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文档简介
1、第第2章章 计算机硬件系统计算机硬件系统 2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类 2.2 CPU的结构与原理的结构与原理 2.3 PC机的主机机的主机 2.4 常用输入设备常用输入设备 2.5 常用输出设备常用输出设备 2.6 外存储器外存储器 2.7 常用医学信息采集与处理设备常用医学信息采集与处理设备 2 2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类 2.1.1 计算机的组成计算机的组成 2.1.2 计算机的分类计算机的分类 2.1.3 微处理器和嵌入式计算机微处理器和嵌入式计算机 3 2.1.1 计算机的组成计算机的组成 4 计算机系统计算机系统 计算机硬件系统计算机硬件系统计算机
2、软件系统计算机软件系统 运算器运算器 控制器控制器 输入设备输入设备 存储器存储器 输出设备输出设备 系统软件系统软件应用软件应用软件 操作系统操作系统 数据库管理系统数据库管理系统 程序语言处理系统程序语言处理系统 文字处理文字处理 通信通信 娱乐娱乐 计算机是一个复杂系统计算机是一个复杂系统 计算机硬件系统是计计算机硬件系统是计 算机系统中所有实际算机系统中所有实际 物理装置的总称物理装置的总称 计算机软件系统是指在计算计算机软件系统是指在计算 机中运行的各种程序及其处机中运行的各种程序及其处 理的数据和相关的文档理的数据和相关的文档 n计算机是一个复杂的系统计算机是一个复杂的系统 n复杂
3、性: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复杂性: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 n多样性:硬件与光、机、电、声等有关,软件与数学、逻辑多样性:硬件与光、机、电、声等有关,软件与数学、逻辑等有关等有关 n层次性:分层层次性:分层(hierarchical) 结构结构 5 6 台式台式PC的物理组成的物理组成 台 式 机 台式台式PC 主机主机外部设备外部设备 机箱、电源机箱、电源 主板主板 CPU 内存条内存条 显示卡显示卡 芯片组芯片组 BIOS ROM CMOS PCI插槽插槽(I/O总线总线) 网卡网卡 输入设备输入设备 外存储器外存储器 键盘键盘 鼠
4、标器鼠标器 麦克风麦克风 摄像头摄像头 输出设备输出设备 U盘、移动硬盘盘、移动硬盘 显示器显示器 打印机打印机 音箱音箱/耳机耳机 声卡声卡 插头和插座插头和插座(I/O接口接口) 硬盘、软驱硬盘、软驱 光盘驱动器光盘驱动器 7 计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 1 n经典计算机的逻辑结构(经典计算机的逻辑结构(冯冯. .诺依曼计算机诺依曼计算机) 运算器和控制器运算器和控制器 输入设备输入设备输出设备输出设备 存储器存储器 (注:逻辑结构意指概念上(即功能上)的结构)(注:逻辑结构意指概念上(即功能上)的结构) 中央处理器中央处理器CPU (Central Processing U
5、nit) P.24 8 计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 2 n现代计算机的逻辑结构现代计算机的逻辑结构 n与经典计算机结构相比的与经典计算机结构相比的3个变化:个变化: n集中控制集中控制分散控制分散控制 n存储器存储器内存储器外存储器内存储器外存储器 n通过通过CPU通信通信通过总线进行通信通过总线进行通信 中央处理器中央处理器 (运算器及其控制运算器及其控制) 外存储器外存储器 内存储器内存储器 输出设备输出设备 总线总线(bus) 输入设备输入设备 I/O接口接口I/O接口接口 外存储器接口外存储器接口 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 memory
6、storage I/O设备通过设备通过I/O接接 口口与各自的控制器与各自的控制器连连 接,然后由控制器与接,然后由控制器与 I/O总线相连总线相连 9 (1) 输入设备输入设备 n输入输入(input)的双重含义:的双重含义: 1.把信息送入计算机的过程把信息送入计算机的过程; 2.向计算机输入的内容向计算机输入的内容 n输入设备输入设备(input devices) n功能:用来向计算机输入信息功能:用来向计算机输入信息 n输入设备有多种,例如输入设备有多种,例如: n键键 盘盘 输入文字、符号和命令输入文字、符号和命令 n鼠标器鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令输入鼠标器移动的位置
7、信息及按钮命令 n扫描仪扫描仪输入图片输入图片 n麦克风麦克风输入声音输入声音 n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的信息都使用二进位来表示 10 (2) 中央处理器中央处理器(运算控制器运算控制器) n什么是处理器什么是处理器(processor)? n能能高速执行指令,完成二进制数据的算术或逻辑高速执行指令,完成二进制数据的算术或逻辑 运算和数据传送等操作运算和数据传送等操作的部件,特点是:的部件,特点是: n由数字电路组成,结构非常复杂由数字电路组成,结构非常复杂 n所有电路都制作在大规模
