新版第2章硬件系统

1、第第2章章 计算机硬件系统计算机硬件系统l 信息工具信息工具计算机计算机l 计算机的工作原理计算机的工作原理l 微机系统及其主要指标微机系统及其主要指标l 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统l 计算机应用计算机应用2.1 信息工具信息工具计算机计算机2.1.1 计算机的发展计算机的发展2.1.2 计算机的特点计算机的特点2.1.3 计算机的分类计算机的分类2.1.4 计算机的应用计算机的应用2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势2.1.1 计算机的发展计算机的发展 人类所使用的计算工具从简单到复杂、从低级人类所使用的计算工具从简单到复杂、从低级到高级的发展过程中，相继出现了如算盘、计算尺、

2、到高级的发展过程中，相继出现了如算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等。手摇机械计算机、电动机械计算机等。 1946年年2月，世界上第一台数字电子计算机月，世界上第一台数字电子计算机“ENIAC（Electronic Numberical Integrate and Calculator）”在美国宾夕法在美国宾夕法尼亚大学诞生。尼亚大学诞生。“ENIAC”共使用了共使用了17468个电个电子管，占地子管，占地170m2，功率，功率174kw，重达，重达30t，每秒进行每秒进行5000次加法运算。它标志着计算机时代次加法运算。它标志着计算机时代的到来。的到来。 ENIAC2.1.1 计算

3、机的发展计算机的发展起止起止年份年份代别代别主要逻辑元件主要逻辑元件软件软件存储器存储器运算速度运算速度1946-1946-1957 1957 一一电子管电子管机器语言、汇编机器语言、汇编语言语言水银延迟线水银延迟线磁鼓、磁芯磁鼓、磁芯几千几千几万次几万次 1958-1958-19641964二二晶体管晶体管高级语言高级语言（FORTRANFORTRAN、BASICBASIC）简单操作系统简单操作系统磁芯、磁盘磁芯、磁盘几十万次几十万次 1965-1965-19701970三三中小规模集成电中小规模集成电路路 功能较强的操作功能较强的操作系统系统半导体存储器半导体存储器 几十万几百万次几十万几

4、百万次 1971- 1971- 四四大、超大规模集大、超大规模集成电路成电路数据库、语言编数据库、语言编译系统、译系统、网络软件、网络软件、C+C+及及JavaJava问世问世半导体存储器半导体存储器几百万几百亿次几百万几百亿次19561956开始研究，开始研究，19581958年研究出第一台电子管计算机年研究出第一台电子管计算机19641964年：晶体管计算机，年：晶体管计算机，19711971年：集成电路计算机年：集成电路计算机19831983年：年：“银河银河”巨型机，运算速度每秒巨型机，运算速度每秒1 1亿次亿次19971997年：年：“银河银河”巨型机，运算速度每秒巨型机，运算速度每

5、秒130130亿次亿次19951995年：年：“曙光曙光1000”1000”研制完成研制完成 20012001年：中科院计算所推出我国第一款通用年：中科院计算所推出我国第一款通用CPU“CPU“龙芯龙芯”芯片芯片 20042004年：年：曙光公司曙光公司研制出研制出“曙光曙光400OA”400OA”20052005年：龙芯年：龙芯2 2号正式面世号正式面世20082008年：曙光年：曙光5000A5000A研制成功，继美国后第二个成功研制浮研制成功，继美国后第二个成功研制浮点速度在百万亿次的超级计算机。点速度在百万亿次的超级计算机。20102010年：国际超级计算机大会公布中国超级计算机年：国

6、际超级计算机大会公布中国超级计算机“星云星云”是世界第二快的计算机是世界第二快的计算机 ，仅仅排在美国克雷公司的，仅仅排在美国克雷公司的“美洲美洲豹豹XT5”XT5”之后。之后。20102010年：经过一年时间全面的系统升级后，年：经过一年时间全面的系统升级后，“天河一号天河一号”在第在第3636届全球超级计算机五百强排名中夺魁。实测运算速届全球超级计算机五百强排名中夺魁。实测运算速度可达每秒度可达每秒25702570万亿次。万亿次。2.1.2 计算机的工作的特点计算机的工作的特点 1.高速性高速性计算机的运算部件采用的是电子器件，其运计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工

