級部門級) )實時處理和并實時處理和并發工作能力強，發工作能力強，可靠性和安全可靠性和安全性好性好為其它為其它設備服設備服務務專用專用價格便宜價格便宜功耗低功耗低實時實時(real time)(real time)處理處理軟件固化軟件固化, , 擴展性差擴展性差 手機手機 數碼相機數碼相機 MP3MP3播放器播放器 功能專用、單功能專用、單一、結構緊湊，一、結構緊湊，固化在芯片中，固化在芯片中，不易修改和擴不易修改和擴充充 262.1.4 微處理器微處理器和嵌入式計算機和嵌入式計算機27什么是微處理器？什么是微處理器？n微處理

24、器（微處理器（P ）是使用單片大規模集成電路制成的、具）是使用單片大規模集成電路制成的、具有運算和控制功能的電子部件，例如有運算和控制功能的電子部件，例如:nP是各種類型計算機的核心組成部分是各種類型計算機的核心組成部分n用于執行系統軟件和應用軟件的用于執行系統軟件和應用軟件的P 稱為稱為“CPU”n目前幾乎所有計算機的目前幾乎所有計算機的CPU使用的都是微處理器使用的都是微處理器n除了用作除了用作CPU的通用微處理器之外，的通用微處理器之外， 還有許多專用的微還有許多專用的微處理器產品：繪圖處理器、通信處理器等處理器產品：繪圖處理器、通信處理器等Intel 4004Intel 8086Int

25、el 奔騰奔騰4Intel 酷睿酷睿228微處理器的發展非常迅速微處理器的發展非常迅速 處理器處理器主要參數主要參數400480808086802868038680486奔騰奔騰高能奔高能奔騰騰奔騰奔騰奔騰奔騰奔騰奔騰4推出時間推出時間(年年)1971197419781982198519891993199619951997199719981999200320002006主頻主頻 (MHz)0.10824.7762016333310060200150200233333450140015003800前端總線頻前端總線頻率率(MHz)0.10824.77620163325或或3350或或666666

26、100或或133400, 533或或800，1066外部數據線外部數據線數目數目48161632326464646464地址線數目地址線數目1016202432323236363636存儲空間大存儲空間大小小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶體管數目晶體管數目(萬萬)0.230.452.913.427.51203105507509504200制造工藝制造工藝(m)10621.51.51.01.00.80.80.350.60.350.350.250.250.130.130.065芯片引腳數芯片引腳數目目1640,4068132168273或或296387242370478或或77529什么是嵌入式計算機？什么是嵌入式計算機？n把運算器、控制器、存儲器、輸入把運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出控制、接口電路輸出控制、接口電路全都集成在一塊芯片上，這樣的超大規模集成電路稱為全都集成在一塊芯片上，這樣的超大規模集成電路稱為“單片計算機單片計算機”或或“嵌入式計