第2章2.1 计算机的组成与分类

1、第第2章章 计算机组成原理计算机组成原理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（自学）常用输入设备（自学）2.5 常用输出设备（自学）常用输出设备（自学）2.6 外存储器外存储器22.1 计算机的组成与分类2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类2.1.1 计算机的发展与作用计算机的发展与作用2.1.2 计算机的逻辑组成计算机的逻辑组成2.1.3 计算机的分类计算机的分类32.1 计算机的组成与分类2.1.1 计算机的发展与作用计算机的发展与作用42.1 计算机的组成与分类过去的计算工具过去的计算

2、工具n随着生产的发展和社会的进步随着生产的发展和社会的进步，计算工具的发展过计算工具的发展过程从简单到复杂程从简单到复杂、从低级到高级从低级到高级n计算工具相继出现计算工具相继出现了如了如：n算盘算盘n计算计算尺尺n手摇计算器手摇计算器n电动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） 1 、 计算机的发展计算机的发展52.1 计算机的组成与分类 帕斯卡的加法机帕斯卡的加法机l1642年，法国数学家年，法国数学家B. Pascal用钟表用钟表元件制造了一种能够做两个十进制数元件制造了一种能够做两个十进制数加减法的机器加减法的机器62.1 计算机的组成与分类上世纪上

3、世纪30年代年代的的机械机械式式计算器计算器电动式计算器（电动式计算器（1930）手摇式计算器手摇式计算器72.1 计算机的组成与分类 第第1 1台数字电子计算机台数字电子计算机诞生诞生n19461946年美国宾州大学研制成功第年美国宾州大学研制成功第1 1台台数字电子数字电子计算机计算机- -ENIACPhoto: van Pelt Library, U Penn.18 000 电子管电子管,6000 开关开关占地面积占地面积: 150 m2重量重量: 30 吨吨功耗功耗: 140 KW运算速度运算速度: 5000 次次/s平均无故障时间平均无故障时间 7 min外部程序控制外部程序控制82

4、.1 计算机的组成与分类第第1代数字电子计算机代数字电子计算机u时间：约时间：约1946-19571946-1957u使用的元器件：使用的元器件：电子管电子管 速度：几十几万次速度：几十几万次/ /秒秒 内存：磁鼓，千字内存：磁鼓，千字 外设：磁带外设：磁带 机器语言或汇编语言编程机器语言或汇编语言编程美国于美国于2020世纪世纪5050年代生产年代生产的的IBM704IBM704型电子管计算型电子管计算机机磁鼓存储器磁鼓存储器92.1 计算机的组成与分类我国第我国第1台数字电子计算机台数字电子计算机n1956年，华罗庚受命筹建中国科年，华罗庚受命筹建中国科学院计算技术研究所。学院计算技术研究

5、所。n1958年中国第一台计算机年中国第一台计算机103型型机研制成功，中国科学院计算所机研制成功，中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制。字长与北京有线电厂共同研制。字长31位，位，内存内存容量为容量为1024字，运算字，运算速度每秒速度每秒450次。次。 1958年年8月月1日日该机可以表演短程序运行，标志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。着我国第一台电子计算机诞生。该机在该机在738厂开始小量生产，改厂开始小量生产，改名为名为103型计算机，共生产型计算机，共生产38台台 102.1 计算机的组成与分类第第2代数字电子计算机代数字电子计算机u时间：约时间：约1957

6、-19641957-1964u使用的元器件：使用的元器件：晶体管晶体管 速度：几十万次速度：几十万次/ /秒，秒， 内存：磁芯，十万字内存：磁芯，十万字 外设：磁盘外设：磁盘 高级语言编程高级语言编程电子管电子管晶体管晶体管112.1 计算机的组成与分类我国的第我国的第2代电子计算机代电子计算机n1964年我国华北计算所先后研制成功年我国华北计算所先后研制成功108乙机乙机(DJS-6)、121机机(DJS-21)和和320机机(DJS-6)，并在，并在738厂等五家工厂生产；哈军厂等五家工厂生产；哈军工（国防科大前身）研制成功工（国防科大前身）研制成功441B全晶体管计算机，小批量全晶体管计