7、具所能比拟，而且其运算算速度远非其他计算工具所能比拟，而且其运算速度还在快速提高。速度还在快速提高。2.1.2 计算机的工作的特点计算机的工作的特点 2.存储性存储性计算机的存储性是计算机区别于其他计算工计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来以备随时调用。中间结果、运算指令等存储起来以备随时调用。存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。存储性是计算机能准确地存入或取出这些信息。存储性是计算机能够自动运算的前提和

8、基础。够自动运算的前提和基础。2.1.2 计算机的工作的特点计算机的工作的特点 3.通用性通用性通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。任何复杂的任务都可以分解为基本的算术运算和任何复杂的任务都可以分解为基本的算术运算和逻辑操作集合，计算机程序员可以把这些基本的逻辑操作集合，计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则（算法）写成一系列操运算和操作按照一定规则（算法）写成一系列操作指令，加上运算所需的数据，形成适当的程序作指令，加上运算所需的数据，形成适当的程序就可以完成各种各样的任务。就可以完成各种各样的任务。2.1.2 计算机的工作的特点计算机

9、的工作的特点 4.自动性自动性计算机内部的操作运算是根据人们预先编制计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序和要处理的数据输入计算机，计算机的处理程序和要处理的数据输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。操作，直到得出结果为止。2.1.2 计算机的工作的特点计算机的工作的特点 5.精确性精确性计算机通常采用二进制运算，这使得计算机计算机通常采用二进制运算，这使得计算机的状态稳定，算术和逻辑运算规则简单，可靠性的状态稳定

10、，算术和逻辑运算规则简单，可靠性很高，差错率极低。一般来讲，只在人工介入的很高，差错率极低。一般来讲，只在人工介入的地方才有可能发生错误，这就是计算机的精确性。地方才有可能发生错误，这就是计算机的精确性。2.1.3 计算机的分类计算机的分类 1.按信息表示形式和处理方式划分按信息表示形式和处理方式划分根据信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为根据信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。模拟计算机和数字计算机两大类。模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。由于受元器件质量的连

11、续量表示，其运算过程是连续的。由于受元器件质量的影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生的影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。产。数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用离散的数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用离散的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算。目前主流的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算。目前主流的计算机都属于数字计算机。计算机都属于数字计算机。2.1.3 计算机的分类计算机的分类2.按计算机的用途划分按计算机的用途划分电子计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。电子计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机与通用计算机在效率、速度、配

12、置、结构专用计算机与通用计算机在效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其他方面的应用。在导弹和火但它的适应性较差，不适于其他方面的应用。在导弹和火箭上使用的计算机很多是专用计算机。箭上使用的计算机很多是专用计算机。通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。速度和经济性依据不同的应用对象

13、会受到不同程度的影响。2.1.3 计算机的分类计算机的分类3.按计算机的规模划分按计算机的规模划分通用计算机按其规模、速度和功能等又可分通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等方数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等方面的不同。面的不同。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 1.数值计算数值计算计算机最初是

14、为解决科学研究和工程设计中遇到的大计算机最初是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具。随着现代科学量数学问题的数值计算而研制的计算工具。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中尤为重要。例如，人造卫星轨断提高，在尖端科学领域中尤为重要。例如，人造卫星轨迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机的精确计算。设计都离不开计算机的精确计算。在工业、农业以及人类社会的各领域中，计算机的应在工业、农业以

15、及人类社会的各领域中，计算机的应用都取得了许多重大突破，就连我们每天收看的天气预报用都取得了许多重大突破，就连我们每天收看的天气预报都离不开计算机的科学计算。都离不开计算机的科学计算。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 2.数据处理数据处理(信息处理信息处理)在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据，在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据，其中包括大量图片、文字、声音等。信息处理就是对数据其中包括大量图片、文字、声音等。信息处理就是对数据进行收集、分类、排序、存储、计算、传输和制表等操作。进行收集、分类、排序、存储、计算、传输和制表等操作。目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事

16、管理、库目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索和经济管理等。检索和经济管理等。信息处理是当代计算机的主要任务，是现代化管理的信息处理是当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。据统计，全世界计算机用于数据处理的工作量占全基础。据统计，全世界计算机用于数据处理的工作量占全部计算机应用工作量的部计算机应用工作量的80%以上，大大提高了工作效率以上，大大提高了工作效率和管理水平。和管理水平。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 3.自动控制自动控制自动控制是指通过计算机对某一过程进行自