8、集成电路芯片上所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几仅几 个平方厘米个平方厘米),称为,称为“微处理器微处理器” (microprocessor) Intel 4004 chip Intel 8080 chip 11 教师参考:教师参考: 关于关于(微微)处理器和中央处理器处理器和中央处理器(CPU) n现代计算机中一般包含有多个现代计算机中一般包含有多个 (微微)处理器,它们各有不处理器,它们各有不 同的分工和任务:同的分工和任务: n用于执行系统软件和应用软件的处理器称为用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU,CPU是是 计算机必不可少的核心组成部件计算机必不可少的核心组成部件
9、n完成其它功能的处理器举例:完成其它功能的处理器举例: n显卡包含的绘图处理器(用于加速图形绘制)显卡包含的绘图处理器(用于加速图形绘制) n声卡包含的声卡包含的DSP(用于数字声音信号的处理)(用于数字声音信号的处理) n过去,个人计算机通常只有过去,个人计算机通常只有1个个CPU;现在,大部分;现在,大部分PC 机虽然仍只有机虽然仍只有1个个CPU芯片,但其内部却包含有芯片,但其内部却包含有2个、个、4 个、个、6个甚至更多个个甚至更多个CPU,目的是提高系统性能,目的是提高系统性能 12 存储器存储器 中央中央 处理器处理器 存储数据存储数据 和指令和指令 执行指令执行指令 处理数据处理
10、数据 指令,数据指令,数据 处理结果处理结果 CPU的任务的任务 nCPU的主要任务是执行指令,它按指令的规定对的主要任务是执行指令,它按指令的规定对 数据进行操作数据进行操作 13 (3) 存储器存储器 n功能:功能: n储存以二进位形式表示的程序和数据储存以二进位形式表示的程序和数据 n分类:内存储器分类:内存储器/外存储器外存储器 内存储器内存储器 (简称内存或主存简称内存或主存) 外存储器外存储器 (简称简称外存外存或辅存或辅存) 存取速度存取速度很快很快较慢较慢 存储容量存储容量较小较小(因单位成本较高因单位成本较高) 很大很大(因单位成本较低因单位成本较低) 性质性质断电后信息消失
11、断电后信息消失断电后信息保持断电后信息保持 用途用途存放已经启动运行的程序存放已经启动运行的程序 和需要立即处理的数据和需要立即处理的数据 长期存放计算机系统中几乎所长期存放计算机系统中几乎所 有的信息有的信息 与与CPU关关 系系 CPU所处理的指令及数所处理的指令及数 据直接从内存中取出据直接从内存中取出 程序及相关数据必须先送入内程序及相关数据必须先送入内 存后才能被存后才能被CPU使用使用 01101001 10101010 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 存储内容存储内容 地地 址址 存储单元存储单元 14 (4) 输出设备输出设备
12、 n输出输出(output)的双重含义:的双重含义: 1.把信息送出计算机的过程把信息送出计算机的过程; 2.从计算机输出的内容从计算机输出的内容 n输出设备输出设备(output devices) n功能:从计算机输出信息功能:从计算机输出信息 n输出设备有多种,例如输出设备有多种,例如: n显示器显示器输出文字、符号和图形输出文字、符号和图形 n打印机打印机打印文字、符号和图形打印文字、符号和图形 n扬声器扬声器输出声音输出声音 n(多数多数)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 感知的形式感知的形式(文字、符号、图形、声音等文字
13、、符号、图形、声音等) 15 (5) 总线总线(bus) n功能:功能: n用于连接用于连接CPU、内存、外存和各种、内存、外存和各种I/O设备并在它们设备并在它们 之间传输信息的一组之间传输信息的一组共享的共享的传输线及其控制电路传输线及其控制电路 n分类:分类: nCPU总线(或前端总线)总线(或前端总线) :用于连接:用于连接CPU和内存和内存的的 总线总线 nI/O总线:连接总线:连接内存和内存和I/O设备设备(包括外存)的总线(包括外存)的总线 16 2.1.2 计算机的分类计算机的分类 17 计算机的分类(计算机的分类(1) n按内部逻辑结构分类按内部逻辑结构分类 n8位位/16位
14、位/32位位/64位位 n单单CPU/多多CPU n n按性能和价格分类按性能和价格分类 n巨型计算机巨型计算机 (supercomputer) n大型计算机大型计算机 n小型计算机小型计算机 n微型计算机微型计算机 (personal computer) n笔记本笔记本PC n台式台式PC n工作站工作站 (workstation) n嵌入式计算机嵌入式计算机 作为服务器作为服务器 (server)使用使用 独立使用或作为独立使用或作为 客户机客户机(client)使用使用 1 P.25 18 巨型计算机(巨型计算机(Supercomputer) n也称超级计算机,有极强的运算处理能力,速度
