第2章21计算机的组成与分类

第2章计算机组成原理2.1计算机的组成与分类

2.2CPU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-ENIACPhoto:vanPeltLibrary,UPenn.18000电子管,6000开关占地面积:150m2重量:30吨功耗:140KW运算速度:5000次/s平均无故障时间7min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旋风1号(WhirlwindI)数字计算机WhirlwindI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 ●高级语言编程电子管晶体管第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IBM7090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(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，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System360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/秒内存：半导体存储器软件工程，分布式处理等第1～4代计算机的对比代别年代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第1代20世纪40年代中期～50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学和工程计算第2代20世纪50年代中、后期～60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN、COBOL等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代20世纪60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI的半导体存储器操作系统、数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机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10～20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AnatolyZayats教授他是光计算机项目的负责人

计算机的特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：（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系统计算机硬件计算机软件运算器控制器输入设备存储器输出设备系统软件应用软件操作系统数据库管理系统程序语言处理系统文字处理通信···娱乐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：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)结构模块化：每一层均由许多模块构成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）运算器和控制器输入设备输出设备存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构，而不是实际的物理结构）中央处理器CPU(CentralProcessing

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→通过总线进行通信中央处理器(运算器及其控制)辅助存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口I/O接口辅存接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O设备通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连(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(inputdevices)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——输入声音条码、磁卡、IC卡等的扫描器/阅读器——输入文字符号输入设备的共性：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)Intel4004chipIntel8080chip教师参考：

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GPU（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）注意，CPU和CPU芯片是两个概念：CPU是逻辑上的概念，强调的是它的功能CPU芯片是IC产品的概念，1个CPU芯片可包含1个、2个或更多个CPU(称为内核)，还可以包含cache，存储控制器，甚至GPU等需根据上下文进行区别存储器中央处理器存储数据和指令执行指令处理数据指令，数据处理结果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/辅助存储器内存储器(简称内存或主存)辅助存储器(俗称外存，简称辅存)存取速度很快相对较慢存储容量相对较小(因单位成本较高)

很大(因单位成本较低)

性质按字节编址和访问，断电后信息消失按数据块编址和访问，断电后信息保持用途存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息与CPU关系CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存储内容地址存储单元(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(outputdevices)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、辅存（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(personalcomputer)台式PC笔记本PC平板电脑等嵌入式计算机作为服务器(server)使用独立使用或作为客户机(client)使用嵌入在非计算机的设备中使用巨型计算机（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、Cray公司日本富士通公司、NEC公司我国：国防科技大学：“天河1号”、“天河2号”亿亿次/秒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”巨型计算机联想集团公司：“深腾”巨型机神威巨型计算机巨型计算机（续）IBMBlueGene/LsupercomputerCray巨型计算机银河巨型计算机国防科大：天河2号(TH-2)巨型机含3.2万个CPU和4.8万个协处理器，内存总容量1400TB，峰值计算速度达5.49亿亿次/秒，平均速度为3.39亿亿次/秒，连续多次获得全球巨型机500强排名第1名

神威·太湖之光巨型计算机峰值计算速度达每秒12.54亿亿次，持续计算速度为每秒9.3亿亿次，包含40960个自主开发的SW26010处理器（每个处理器有260个内核），内存总容量达1310TB。2016年6月在全球巨型机500强排行榜中名列首位

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iMac一体机UMPC(超极本)个人计算设备走向多元化eBook（电子书）智能手机iPhone4TabletPC（平板式电脑）

关于手机手机是移动电话（mobilephone）的简称分类：按照可接入的移动通信网技术划分：1G手机（俗称“大哥大”，模拟手机）2G手机（GSM或CDMA手机）3G手机（国内有3种制式）4G手机（TDD-LTE和FDD-LTE）按照手机的功能划分：笨手机（dumbphone）：除电话之外很少其他功能功能手机（featurephone）：除了通话功能之外，还具有收发短信、通讯录、计算器、收音、录音、照相等功能智能手机（smartphone）：比功能手机更丰富多样，它可以像PC个人电脑一样安装第3方软件，不断扩充其功能。而功能手机通常不能随意安装和卸载软件。关于智能手机智能手机=电话+电脑+数码相机+电子书+音视频播放器+定位器+身份证+钱包+······智能手机有如下一些技术特点：具有无线接入移动电话网和互联网的能力；具有功能强大的操作系统，操作方便，使用效率高；安装了丰富的应用软件，与通用计算机保持数据兼容；扩展性好，可以方便地安装、卸载和更新各种软件；具有文字、图像、音频、视频处理的多媒体信息处理功能智能手机就是一台可以随身携带的真正的个人电脑，它还具有一些传统PC所不具备的能力，如3G/4G移动通信、环境感知、位置服务等。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