17、动操作，自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，它不需人工干预，能按人预定的目标和预定的状态进行过它不需人工干预，能按人预定的目标和预定的状态进行过程控制。所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集、检程控制。所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集、检测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程，目前被广泛测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程，目前被广泛用于钢铁、石油化工、医药工业等操作复杂的生产中。使用于钢铁、石油化工、医药工业等操作复杂的生产中。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率、产品质量，降低成本，缩短生产

18、周期。提高劳动效率、产品质量，降低成本，缩短生产周期。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 3.自动控制自动控制计算机自动控制还在国防和航空航天领域中计算机自动控制还在国防和航空航天领域中发挥着重要作用。例如，无人驾驶飞机、导弹、发挥着重要作用。例如，无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制都是靠计算人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制都是靠计算机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢。领域的神经中枢。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 4.计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助系统是指通过人机交互，使计算

19、机辅助人计算机辅助系统是指通过人机交互，使计算机辅助人们进行设计、加工、计划和学习等工作。们进行设计、加工、计划和学习等工作。计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design)是指借助计算机的帮助，自动或半自动地完成各是指借助计算机的帮助，自动或半自动地完成各类工程设计工作。目前，类工程设计工作。目前，CAD技术已应用于飞机设计、船技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计和大规模集成电路设计等。舶设计、建筑设计、机械设计和大规模集成电路设计等。在京九铁路的勘测设计中，使用计算机辅助设计系统绘制在京九铁路的勘测设计中，使用计算机辅助设计系统绘制一张图纸仅

20、需几个小时，而过去人工完成同样工作则需要一张图纸仅需几个小时，而过去人工完成同样工作则需要一周甚至更长时间。可见，采用计算机辅助设计可缩短设一周甚至更长时间。可见，采用计算机辅助设计可缩短设计时间，提高工作效率，节省人力、物力和财力，更重要计时间，提高工作效率，节省人力、物力和财力，更重要的是提高了设计质量。的是提高了设计质量。CAD已得到各国工程技术人员的高已得到各国工程技术人员的高度重视。度重视。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 4.计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助设计和辅助教学 有些国家已把有些国家已把CAD和计算机辅助制造和计算机辅助制造(CAM，Computer Aided M

21、anufacturing)、计算、计算机辅助测试机辅助测试(CAT，Computer Aided Test)及计算机辅助工程及计算机辅助工程(CAE，Computer Aided Engineering)组成一个集成系统，使设计、制组成一个集成系统，使设计、制造、测试和管理有机地成为一体，形成高度的自造、测试和管理有机地成为一体，形成高度的自动化系统，因此产生了自动化生产线和动化系统，因此产生了自动化生产线和“无人工无人工厂厂”。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 4.计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学(CAI，Computer Aided Inst

22、ruction)是指用计算机来辅助完成教学计划是指用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程。计算机可按不同要求，分或模拟某个实验过程。计算机可按不同要求，分别提供所需教材内容，还可以进行个别教学，及别提供所需教材内容，还可以进行个别教学，及时指出该学生在学习中出现的错误，根据计算机时指出该学生在学习中出现的错误，根据计算机对该生的测试成绩决定该生的学习从一个阶段进对该生的测试成绩决定该生的学习从一个阶段进入另一个阶段。入另一个阶段。CAI不仅能减轻教师的负担，还不仅能减轻教师的负担，还能激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养能激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养现代化高质量人才提供了

23、有效途径。现代化高质量人才提供了有效途径。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 5.人工智能方面的研究和应用人工智能方面的研究和应用人工智能人工智能(AI，Artificial Intelligence)是指计算是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。人工智能机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。人工智能是计算机应用的一个新领域，这方面的研究和应用正处于是计算机应用的一个新领域，这方面的研究和应用正处于发展阶段，在医疗诊断、定理证明、语言翻译和机器人等发展阶段，在医疗诊断、定理证明、语言翻译和机器人等方面已有了显著的成效。例如，用计算机模拟人脑的部分方面已有了显著的成效。例如，用

24、计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一定定“思维能力思维能力”。我国已开发成功的一些中医专家诊断系。我国已开发成功的一些中医专家诊断系统，可以模拟名医给患者诊病开方。统，可以模拟名医给患者诊病开方。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 5.人工智能方面的研究和应用人工智能方面的研究和应用机器人是计算机人工智能的典型例子。机器人的核心是机器人是计算机人工智能的典型例子。机器人的核心是计算机。第一代机器人是机械手；第二代机器人对外界信息计算机。第一代机器人是机械手；第二代机器人对外界信息能够反馈，有一定的触觉、视觉、

