計算機科學技術導論教程第3章

1、1,計算機硬件系統(tǒng),內容提要 本章以微型計算機為例介紹計算機硬件系統(tǒng)的組成，包括系統(tǒng)單元、內存、系統(tǒng)總線、擴展卡以及常用的輸入/輸出設備和輔助存儲器。通過本章學習，要求讀者掌握計算機系統(tǒng)的基本結構和工作原理，了解各種各樣的輸入/輸出設備及其功能。,,,2,馮·諾依曼體系結構,體系結構指的是，構成系統(tǒng)主要部件的總體布局、部件的主要性能以及這些部件之間的連接方式。馮·諾依曼體系結構的要點： 計算機由運算器、

2、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部分組成控制器和運算器是其核心，稱為CPU按存儲程序原理進行工作數據和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放的位置由地址確定 控制器是根據存放在存儲器中的指令序列（程序）進行工作，并由一個程序計數器控制指令的執(zhí)行,,,3,VON NEUMANN,1946年，John von Neumann、Arthur Burks和Herman Goldstein共同發(fā)表一篇名為“電子計算儀器邏

3、輯設計的初步討論（Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument）”論文，von Neumann在文中詳細描述了計算機的邏輯設計、指令修改的概念以及計算機的電子電路。這個概念一直作為現代計算機設計的基礎。文中指出“因為完善的設備將是一個通用計算機，它應該包括主要的部件有：運算器、存儲器、控制器和與之相關的操作員”。,,,

4、4,計算機硬件體系結構的發(fā)展,適應串行的算法的體系結構改變?yōu)檫m應并行的算法的計算機體系結構面向高級語言計算機和直接執(zhí)行高級語言的計算機硬件系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數據庫管理系統(tǒng)軟件相適應的計算機從傳統(tǒng)的指令驅動型改變?yōu)閿祿寗有秃托枨篁寗有偷挠嬎銠C各種適應特定應用的專用計算機高可靠性的容錯計算機處理非數值化信息的計算機,,,5,微型計算機的硬件結構,微型計算機硬件的系統(tǒng)結構與馮·諾依曼結構無本質上的差異，不過CPU已被集成

5、在一片大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路上，稱為MPU。此外，微型計算機內部的連接方式都是采用總線結構。 數據總線是傳送數據和指令代碼的信號線，它是雙向總線地址總線是傳送CPU所要訪問的存儲單元或輸入輸出接口地址的信號線，它是單向總線 控制總線是管理總線上活動的信號線。控制總線中的信號是用來實現CPU對外部部件的控制、狀態(tài)等信息的傳送以及中斷信號的傳送等,,,6,系統(tǒng)主板與時鐘頻率,系統(tǒng)主板：又稱為底板或母板，它是整個計算機系統(tǒng)的通信網，系

6、統(tǒng)單元的每個元器件直接連接到系統(tǒng)主板，它們通過系統(tǒng)主板進行數據的交換。 系統(tǒng)時鐘：控制計算機操作的速度，這個速度用兆赫（MHz）表示。１兆赫等于每秒一百萬周期，時鐘周期速度越快，則計算機處理信息的速度就越快。,,,7,電子數據與指令,數據與指令是通過兩種狀態(tài)的信號表示，例如電子電路的開與關。它們分別表示二進制0或1。 ASCII碼：ASCII碼是微型計算機中使用最廣泛的二進制編碼，使用7位分別表示0～9、a～z、A～Z以及標點符號，

7、用8位表示特殊字符。主要用于微型計算機 EBCDIC碼：用一個字節(jié)表示數字和字母等。主要用于大型機系統(tǒng)Unicode碼：它是一種16位的編碼，用于支持像中文、日文等國際語言,,,8,微處理器,微型計算機中，CPU被稱為MPU。 控制單元：計算機的“交通警”，協調和控制出現在微處理器中的所有操作，還與輸入/輸出設備進行通信。 寄存器：寄存器的硬件組成相似于內存的單元，其速度更快以及使用方式不同。 專用寄存器：指令寄存器、地址寄存

