大学计算机 课件 【ch01】计算机硬件系统

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计算机硬件系统第一章计算机的产生与发展01计算机硬件系统计算机硬件（ComputerHardware）是指计算机系统中由电子、机械和光电元器件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体，为计算机软件运行提供物质基础。从外观上来看，计算机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU）、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器，各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备包括鼠标、键盘等。1.1图灵计算机模型1937年英国数学家阿兰·麦席森·图灵（1912一1954年〉在《伦敦数学会文集》上发表一篇题为《论数字计算在决断难题中的应用》的论文，引起了广泛的关注。在论文中图灵全面分析了人的计算过程，把计算归结为简单、基本、确定的操作动作，从而用一种简单的方法来描述那种直观上具有机械性的基本计算程序，使任何机械能执行的程序都可以归约为这些动作。这种简单的方法是以一个抽象自动机概念为基础的。这不仅给计算下了一个完全确定的定义，而且第一次把计算和自动机联系起来，对数理逻辑的发展起了巨大的推动作用。1.1图灵计算机模型一个读／写头HEAD该读/写头可以在纸带上左、右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。一个状态寄存器它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。一条无限长的纸带TAPE纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号表示空白。纸带上的格子从左到依次被编号为0,1,2，纸带的右端可以无限伸展。一套控制规则TABLE它根据当前机器所处的状态以及当前读／写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。图灵机组成部分图灵机组成部分图灵机组成部分图灵机组成部分010203041.1图灵计算机模型简单来说，图灵机是一个逻辑机的通用模型。处理器实际是有限状态控制器，能使读／写头左移或右移，并对存储带进行修改或读出。于是通过有限指令序列就能实现各种演算过程，从而将可计算性这一概念与机械程序和形式系统的概念统一起来。图灵机的能力概括了数字计算机的计算能力，这对计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了深远的影响。图灵模型第一次在纯数学的符号逻辑和实体世界之间建立了联系，并由此开创了“自动机”这一学科分支，促进了电子计算机的研制工作。1.1图灵计算机模型图灵还提出了通用图灵机的概念，它相当于通用计算机的解释程序，这一点直接促进了后来通用计算机的设计和研制工作。在给出通用图灵机的同时，图灵就指出，通用图灵机在计算时，其“机械的复杂性”是有临界限度的，超过这一限度，就要靠增加程序的长度和存储量来解决。这种思想开创了后来计算机科学中计算复杂性理论的先河。为了纪念图灵对计算机科学的巨大贡献，美国计算机协会（ACM）于1966年设立了一年一度的图灵奖，以表彰在计算机科学中做出突出贡献的人，图灵奖被称为计算机界的诺贝尔奖。图灵也被誉为“计算机理论之父”。1.2冯·诺依曼计算机体系结构图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型，奠定了自动计算及人工智能的理论基础，而冯·诺依曼则首先提出了存储程序和程序控制的现代计算机体系结构，如图1.2所示。该体系结构主要包括以下要点：1.2冯·诺依曼计算机体系结构1）计算机处理的数据和指令采用二进制数表示。因为用双稳态电路表示二进制数字。和1很容易实现，传输和处理时不易出错，可靠性高。而且与十进制数相比，二进制数的运算规则要简单得多，这样可以使运算器的结构得到简化，有利于提高运算速度。2）计算机运行过程中，先把要执行的程序和要处理的数据存入内存〈存储器），控制器再按地址顺序取出存放中的指令（按地址顺序访问指令），然后分析指令，执行指令的功能，遇到转移指令时，则转移到转移地址，再接地址顺序访问指令（程序控制〉。1.2冯·诺依曼计算机体系结构根据上述原理把计算机硬件系统分为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件，并定义了这五部分的基本功能。冯·诺依曼计算机体系结构是现代计算机的基础，现在大多数计算机仍采用冯·诺依曼计算机的组织结构，只是做了一些改进而己，并没有从根本上突破冯·诺依曼计算机体系结构的束缚。冯·诺依曼也因此被人们称为“计算机结构之父”。1.3计算机发展史从第一台电子计算机的出现到现在虽然只有短短的几十年，但是计算机的发展却取得了惊人的成绩。计算机硬件的发展与构建计算机的元器件紧密相关，每当电子元器件有突破性的进展，就会带来计算机硬件的一次重大变革。因此人们以计算机所使用的物理元器件的变革为标志，将计算机的发展大致分为四代。每一代计算机都使用不同的电子元器件，每一代计算机都具有自己明显的特征。1.3计算机发展史第一代——电子管计算机这个时期计算机的主要逻辑元器件采用电子管，主存先采用延迟线，后来用磁鼓、磁芯，外存使用磁带。