25、听觉；第三代机器人是智能够反馈，有一定的触觉、视觉、听觉；第三代机器人是智能机器人，具有感知和理解周围环境，使用语言、推理、规能机器人，具有感知和理解周围环境，使用语言、推理、规划和操纵工具的技能，模仿人完成某些动作。机器人不怕疲划和操纵工具的技能，模仿人完成某些动作。机器人不怕疲劳，精确度高，适应力强，现已开始用于搬运、喷漆、焊接、劳，精确度高，适应力强，现已开始用于搬运、喷漆、焊接、装配等工作中。机器人还能代替人在危险环境中进行繁重的装配等工作中。机器人还能代替人在危险环境中进行繁重的劳动，如在有放射线、污染、有毒、高温、低温、高压、水劳动，如在有放射线、污染、有毒、高温、低温、高压、水下

26、等环境中工作。下等环境中工作。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 6.多媒体技术应用多媒体技术应用随着通信和计算机技术的发展，人们已经有随着通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的媒体各种媒体综合起来，构成一种全新的媒体“多多媒体媒体”(Multimedia)。在医疗、教育、商业、。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。有关多媒版等领域中，多媒体的应用发展很快。有关多媒体应用的其他内容

27、详见本书第体应用的其他内容详见本书第8章。章。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 7.计算机网络与通信计算机网络与通信随着网络技术的发展，计算机的应用进一步深入随着网络技术的发展，计算机的应用进一步深入到社会的各行各业，通过高速的网络实现数据与到社会的各行各业，通过高速的网络实现数据与信息的查询，高速通信服务信息的查询，高速通信服务(电子邮件、电视电话、电子邮件、电视电话、电视会议、文档传输电视会议、文档传输)，电子教育，电子娱乐，电，电子教育，电子娱乐，电子购物子购物(通过网络选看商品、办理购物手续、质量通过网络选看商品、办理购物手续、质量投诉等投诉等)，远程医疗和会诊以及交通信息管理等。

28、，远程医疗和会诊以及交通信息管理等。计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展。计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展。2.1.4 计算机的应用计算机的应用 7.计算机网络与通信计算机网络与通信 利用通讯技术，可以将不同地理位置的计算机利用通讯技术，可以将不同地理位置的计算机互联，可以实现世界范围内的信息资源共享，并互联，可以实现世界范围内的信息资源共享，并能交互式地交流信息，这是传统通信手段难以达能交互式地交流信息，这是传统通信手段难以达到的。到的。Internet的建立和应用使世界变成了一个的建立和应用使世界变成了一个“地球村地球村”，它正在深刻地改变着我们的生活、，它正在深刻地改变着我们

29、的生活、学习和工作方式。学习和工作方式。2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 1.巨型化巨型化由于多处理机结构和并行处理技术的采用，由于多处理机结构和并行处理技术的采用，具有超强功能的巨型机也取得了稳步发展。巨型具有超强功能的巨型机也取得了稳步发展。巨型化是指发展高速的、大存储量和强大功能的巨型化是指发展高速的、大存储量和强大功能的巨型计算机。巨型计算机主要应用于天文、气象、地计算机。巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科质、核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域。巨型计算机的技术水平是一个国家学技术领域。巨型计算机的技术水平是一个国家科

30、学技术和工业发展水平的重要标志。科学技术和工业发展水平的重要标志。2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 2.微型化微型化微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。计算机的把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向。各种笔记本式计算微型化已成为计算机发展的重要方向。各种笔记本式计算机和掌上计算机的大量面世和使用，是计算机微型化的一机和掌上计算机的大量面世和使用，是计算机微型化的一个标志。嵌入式系统通常将微小的计算机系统植入宿主设个标志。嵌入式系统通常将微

31、小的计算机系统植入宿主设备，此类计算机一般不被设备使用者注意。这是计算机的备，此类计算机一般不被设备使用者注意。这是计算机的微型化应用最多的领域，典型机型如微控制器、微处理器微型化应用最多的领域，典型机型如微控制器、微处理器和和DSP等。等。2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 2.微型化微型化微型计算机也进入了大量的仪器、仪表、家微型计算机也进入了大量的仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现过程的心脏，使仪器设备实现“智能化智能化”。随着。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微电子技术的进