8、器。 通用寄存器：暫存數據的寄存器。 算術/邏輯單元（ALU）：是計算機的“計算器”，完成兩種類型的操作。 算術操作：加、減、乘、除等運算。邏輯操作：比較操作。,,,9,小知識,如果讀者正在使用的計算機速度變慢了，那么在考慮購買新的計算機以前，可以試著做如下操作：卸載不再使用的程序：在Windows操作系統(tǒng)中，選擇“開始\設置\控制面板\添加與刪除程序”刪除不需要的字體：在Windows操作系統(tǒng)中，選擇開始\設置\控制面板\

9、字體”清空回收站：在Windows操作系統(tǒng)中，刪除文件時，該文件并沒有從硬盤上取掉，而是放入了回收站，為了清空回收站，雙擊桌面上回收站圖標，在彈出的回收站窗口中，選擇“文件\清空回收站”執(zhí)行磁盤碎片整理程序：選擇“開始\程序\附件\系統(tǒng)工具\磁盤碎片整理程序”,,,10,微處理器芯片,CISC芯片：又稱復雜指令集計算機，其指令系統(tǒng)一般多達幾百條指令，這種技術由Intel公司推廣，并且是該公司主流微處理器的基礎。例如Ｐｅｎｔｉｕｍ　Ⅲ

10、和Ｐｅｎｔｉｕｍ 4。RISC芯片：又稱簡化指令集計算機，其使用較少的指令。Motorola、IBM和Apple公司共同開發(fā)的PowerPC芯片就是利用了RISC技術。 專用芯片：用于智能卡的微型內置式微處理器。例如交通卡、社?？?。Motorola,,,11,主存儲器,RAM：保存CPU正在執(zhí)行的程序和數據，它是暫時的或易失的存儲區(qū)域。目前市場上常見的內存有：快頁模式內存（FPM），72線,電壓為5V，帶寬為32位，速度基本都

11、在60ns以上。擴展數據輸出內存（EDO RAM），分為72線和168線兩種，電壓為5V，帶寬為32位，速度基本都在40ns以上。同步動態(tài)內存（SDRAM），168線，電壓為3.3V,帶寬為64位，最新的產品速度可達6ns。雙倍速率SDRAM（DDR），在前端總線頻率為133MHz的前提下，帶寬可達2.128GB/S。RAMBUS內存，性能高于DRAM和SDRAM。Flash RAM，當失去電源時，它所存放的數據不會丟失。主要

12、用于數字相機等電子產品。,,,12,主存儲器（續(xù)）,存儲器的容量是衡量存儲器性能的重要指標之一，以字或字節(jié)為單位來表示存儲器存儲單元的總數，就得到了存儲器的容量。1KB等于1024字節(jié)。1MB等于1024×1024字節(jié)。1GB等于1024×1024×1024字節(jié)。1TB等于1024×1024×1024×1024字節(jié) 。,,,13,集成電路（IC）,第一個集成電路（Int

13、egrated Circuit，簡記IC）：當堪薩斯州的Jack Kilby加入德克薩斯州儀器公司時，公司已在四年以前已經開發(fā)了第一個成功的硅晶體管（silicon transistor）。1958年，德克薩斯州儀器公司和Jack Kilby將他們的注意力轉向了美軍的小型化計劃，其思想是將電子元件印模在微小的陶瓷園片上，并使用導線將一堆電路串在一起。當公司其他人員在實驗室緊張的研究時，Jack Kilby感到該計劃太復雜，他知道電阻和電

14、容和晶體管一樣可以由半導體材料制造，為此逐步認識到，這些元件能被放置在同樣的一片材料上，即集成在一個單一的半導體薄片上，這個成果就是世界上第一個集成電路。,,,14,主存儲器（續(xù)）,ROM：只讀存儲器，當電源斷開后，其內容是不會丟失的。一般用來存儲固件（firmware）、硬件制造商提供的程序等PROM：初始PROM是空白芯片，一旦通過特殊可編程設備將信息寫入，它將永久存儲這些信息并且不能改變EPROM：像PROM一樣，EPROM能