软件方面，用机器语言和汇编语言编写程序。这个时期的计算机体积庞大、运算速度慢〈通常每秒几千次到几万次〉、成本高、可靠性差、内存容量小，主要用于科学计算、军事和科学研究方面的工作。第二代——晶体管计算机1948年发明的晶体管大大促进了计算机的发展，晶体管替代了体积庞大的电子管。第二代计算机体积小、运算速度快、功耗低、性能更稳定。软件方面，开始使用管理程序，后期使用操作系统，同时出现了FORTRAN,COBOL、ALGOL等一系列高级程序设计语言。1.3计算机发展史第三代——集成电路计算机在这个时期，中小规模集成电路出现，并逐渐代替了分立元器件，半导体存储器代替了磁芯存储器，外存使用磁盘。软件方面，操作系统进一步完善，高级语言数量增多，出现了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。第四代——大规模和超大规模集成电路计算机这个时期计算机的主要逻辑元器件是大规模和超大规模集成电路。主存采用半导体存储器，外存采用大容量的软、硬磁盘，并开始使用光盘。软件方面，操作系统不断发展和完善，同时发展了数据库管理系统、通信软件等。1.3计算机发展史计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。计算机的运行速度可达到每秒上千万次至上万亿次，存储容量和可靠性又有了很大提高，功能更加完备。这个时期计算机开始向巨型机和微型机两个方向发展，而微型机的飞速发展使得计算机开始进入办公室、学校和家庭。1.4计算机发展方向光计算机光计算机是由光代替电流，实现高速处理大容量信息的计算机。量子计算机量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数字和逻辑运算、存储及处理的量子物理设备。生物计算机在运行机理上，生物计算机以蛋白质分子作为信息载体，来实现信息的传输与存储。1.4计算机发展方向光计算机其突破了传统的用总线将运算器、存储器、输入和输出设备相连接的体系结构，运算速度极高、耗电极低。光具有各种优点：光波在光介质中传输，不存在寄生电阻、电容、电感和电子相互作用问题：光器件无电位差，因此光计算机的信息在传输中畸变或失真小，可在同一条狭窄的通道中传输数量庞大的数据。01量子计算机量子计算机是采用基于量子力学原理和深层次计算模式的计算机，而不像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1来处理。02生物计算机生物计算机最大的优点是生物芯片的蛋白质具有生物活性，能够跟人体的组织结合在一起，特别是可以和人的大脑及神经系统有机连接，使人机接口自然吻合，免除了烦琐的人机对话。03计算机的特点与应用022.1计算机的特点运算速度快、计算精确度高逻辑运算能力强存储能力强自动化程度高强大的网络通信功能2.1计算机的特点运算速度快、计算精确度高计算机内部的运算是由数字逻辑电路完成的，可以高速准确地完成各种算术运算。当今超级计算机系统的峰值运算速度已达到每秒亿亿次，一般计算机也可达每秒亿次以上，这使大量复杂的科学计算问题得以解决。如卫星轨道的计算、天气预报、模拟核爆等，过去人工计算需要几年、几十年，用大型计算机可能只需几分钟就可完成。2.1计算机的特点存储能力强计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储海量的数字、文字、图像、视频、声音等信息，并且可以“长久”保存。它还可以保存处理这些信息的程序。自动化程度高由于计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们可以将预先编好的程序纳入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。2.1计算机的特点逻辑运算能力强计算机不仅能进行高速、精确的计算，还具有逻辑运算功能，能对信息进行比较和判断，并能根据判断的结果自动执行不同指令。它甚至能模拟人类的大脑，对问题进行思考、判断。拥有强大的网络通信功能在互联网上的所有计算机用户可共享网上资料、交流信息、互相学习，整个世界都可以互通信息。2.2计算机的应用信息管理信息管理是以数据库管理系统为基础，辅助管理者提高决策水平，改善运营策略的计算机技术。信息处理己成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。多媒体应用随着电子技术特别是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、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念一一多媒体(Multimedia）。科学计算计算机最开始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，在尖端科学领域中显得尤为重要。过程控制过程控制利用计算机实时采集数据、分析数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。计算机的应用计算机的应用计算机的应用计算机的应用010203042.2计算机的应用05人工智能人工智能CArtificialIntelligence,AI）是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用，如感知、判断、理解、学习、问题的求解、图像声音识别等。