32、一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更高的性能价格比受到人们的微型计算机必将以更高的性能价格比受到人们的欢迎。欢迎。2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 3.网络化网络化网络化是计算机发展的又一个趋势。从单机网络化是计算机发展的又一个趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模更大、功能更强的可以互相通信的网络结构。规模更大、功能更强的可以互相通信的网络结构

33、。网络化的目的是使网络中的软、硬件和数据等资网络化的目的是使网络中的软、硬件和数据等资源能被网络上的用户所共享。源能被网络上的用户所共享。2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 3.网络化网络化云是网络、互联网的一种比喻说法，是分布式计算、云是网络、互联网的一种比喻说法，是分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物。统计算机和网络技术发展融合的产物。云计算云计算(Cloud Computing)作为一种新兴的资源作为一种新兴的资源使用和交付模式逐渐为学界和产业界所认知。中国云发展使用和交

34、付模式逐渐为学界和产业界所认知。中国云发展创新产业联盟评价云计算为创新产业联盟评价云计算为“信息时代商业模式上的创信息时代商业模式上的创新新”。继个人计算机变革、互联网变革之后，云计算被看。继个人计算机变革、互联网变革之后，云计算被看作第三次作第三次IT浪潮。浪潮。2.1.5 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 4.智能化智能化智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能计算机是目前正在研制的新维过程的能力。智能计算机是目前正在研制的新一代计算机之一。对智能化的研究包括模拟识别、一代计算机之一。对智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自然语言的生成

35、和理解、博弈、定理物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前已研制出多种具有人的部和智能机器人等。目前已研制出多种具有人的部分智能的机器人，可以代替人在一些特定的工作分智能的机器人，可以代替人在一些特定的工作岗位上工作。岗位上工作。2.2 计算机的工作原理计算机的工作原理2.2.1 冯冯诺依曼结构诺依曼结构2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU2.2.3 存储器存储器2.2.4 计算机的工作过程计算机的工作过程2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 半个多世纪前，著名数学家、计

36、算机科学理半个多世纪前，著名数学家、计算机科学理论的奠基人之一冯论的奠基人之一冯诺依曼，对计算机的各个部诺依曼，对计算机的各个部件及其功能进行了明确的定义，并提出了以下三件及其功能进行了明确的定义，并提出了以下三条思想：由运算器、存储器、控制器、输入装置条思想：由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置构成计算机系统；采用二进制表示数和输出装置构成计算机系统；采用二进制表示数据和命令；采用存储程序方式，即将数据和命令据和命令；采用存储程序方式，即将数据和命令存入存储器中。存入存储器中。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构1.计算机的基本结构计算机的基本结构计算机硬件应该包括运算器

37、、存储器、控制计算机硬件应该包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个基本部分。器、输入设备和输出设备五个基本部分。冯冯诺依曼计算机的基本组成诺依曼计算机的基本组成2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构1）输入设备）输入设备输入设备的主要功能是把原始数据和处理这输入设备的主要功能是把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供CPU调用和处理。常用的输入设备有鼠标、键盘、调用和处理。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机

38、、条形码阅读器、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机和模数码相机和模/数转换器数转换器(A/D)等。等。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构2）输出设备）输出设备输出设备是指从计算机中输出信息的设备。输出设备是指从计算机中输出信息的设备。它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部二进制信息转换成人们习惯接受的信息形式部二进制信息转换成人们习惯接受的信息形式(如如字符、图形、声音等字符、图形、声音等)，然后将其输出。最常用的，然后将其输出。最常用的输出设备是显示器、打印机和绘图仪等。输出设备是显示器、打印机和绘图仪等。输入设

39、备和输出设备合起来称为外部设输入设备和输出设备合起来称为外部设(I/O设备设备)，简称外设。，简称外设。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构3）存储器）存储器存储器是计算机中用于存放程序和数据的部存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件。存储器分为内存储器和外存储器两大类，件。存储器分为内存储器和外存储器两大类， 简简称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。内存是存取速度快而容储器又称为辅助存储器。内存是存取速度快而容量相对较小的一类存储器；外存是存取速度较慢量相对较小的一类存储器；外存是存取速度较慢而容量相对较大的

40、一类存储器。而容量相对较大的一类存储器。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构4）运算器）运算器运算器包括算术逻辑单元运算器包括算术逻辑单元(ALU)、累加器、标、累加器、标志寄存器、寄存器组等。算术逻辑单元是运算器的志寄存器、寄存器组等。算术逻辑单元是运算器的主要部件，完成指令系统所规定的各种算术运算和主要部件，完成指令系统所规定的各种算术运算和逻辑运算。标志寄存器也称为程序状态字寄存器，逻辑运算。标志寄存器也称为程序状态字寄存器，存放反映运算结果的各种特征，如有无进位、是否存放反映运算结果的各种特征，如有无进位、是否溢出等。寄存器组包括通用寄存器组和专用寄存器溢出等。寄存器组包括