15、达到每秒运算也称超级计算机,有极强的运算处理能力,速度达到每秒运算 数万、数十万亿次以上数万、数十万亿次以上 n采用大规模采用大规模并行处理并行处理的结构,由数以百计、千计、万计的的结构,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共同完成系统软件和应用软件运行任务 n大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、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、破解密码等领域生物信息处理、破解密码等领域 n国际上:国际上: n美国美国IBM公司的公司的GeneL系统,运算速度为系统,运算速度为280.6万亿次秒万亿次秒 n美国美国Cray
16、公司公司XT4巨型计算机巨型计算机(3万处理器万处理器) 250万亿次秒万亿次秒 n日本日本NEC公司的公司的“地球模拟器地球模拟器” n我国:我国: n江南计算技术研究所江南计算技术研究所;“神威神威”巨型机巨型机 n中科院计算所中科院计算所(曙光计算机公司曙光计算机公司) :“曙光曙光”巨型计算机巨型计算机 n国防科技大学:国防科技大学: “银河银河”巨型机、巨型机、“天河一号天河一号”千万亿次千万亿次/秒秒 n联想集团公司:联想集团公司:“深腾深腾”巨型机巨型机 19 神威巨型计算机神威巨型计算机 巨型计算机(续)巨型计算机(续) IBM Blue Gene/L supercompute
17、r Cray 巨型计算机巨型计算机 银河巨型计算机银河巨型计算机 2009年全球第年全球第5名名 天河一号巨型计算机天河一号巨型计算机 “天河一号”峰值性能1.206千万亿次双精度浮点运算;有6144个通用处理器和5120个加速处理器;内存总容 量98TB,点点通信带宽40Gbps;共享磁盘总容量1PB,是中国国家网格计算主结点 20 多种多样的个人计算机多种多样的个人计算机 台式个人计算机台式个人计算机(立式立式) 便携式便携式(笔记本笔记本)个人计算机个人计算机 台式个人计算机台式个人计算机(卧式卧式) Apple Workstation 一体式个人计算机一体式个人计算机 Tablet P
18、C(平板式电脑平板式电脑) 个人数字助理个人数字助理(PDA) 上网本上网本 21 Apple公司的公司的iPad平板电脑平板电脑 Height: 9.56 inches (242.8 mm) Width: 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 display with IPS technology 1024-by-768-pixel resolution 1
19、6GB 32GB 64GB Wi-Fi$499$599$699 Wi-Fi + 3G$629$729$829 22 关于关于“服务器服务器” n服务器的英文名是服务器的英文名是“server”,指的是在计算机网络中专门用,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、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)的一类计算机软件等)的一类计算机 n原理上任何计算机都可以作为服务器使用原理上任何计算机都可以作为服务器使用 n巨型机和大型机可以作为企业级服务器巨型机和大型机可以作为企业级服务器 n专用的服务器可作为部门级服务器专用的服务器可
20、作为部门级服务器 n一般的一般的PC也可以作为工作组服务器或打印服务器也可以作为工作组服务器或打印服务器 n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 “服务器服务器”的一类计算机产品,其特点是:的一类计算机产品,其特点是: n存储容量大,存取速度快,网络通信功能强,可靠性好存储容量大,存取速度快,网络通信功能强,可靠性好 23 例:例:HP公司的公司的ProLiant 服务器服务器 24 计算机的分类(计算机的分类(2) n按计算机服务的对象和作用划分:按计算机服务的对象和作用划分: 类类 型型 服务服务 对象对象 应用应用 性质
21、性质 主要特点主要特点 分类或应用分类或应用 举例举例 软件特点软件特点 个人个人 计算计算 机机 服务服务 器器 嵌入嵌入 式计式计 算机算机 直接为直接为 用户服用户服 务务 通用通用性能性能/ /价格比高价格比高 多媒体性能好多媒体性能好 有通用性和可扩展性有通用性和可扩展性 工作站工作站 台式机台式机 笔记本笔记本 种类多种类多, ,功功 能丰富能丰富, ,用用 户可自行装户可自行装 卸卸 为其它为其它 计算机计算机 服务服务 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 有可扩展性有可扩展性(scalability)(scalability) 数据库服务器数据库服务器 WebWeb服务器服务器 打印服务器打印服务器 ( (企业级企业级, ,部门
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