人工智能是计算机应用的一个新的领域，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、模式识别、智能检索、语言翻译、机器人等方面，己有了显著的成效。2.2计算机的应用1）计算机辅助技术（ComputerAidedDesign,CAD)计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。2）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing,CAM)计算机辅助制造是利用计算机系统进行产品的加工控制过程，输入的信息是零件的工艺路线和工程内容，输出的信息是刀具的运动轨迹。3）计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction,CAI）计算机辅助教学是利用计算机系统进行课堂教学。教学课件可以用PowerPoint、Flash等制作。06辅助技术计算机硬件系统的组成033.1计算机硬件系统的组成根据冯·诺依曼“存储程序和程序控制”原理，计算机硬件系统分成5个部分：运算器、控制器、存储器〈分为内存和外存）、输入设备、输出设备。由于运算器、控制器、内存3个部分是信息加工、处理的主要部件，所以把它们合称为主机，而输入设备、输出设备及外存则合称为外部设备。微型计算机，也就是个人计算机，是目前人们最常用、最熟悉的计算机，简称为微机，下面以微机硬件系统为例来介绍各个功能部件。一般把微机的硬件系统分为主机和外部设备两大部分，从外观上来看，一台微机由主机箱、显示器、键盘和鼠标组成，还可以加一些外部设备，如打印机、扫描仪和音、视频设备等。3.1主机主机主机是主机箱内各个部件的统称，包括主板、微处理器、存储器、输入／输出接口（I/0接口）、插槽、声卡、显卡、网卡、电源、硬盘驱动器、光盘驱动器等。以下介绍部分主要部件：3.1主机1.主板主板是主机箱中最大的一块集成电路板，如图1.7所示，它被固定在主机箱上。主机部分的大多数部件安装在主机箱内的主板上，外部设备通过输入／输出接口及系统总线与主板相连。2.微处理器微机上的CPU一般称为微处理器，它安装在主板CPU插槽中。它是计算机的运算核心与控制核心，包括运算器和控制器两大逻辑部件。其功能为解释和执行指令，相当于人的大脑。3.1主机3.1主机主板主板是整个计算机内部结构的基础，安装在主板上的各个部件都得靠主板来协调工作，主板的好坏将直接影响微机的整体运行速度和稳定性。主板上的部件主要包括CPU插座、芯片组、内存插槽、总线扩展槽、外设接口、SATA接口、可充电电池以及各种开关和跳线等。现在的芯片组通常还集成了显卡、声卡、网卡等部件。主板上的各种插槽、接口的作用是将各种硬件设备与主板相连接，以供主板统一调配指挥。CPU插槽用于固定连接CPU;AGP插槽专门用于高性能图形和视频显示，解决了显卡与内存、CPU之间带宽不足的问题，使高速、大容量图形显示成为可能；PCI插槽用于插接各类PCI设备，如声卡、网卡和内置解调器等；内存插槽用于插接内存条，以扩充内存；IDE接口用于连接硬盘、光驱等。3.1主机芯片芯片组是主板的核心组成部分，决定了主板的功能，进而影响到整个微机系统性能的发挥。按照在主板上排列位直的不同，芯片组一般分为南桥芯片和北桥芯片。北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存数据在北桥内部传输，并提供校验及纠错。为了缩短传输距离、提高通信性能，在主板布局上北桥芯片一般离CPU更近些，也习惯称北桥为主桥（HostBridge）。因为北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也大，所以现在的北桥芯片都覆盖着散热片用来加强散热，有些主板的北桥芯片还会配上风扇进行散热。南桥芯片（SouthBridge）一般位于主板上离CPU插座较远的地方，这种布局是考虑到它所连接的I/0总线较多，离处理器远一点有利于布线，而且更加容易实现信号线等长的布线原则。南桥芯片主要负责I/0总线之间的通信，如USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等，这些技术相对来说比较稳定，所以不同芯片组中可能南桥芯片是一样的，不同的只是北桥芯片。3.1主机1）运算器运算器是整个计算机系统的运算核心，主要由执行算术及逻辑运算的运算电路、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定，运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。2）控制器控制器是指挥计算机各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心，由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。在系统运行过程中，不断地生成指令地址、取出指令、分析指令、向计算机的各个部件发出微操作控制信号，协调整个计算机有序地工作。3.1主机3.储存器存储器是用于储存信息的设备或装置，是计算机中各种信息的存储和交流中心，可以分为内存和外存。3.1主机1）内存内存主要用于存放计算机运行期间所需要的程序和数据。CPU工作时执行的指令及处理的数据均从内存中存／取，外存中的程序和数据只有先被读入到内