41、通用寄存器组和专用寄存器组，前者为组，前者为CPU内部的高速数据暂存器，后者包括内部的高速数据暂存器，后者包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器等。程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器等。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构运算器的工作过程如下：运算器的工作过程如下：（1）从）从RAM(随机存取器随机存取器)中取出数据，存储到运中取出数据，存储到运算器的寄存器中；算器的寄存器中；（2）从控制器发出控制信号，决定进行何种运算）从控制器发出控制信号，决定进行何种运算(算术运算或逻辑运算算术运算或逻辑运算)；（3）运算器执行相应操作，将结果存储到累加器）运算器执行相应操作，将结果存储到累加

42、器中；中；（4）将最终运算结果存储到）将最终运算结果存储到RAM中，以备输出。中，以备输出。运算器工作过程示意图运算器工作过程示意图2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 5）控制器）控制器控制器是整个计算机系统的控制中心，它指控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤进行操作及处理。规定的目标和步骤进行操作及处理。控制器主要包括指令计数器、指令寄存器、控制器主要包括指令计数器、指令寄存器、指令译码器和控制信号发生器，主要完成指令的指令译码器和控制信号发生器，主要完成指令的翻译，并产生各种

43、控制信号，执行相应的指令。翻译，并产生各种控制信号，执行相应的指令。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 控制器的作用是使整个计算机能够自动地执行程序，并控制器的作用是使整个计算机能够自动地执行程序，并控制计算机各功能部件协调一致地工作。控制器是指挥和控控制计算机各功能部件协调一致地工作。控制器是指挥和控制计算机各部件进行工作的制计算机各部件进行工作的“神经中枢神经中枢”，其工作过程如下：，其工作过程如下：（1）控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令，并存）控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令，并存储到指令寄存器中；储到指令寄存器中；（2）指令计数器加）指令计数器加1，指向下

44、一条指令的地址；，指向下一条指令的地址；（3）解释该指令并形成数据地址，取出所需的数据；）解释该指令并形成数据地址，取出所需的数据；（4）向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制）向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制信号；信号；（5）按顺序从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直）按顺序从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。到程序完成。控制器工作过程示意图控制器工作过程示意图2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 通常把控制器和运算器合称为中央处理器通常把控制器和运算器合称为中央处理器(CPU，Central Processing Unit)，它是计，它

45、是计算机的核心部件，它的工作速度等性能对计算机的算机的核心部件，它的工作速度等性能对计算机的整体性能有决定性的影响。整体性能有决定性的影响。内存是内存是CPU可直接访问的存储器，是计算机中可直接访问的存储器，是计算机中的工作存储器，即当前正在运行的程序与数据都必的工作存储器，即当前正在运行的程序与数据都必须存放在内存中。计算机工作时，所执行的指令及须存放在内存中。计算机工作时，所执行的指令及操作数都是从内存中取出的，处理的结果也放在内操作数都是从内存中取出的，处理的结果也放在内存中。存中。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构2.采用二进制形式表示数据和指令采用二进制形式表示数据和指

46、令 在计算机中，所有数据都以二进制的形式表示。在计算机中，所有数据都以二进制的形式表示。二进制只有二进制只有“0”和和“1”两个数字，便于用计算两个数字，便于用计算机电子器件的截止和导通两个状态表示，实现比较机电子器件的截止和导通两个状态表示，实现比较容易。二进制运算规则简单，可使计算机结构大为容易。二进制运算规则简单，可使计算机结构大为简化，运算速度大大提高。简化，运算速度大大提高。 在计算机中，采用二进制数可以非常方便地实在计算机中，采用二进制数可以非常方便地实现各种算术运算和逻辑运算。现各种算术运算和逻辑运算。2.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构1）算术运算规则）算术运算规则