7、算机，小批量生产了生产了40多台。多台。当时我国研发出的计当时我国研发出的计算机，仅有小批量算机，仅有小批量生生产产，由国家，由国家分配到各分配到各个科研院所使用。研个科研院所使用。研发和生产计算机的单发和生产计算机的单位，全部是军工企业。位，全部是军工企业。具备极高的保密措施，具备极高的保密措施，每一个元件，每一张每一个元件，每一张设计图纸都被严格设计图纸都被严格看看管管 122.1 计算机的组成与分类第第3代数字电子计算机代数字电子计算机时间：约时间：约1965-1973使用的元器件：使用的元器件：中小规模集成电路中小规模集成电路 速度：几十万次几百万次速度：几十万次几百万次/秒秒内存：半

8、导体存储器内存：半导体存储器软件：高级编程语言软件：高级编程语言 操作系统操作系统, 数据库数据库132.1 计算机的组成与分类上世纪上世纪70年代年代 我国的集成电路计算机我国的集成电路计算机DJS-180系列超级小型系列超级小型 计算机计算机天津天津DJS130DJS130小型机参展小型机参展“19751975年广交会年广交会” ” 142.1 计算机的组成与分类第第4代数字电子计算机代数字电子计算机n时间：从时间：从1974年起年起n使用的元器件：使用的元器件：大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLSI）u速度：几百万次亿次速度：几百万次亿次/秒秒u内存：半导体存储器内

9、存：半导体存储器u软件工程，分布式处理等软件工程，分布式处理等152.1 计算机的组成与分类第第14代计算机的对比代计算机的对比 代代 别别年年 代代使用的元器件使用的元器件使用的软件类型使用的软件类型主要应用领域主要应用领域第第1代代20世纪世纪40年代年代中期中期50年代年代末期末期CPU：电子管：电子管内存：内存：磁鼓磁鼓使用机器语言和使用机器语言和汇编语言编写程汇编语言编写程序序科学和工程计科学和工程计算算第第2代代20世纪世纪50年代年代中、后期中、后期60年代中期年代中期CPU：晶体管：晶体管内存：内存：磁芯磁芯使用使用FORTRAN等等高级程序设计语高级程序设计语言言开始广泛应用

10、开始广泛应用于数据处理领于数据处理领域域第第3代代20世纪世纪60年代年代中期中期70年代年代初期初期CPU：SSI，MSI内存：内存：SSI，MSI的半导体存储器的半导体存储器操作系统、数据操作系统、数据库管理系统等开库管理系统等开始使用始使用在科学计算、在科学计算、数据处理、工数据处理、工业控制等领域业控制等领域得到广泛应用得到广泛应用第第4代代20世纪世纪70年代年代中期以来中期以来CPU：LSI、VLSI内存：内存：LSI、VLSI的半导体存的半导体存储器储器软件开发工具和软件开发工具和平台、分布式计平台、分布式计算、网络软件等算、网络软件等开始广泛使用开始广泛使用深入到各行各深入到各

11、行各业，家庭和个业，家庭和个人开始使用计人开始使用计算机算机162.1 计算机的组成与分类计算机的发展大大超出人们预料计算机的发展大大超出人们预料n由于集成电路技术的发展和微处理器的出现，计算机发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：展速度之快，大大超出人们的预料：n性能不断提高性能不断提高n体积不断变小体积不断变小n功耗不断降低功耗不断降低n价格越来越便宜价格越来越便宜n软件越来越丰富软件越来越丰富n使用越来越容易使用越来越容易n应用领域越来越普遍应用领域越来越普遍n计算机数量不断增加计算机数量不断增加 上述趋势不仅仍在继续，且节奏上述趋势不仅仍在继

12、续，且节奏进一步加快进一步加快 已不再沿用已不再沿用“第第x x代计算机代计算机”的的说法。说法。 正在研究开发智能化的计算机系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，模拟或部分替代人的智能活动，具有自然的人机通信能力具有自然的人机通信能力 172.1 计算机的组成与分类2、计算机的特点与作用、计算机的特点与作用182.1 计算机的组成与分类计算机能做许多不同的工作计算机能做许多不同的工作l算题（科学计算）算题（科学计算）l制作图案制作图案l处理文字处理文字l管理数据管理数据l控制其他机器控制其他机器l游戏游戏l收发邮件收