15、通過可編程設備寫入程序等信息，而區(qū)別在于EPROM存儲的信息可以通過紫外線刪除，然后通過可編程設備重新寫入新的信息EEPROM：EEPROM與EPROM相似，所不同的只是它可以通過電脈沖刪除其存儲的信息，寫入新的信息不需要特殊的可編程設備CMOS芯片：與RAM的區(qū)別在于，CMOS芯片通過電池提供電源，即當關機時其存儲的信息不會丟失；而它與ROM的區(qū)別在于，它的內容隨著計算機系統(tǒng)配置的改變或用戶的設置而發(fā)生變化,,,15,輸入輸出系統(tǒng)

16、,計算機系統(tǒng)的輸入輸出系統(tǒng)的基本功能： 為數據傳輸操作選擇輸入輸出設備 在選定的輸入輸出設備和CPU（或主存儲器）之間交換數據 計算機系統(tǒng)有兩種體系結構： 獨立體系結構：它指的是制造商生產的機器不允許用戶進行擴展，即用戶不能夠通過簡單的方式增加新的設備 開放體系結構：它允許用戶通過系統(tǒng)主板上提供的擴展槽增加新的設備。其方法是插入適配卡到系統(tǒng)的主板擴展槽上，然后通過適配卡的端口和連接電纜連接適配卡和新的外部設備,,,16,擴

17、展槽與適配卡,連接系統(tǒng)主板與輸入/輸出設備 網絡適配卡：簡稱網卡,用來連接一臺計算機到其他計算機，或通過網絡總線連接多臺計算機、打印機、服務器等設備小型計算機接口卡（SCSI）：它使用計算機的一個擴展槽連接最多達七個設備，這種卡主要用于連接打印機、硬盤驅動器和CD-ROM驅動器等設備TV調諧卡：利用TV調諧卡，計算機能在瀏覽Internet的同時，觀看電視節(jié)目PC卡：又稱PCMCIA卡，適合便攜式計算機的尺寸其他：常用的適配卡

18、還有視頻適配卡用于匹配各種彩色適配顯示器；CD-ROM卡連接光盤驅動器；聲卡記錄和回放數字聲音；內置式MODEM卡用于連接計算機和電話插座,,,17,小知識,PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association），即個人計算機存儲卡協會，它成立于1989年，總部設在美國加州的圣何塞，在比利時的布魯塞爾和中國的香港、臺灣都有分部。理事會成員中有我們熟悉的Intel、A

19、MD、、Rockwell、IBM、Compaq等。在擴展卡標準出臺前，許多外設都是專用的，不能與其他廠家產品互換。因而需要一種通用的擴展方案，以便對計算機的擴展能力標準化，PCMICA應運而生。它規(guī)定了內存卡的物理設計方案、計算機插槽設計方案、電氣接口及相關軟件，并一直推動現在被稱為PC卡的標準。,,,18,系統(tǒng)總線,CPU與外圍設備之間傳輸信息的一組信號線，一般PC系統(tǒng)的總線分為四層 總線分層 片內總線是CPU內部各功能單元的連線

20、。延伸到CPU外，又稱CPU總線片總線是PC主板上以CPU為核心與各部件間的直接連線系統(tǒng)總線是主板上適配卡與適配卡之間連接的總線外總線是PC與PC之間通信的數據線 總線性能：時鐘頻率、總線寬度以及傳輸速率總線類型：工業(yè)標準體系ISA、外圍部件互連PCI以及加速圖像端口AGP,,,19,端口和連接電纜,端口是系統(tǒng)單元和外部設備的連接槽，連接電纜是端口與輸入/輸出設備之間的連接線。串行口：用于連接鼠標、鍵盤、MODEM和許多其他

21、設備到系統(tǒng)單元并行口：用于連接需要在較短距離內高速收發(fā)信息的外部設備,如打印機增強并行口（EPP）是由Intel、Xircom、Zenith等公司開發(fā)的，它實現了外部設備進行雙向通信。許多利用Intel 386芯片組的筆記本電腦配有EPP。擴展并行口（ECP）是由Microsoft和HP公司開發(fā)的，它具有和增強并行口一樣高的速率和雙向通信能力。支持全部IEEE 1284并行口規(guī)格的計算機配有ECP并行口,,,20,端口和連接電纜