47、加法规则：加法规则：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10(向高位有进位向高位有进位)减法规则：减法规则：0-0=0；10-1=1(向高位借位向高位借位)；1-0=1；1-1=0乘法规则：乘法规则：00=0；01=0；10=0；11=1除法规则：除法规则：0/1=0；1/1=12.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构2）逻辑运算规则）逻辑运算规则逻辑与运算逻辑与运算(AND)：00=0；01=0；10=0；11=1逻辑或运算逻辑或运算(OR)：00=0；01=1；10=1；11=1逻辑非运算逻辑非运算(NOT)： =1 ； =0 逻辑异或运算逻辑异或运算(XOR)：0 0=0

48、；0 1=1；1 0=1；1 1=0逻辑异或运算即实现按位加的功能，只有当两个逻辑值不逻辑异或运算即实现按位加的功能，只有当两个逻辑值不相同时，结果才为相同时，结果才为1。012.2.1 冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构3.采用存储程序方式采用存储程序方式所谓存储程序原理，就是把程序和处理问题所所谓存储程序原理，就是把程序和处理问题所需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机存储器里，计算机在运行程序时就能自动、到计算机存储器里，计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令且执行，直到完成连续地从存储器中依次取出指令且执行，

49、直到完成预定的任务。这是计算机能高速自动运行的基础。预定的任务。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。的许多具体工作方式也是由此派生的。2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU1. CPU简介简介 CPU也称中央处理器或微处理器。第一块微也称中央处理器或微处理器。第一块微处理器是处理器是1971年由美国年由美国Intel公司生产的。在这公司生产的。在这之后，又出现了很多生产之后，又出现了很多

50、生产CPU芯片的厂家，产品芯片的厂家，产品性能也不断提高，主要表现在：字长由最初的性能也不断提高，主要表现在：字长由最初的4位位发展到今天的发展到今天的32位、位、64位；速度越来越快，主频位；速度越来越快，主频由不到由不到1MHz增加到现在的数增加到现在的数GHz；集成度越来；集成度越来越高，第一块芯片集成了越高，第一块芯片集成了2 200个晶体管，而现个晶体管，而现在集成在集成71亿个晶体管的芯片已经问世。亿个晶体管的芯片已经问世。2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU1993年，年，Intel公司推出了公司推出了32位微处理器芯片位微处理器芯片Pentium，它的外部数据总线为，它的

51、外部数据总线为64位，工作频率为位，工作频率为66200MHz，以后的，以后的Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium 和和Pentium 芯片也都是芯片也都是32位微处理器芯位微处理器芯片。片。CPU内核逐渐由单核向双核、多核发展，主频最高达内核逐渐由单核向双核、多核发展，主频最高达到到3 GHz以上。目前以上。目前Intel公司的主流产品有酷睿系列、公司的主流产品有酷睿系列、赛扬系列产品等，赛扬系列产品等，AMD公司目前的主流产品有羿龙、闪龙公司目前的主流产品有羿龙、闪龙和速龙系列等，上述产品占据了和速龙系列等，上述产品占据了85% 以上的市场份额。以上的市场份额。2

52、.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU 近几年，我国也开始了微处理器的研发，目近几年，我国也开始了微处理器的研发，目前研制成功的龙芯前研制成功的龙芯3主频达到了主频达到了1 GHz，具有低，具有低能耗、多核心等特点，已经应用于桌面网络终端、能耗、多核心等特点，已经应用于桌面网络终端、低端服务器、网络防火墙、路由器、交换机、多低端服务器、网络防火墙、路由器、交换机、多媒体网络终端机等领域，并计划以此构建高性能媒体网络终端机等领域，并计划以此构建高性能计算机集群系统。图计算机集群系统。图2-4 所示是一款所示是一款Intel酷睿酷睿i5四核四核CPU。Intel酷睿酷睿i5四核四核CPU2.2.

53、2 计算机的心脏计算机的心脏CPU2.高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）随着随着CPU主频的不断提高，主频的不断提高，CPU对对RAM的的存取速度变快了，而存取速度变快了，而RAM的响应速度相对而言变的响应速度相对而言变慢了，所以慢了，所以CPU大部分时间都在等待从大部分时间都在等待从RAM中获中获得数据，这样就大大浪费了得数据，这样就大大浪费了CPU资源。为协调二资源。为协调二者之间的速度差，引入了者之间的速度差，引入了Cache技术。技术。2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU Cache通常采用与通常采用与CPU速度较接近的速度较接近的RAM。其。其实现方法是：当用户启动一