13、发邮件l收看电视收看电视l播放音乐播放音乐l设计产品设计产品l帮助决策帮助决策l模拟世界上的事物模拟世界上的事物l制作影视特技制作影视特技l寻找信息寻找信息l与人聊天与人聊天l 问题：为什么计算机能做许多不同的工作？为什么计算机问题：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？可以同时做许多不同的工作？是不是计算机什么都能做？192.1 计算机的组成与分类计算机有哪些特性？计算机有哪些特性？n计算机的特性：计算机的特性：（1）速度）速度快快（2）存储容量）存储容量大大（3）通用性通用性好好n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

14、息进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行处理n不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算n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）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力202.1 计算机的组成与分类计算机计算机对社会的进步与发展有对社会的进步与发展有 巨大作用巨大作用n计算机应用于计算机应用于科学研究科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自，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

15、科学技术的发展。然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。n计算机应用于计算机应用于工农业生产工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和，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。劳动生产效率，促进了经济的飞跃发展。n计算机应用于计算机应用于社会服务社会服务，大大扩展和改善了服务范围与质量，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。提高了工作效率，推动了社会进步。n计算机应用于计算机应用于社会文化社会文化，为人类传承并创造知识与文化提供，为人类传承并创造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，了现代化工具，改变了人们创造

16、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。扩展了人类文化活动的领域、丰富了内容、提高了质量。212.1 计算机的组成与分类计算机有什么负面影响？计算机有什么负面影响？n计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：n计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果n信息欺骗和计算机犯罪增加信息欺骗和计算机犯罪增加n知识产权保护更加困难知识产权保护更加困难n个人隐私受到威胁个人隐私受到威胁n不良和有害信息肆意传播和泛滥不良和有害信息肆意传播和泛滥n大量电子垃圾污染环境、破坏生态大量电子垃圾污染环境、

17、破坏生态n长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理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和心理带来严重危害 222.1 计算机的组成与分类2.1.2 计算机的逻辑组成计算机的逻辑组成232.1 计算机的组成与分类计算机系统计算机系统硬件硬件软件软件242.1 计算机的组成与分类252.1 计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 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

18、CPU控制器控制器memorystorageI/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接，然后由控制连接，然后由控制器与器与I/O总线相连总线相连262.1 计算机的组成与分类 (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

19、信息及按钮命令输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令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272.1 计算机的组成与分类(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

20、，结构非常复杂n所有电路都制作在大规模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 chipIntel 8080 chip282.1 计算机的组成与分类 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

21、机必不可少的核心组成部件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；n现在，现在，大部分大部分PC机虽然仍只有机虽然仍只有1个个CPU芯片，但其内部芯片，但其内部却包含有却包含有2个、个、4个或个或6个个CPU(内核内核)，称为，称为“多核多核”，目，目的是提高系统性能的是提高系统性能292.1 计算机的组成与分类 (3) 存储器存储器n功能：功能：n储存以二进

22、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关系关系CPU所处理的指令及数所处理

23、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011010011010101000001000000001000011001001111011111存储内容存储内容地地 址址存储单元存储单元302.1 计算机的组成与分类 (4) 输出设备输出设备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

24、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、符号、图形、声音等)312.1 计算机的组成与分类(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

25、总线（或前端总线）总线（或前端总线） ：用于连接：用于连接CPU和内存储和内存储器的总线器的总线nI/O总线：连接内存和总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线设备（包括外存）的总线322.1 计算机的组成与分类2.1.3 计算机的分类计算机的分类332.1 计算机的组成与分类计算机的分类（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位位/32位位/64位位n单单CPU/多多CPUnn按性能、用途和价格分类按性能、用途和价格分类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(服务器服务器) n个人计算机个人计算机

26、 (personal computer)n台式台式PCn笔记本笔记本PCn平板电脑等平板电脑等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342.1 计算机的组成与分类巨型计算机（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