殷凯 3
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硬件系统 计 算 机 系 统 软件系统
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第二章
主要内容
2.1 计算机的组成和分类——计算机的逻辑结构 2.2 CPU的结构和原理——个人计算机中的中央处理器 2.3 PC机的主机——个人计算机的物理结构 2.4 常用输入设备——个人计算机的输入设备 2.5 常用输出设备——个人计算机的输出设备 2.6 外存储器——个人计算机的外存储设备
– 储存以二进位形式表示的程序和数据
·······
·····
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内存与外存对比
外存储器 简称 存取速度 成本 存储容量 性质 与CPU直接连接 工作方式 存储器类型 信息存放时间
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内存储器 内存或主存
快 高 相对较小 断电后信息消失 是 CPU(指令)对内存中的指令及数据进行 读、写操作 挥发性存储器(volatile) 临时存放正在运行的程序和数据
并口 打印机 显卡 显示器 声卡 音箱
AGP PCI ISA USB RS-232 LPT1
光盘,
U盘
原理图与实物的对应
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2.1.3
• 按内部逻辑结构分为 – 单处理机、多处理机(并行机) • 按字长分为 – 16位机、32位机、64位计算机等 • 按计算机的性能、用途和价格分为 – 巨型计算机（Supercomputer） – 大型计算机（Mainframe） – 小型计算机（Minicomputer） – 个人计算机（Personal Computer）
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计算机硬件的逻辑结构 2
• 现代计算机的逻辑结构
memory
CPU
中央处理器 (运算器及其控制)
内存储器 控制器
总线(bus)
I/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
控制器 I/O接口 输入设备
控制器 I/O接口 输出设备
控制器 外存储器接口 外存储器
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使用的软件类型 使用机器语言和汇编 语言编写程序 使用FORTRAN等高 级程序设计语言 操作系统、数据库管 理系统等开始使用
主要应用领域 科学和工程计算 开始广泛应用于 数据处理领域 在科学计算、数 据处理、工业控 制等领域得到广 泛应用
第3代
第4代
20世纪70年代中 期以来
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计算机的消极作用
• 个人隐私受到威胁 • 信息欺泛滥
• 电子垃圾污染环境破坏生态
• 知识产权保护（盗版） • 计算机系统崩溃
• 沉迷计算机游戏、网络聊天
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2008年11月29日星期六
2.1.2 计算机的组成
计算机硬件是计算 机系统中所有实际 物理装置的总称
输出设备(output devices)
– 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)
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外围设备 输入设备 （外设） 输出设备
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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(input devices)
– 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
软件开发工具和平台、 深入到各行各 分布式计算、网络软 业，家庭和个人 件等开始广泛使用 开始使用计算机
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计算机的应用模式
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计算技术的主流趋势
PC 主机
普适 计算
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计算机的发展方向（补）
计算机以不可阻挡的速度向各个领 域，各个部门飞速渗透、扩展： 用于体现一个国家的经济和科学技术实 力的巨型化 便于普及的微型化 足不出户便可知天下的网络化 图声文并存的多媒体化 可帮助人类完成更多危险、复杂的工作 的智能化计算机。
图为晶体管
IBM 7090
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计算机的诞生与发展
——按主要元器件分代
• 第三代（约1965-1972）中小规模集成电路计算 机(SSI,MSI--Medium Scale Integration)
– 1958年，基尔比和诺伊斯发明集成电路 – 几十万次/秒—几百万次/秒 – 半导体存储器 – 操作系统、数据库系统
EDVACU NIVAC IBM70X
图为在第一代电子计算机中使用的磁鼓 图为第一代电子计算机
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计算机的诞生与发展
——按主要元器件分代
• 第二代（约1957-1964） 晶体管计算机
– 几十万次/秒 – 1948年Bell实验室发明晶体管 – 磁芯十万字，磁盘 – 汇编语言或高级语言编程 – 代表机型：TRADIC、IBM7090
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5、总线（bus）
• 功能：
– 用于连接CPU、内存、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和内存的 总线 – I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线
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总线
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Apple II
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第1～4代计算机的对比
代别 第1代 第2代 年代 20世纪40年代中 期～50年代末期 20世纪50年代中、 后期～60年代中 期 20世纪60年代中 期～70年代初期 使用的元器件 CPU：电子管 内存：磁鼓 CPU：晶体管 内存：磁芯 CPU：SSI，MSI 内存：SSI，MSI的 半导体存储器 CPU：LSI、VLSI 内存：LSI、VLSI 的半导体存储器
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什么是中央处理器（CPU）？
• • • • 计算机中通常有多个不同的处理器，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 多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含有2个、4个、 8个甚至成百上千个CPU 问题：
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2.1.1 计算机的发展与作用
• 1、计算机的发展 • 2、计算机的巨大作用
– 积极作用
• • • • 开拓了人类认识自然、改造自然的新资源 增添人类发展科学技术的新手段 提供了人类创造文化的新工具 引起人类的工作与生活方式的变化
– 消极作用
• 带来新的社会问题、引发潜在的危机
– 除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？
Intel 4004 chip
Intel 8080 chip
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00000 00001 00010 00011 00100
01101001 存储内容 10101010
3、存储器
• 功能： • 分类：
– 内存储器 – 外存储器
地址
11110 11111
CPU
存 储 器
I/O 接 口
输 入 设 备
I/O 接 口
输 出 设 备
8088 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pentium Pentium Pentium
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Pro II III 4
ROM 串口 键盘 DRAM 鼠标 SRAM 扫描仪 Cache 声卡 话筒 EEPROM FLASH 软盘, 硬盘,
– 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
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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)
中小规模集成电路
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HP-2115
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计算机的诞生与发展
——按主要元器件分代
• 第四代（1971年起）是大规模、超大规模集成 电路计算机(Very Large Scale Integration)
– 几百万次/秒~亿次/秒 – 软件开发工具和平台 – 分布式计算软件
大规模、超大规模集成电路
存储器
输入设备
运算器和控制器
输出设备
注：逻辑结构意指概念上 （即功能上）的结构
冯.诺依曼（John Von Neumman） ——美籍匈牙利数学家 冯.诺依曼计算机的主要特点是： 1）由五大逻辑部件组成（运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备） 2）存储程序控制——计算机的所有操作均由存储在存储器中的程序进行控制 3）程序和数据都使用二进制表示
第2章 计算机组成原理
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完整的计算机系统 =硬件+软件
硬件
组成 组成 计算机各种 计算机各种 物理设备 物理设备 的总称 的总称
软件
能指示计算机完成 特定任务的、以 电子格式存储的 程序、数据和 相关的文档