54、个任务时，计算机预测实现方法是：当用户启动一个任务时，计算机预测CPU可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将当前要执行的程序和要处理的数据复制到当前要执行的程序和要处理的数据复制到Cache中；中；CPU在读写时，首先访问在读写时，首先访问Cache，如果，如果Cache中有中有数据，数据，CPU就从就从Cache中取而不再到中取而不再到RAM中去取。中去取。从这一点可以看出，从这一点可以看出，Cache越大，处理的速度越快。越大，处理的速度越快。因此，因此，Cache相当于内存与相当于内存与CPU之间的适配器。之间的适配器。2.2.2 计算机的心

55、脏计算机的心脏CPU2.高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）缓存容量的大小对计算机性能有着很大的影响，高速缓缓存容量的大小对计算机性能有着很大的影响，高速缓存一般分为一级缓存（即存一般分为一级缓存（即L1 Cache）和二级缓存（即）和二级缓存（即L2 Cache）。）。CPU在运行时首先从一级缓存读取数据，其在运行时首先从一级缓存读取数据，其次从二级缓存读取数据，然后从内存和虚拟内存读取数据，次从二级缓存读取数据，然后从内存和虚拟内存读取数据，因此，高速缓存的容量和速度直接影响到因此，高速缓存的容量和速度直接影响到CPU的工作性能。的工作性能。 目前，一级缓存一般为目前，一级缓存一般

56、为64128 KB，二级缓存为，二级缓存为13 MB。面向高端服务器的。面向高端服务器的CPU还可能设有三级缓存，还可能设有三级缓存，其容量大小一般为其容量大小一般为816 MB。2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU3.CPU执行的指令执行的指令1）指令）指令计算机执行某种操作的命令称为指令。计算机按照一计算机执行某种操作的命令称为指令。计算机按照一定的指令序列去工作，通常一条指令对应一种基本操作。定的指令序列去工作，通常一条指令对应一种基本操作。 指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作，组成指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作，组成操作码的位数一般取决于计算机指令系统的规模。

57、地址码给操作码的位数一般取决于计算机指令系统的规模。地址码给出了需要处理的数据或数据的地址。出了需要处理的数据或数据的地址。2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU3.CPU执行的指令执行的指令2）指令集）指令集一台计算机中所有机器指令的集合称为这台计算机的一台计算机中所有机器指令的集合称为这台计算机的指令集，也称指令系统。指令系统是表征一台计算机性能指令集，也称指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接与机器的硬件结构的重要因素，它的格式与功能不仅直接与机器的硬件结构关联，而且直接影响到系统软件，也影响到机器的使用范关联，而且直接影响到系统软件，也影响到机器的

58、使用范围。围。系列计算机是指基本指令系统相同、基本体系结构相系列计算机是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的计算机。同一系列的各机型有共同的指令集，而且新同的计算机。同一系列的各机型有共同的指令集，而且新推出的机型的指令系统一定包含所有旧机型的全部指令，推出的机型的指令系统一定包含所有旧机型的全部指令，即实现向下兼容。即实现向下兼容。2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU3.CPU执行的指令执行的指令 3）指令集的风格）指令集的风格 基于复杂指令集基于复杂指令集CPU的计算机被称为复杂指的计算机被称为复杂指令集计算机令集计算机(CISC，Complex Instruction Set C

59、omputer)， 基于精简指令集基于精简指令集CPU的计算机被称为精简指的计算机被称为精简指令集计算机令集计算机(RISC，Reduced Instruction Set Computer)。RISC的主要优点的主要优点优优 点点说说 明明快快提高处理器运算速度提高处理器运算速度省省降低设计成本降低设计成本可靠可靠提高处理器的可靠性和可测试性提高处理器的可靠性和可测试性易实现易实现使控制器简单，从而使集成电路的设计和验证更使控制器简单，从而使集成电路的设计和验证更容易容易好优化好优化能与编译技术较好匹配，有效支持高级语言实现，能与编译技术较好匹配，有效支持高级语言实现，易于实现优化编译易于实

60、现优化编译2.2.2 计算机的心脏计算机的心脏CPU3.CPU执行的指令执行的指令4）指令周期）指令周期指令周期是取出并执行一条指令的时间。由于各种指指令周期是取出并执行一条指令的时间。由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此，各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此，各种指令的指令周期是不尽相同的。令的指令周期是不尽相同的。指令周期常常用若干个指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。周期数来表示。CPU周期周期也称为机器周期。通常用从内存中读取一个指令字的最短也称为机器周期。通常用从内存中读取一个指令字的最短时间来规定时间来规定CPU周期。一个周期。一个CPU周期又包含若