22、（續(xù)）,加速圖形端口AGP：連接顯示器，支持高速圖像和其他視頻的輸入通用串行總線口USB：一個USB能同時連接多個設備，它提供快速的即插即用和熱插拔的連接“火線”口：又稱IEEE1394總線，用于連接高速打印機和數碼相機，并且速度比USB更快紅外接口：許多數碼產品都具備了紅外傳輸功能，例如數碼相機、手機等等音頻系統(tǒng)接口：聲卡具有音頻輸入/輸出接口、話筒輸入接口（MIC）、MIDI/游戲手柄接口，有些還包括前置/后置/中置/超低音

23、音頻輸出接口、數字輸出接口等,,,21,鍵盤,鍵盤：鍵盤上除了英文的26個字母和0到9數字等與打字機相同內容外，還增加了小鍵盤和一些特殊功能鍵,,,22,終端,終端：一種連接大型計算機或計算機網絡上的主機和服務器的輸入輸出設備無處理能力終端：能輸入和接收數據，但不能獨立處理數據智能型終端：包括一個處理器、內存和輔助存儲設備，例如Net PC網絡終端：功能和價格低于智能終端，一般依賴網上主機和應用軟件進行工作Internet終端：

24、又稱Web終端，訪問Internet并在一個標準電視機上顯示Web頁 終端功能：信息交換、數據收集、查詢和事務處理、遠程作業(yè)處理以及圖形顯示與設計,,,23,小知識,鍵盤的清洗：當鍵盤使用久了。會粘滿許多灰塵，它會導致表面非常骯臟，甚至會使得鍵盤上的某些按鍵失效。讀者應經常按照下列步驟進行清潔工作。關閉電源，拔下鍵盤與主機的連接線使用吸塵器清除鍵盤中的灰塵與垃圾用軟性的布料粘上90%的異丙基酒精，輕輕地清潔鍵盤表面，然后使用干凈

25、的軟性布擦干當鍵盤徹底干了以后，重新連接鍵盤和主機,,,24,定點輸入設備,使用定點設備在顯示屏、文本材料以及圖形材料上定位某些信息進行輸入。鼠標：相似設備有跟蹤球、觸摸面和定位桿游戲桿：用于計算機動感游戲的操縱觸摸屏：覆蓋一層塑料的特殊種類的顯示屏光筆：連接計算機并放置在顯示屏旁的特殊的輸入筆數字轉換器：描繪或拷貝圖畫或照片的設備數碼相機：照相機的磁盤或內存中以數字形式記錄圖像數字攝像機：將場景以數字形式記錄在磁盤或內

26、存中,,,25,掃描輸入設備,掃描設備以圖像形式輸入文本、圖畫或特殊符號。 圖像掃描儀：平臺式和手持式掃描儀，分辨率單位DPI傳真機：傳真機將圖像轉換成一系列的線，將線又轉換成連續(xù)的信息串進行發(fā)送條形碼閱讀器：閱讀條形碼的光電掃描儀，條形碼是垂直斑紋標記，條形碼系統(tǒng)有UPC和code 39字符和標記識別設備：MICR：銀行中自動讀取支票和存款條上的特殊數字OCR：將源文檔內容轉換成機器可識別代碼，如公用事業(yè)和電話的帳單OM

27、R：快速錄入設備，標準化考試和各種統(tǒng)計中得到廣泛的應用,,,26,語音輸入設備,將講話轉換成數字代碼并輸入到計算機，由麥克風、聲卡和語音輸入軟件系統(tǒng)組成。 語音輸入系統(tǒng)分類 離散語音識別系統(tǒng)：用戶的發(fā)音必須是一個單詞接著一個單詞，不能連讀連續(xù)語音識別系統(tǒng)：能根據上下文識別單獨的單詞和短語 語音輸入應用：辦公室環(huán)境下桌面計算中的一系列應用、完成人與計算機的對話功能以及幫助人類不同語種之間的交流,,,27,顯示器,特征是尺寸和清晰度

28、，常用的21英寸、19英寸、17英寸、15英寸 標準：表示顯示器的分辨能力 SVGA：高級視頻圖形陣列，分辨率800×600像素，用在15英寸顯示器XGA：擴展圖形陣列，分辨率1024×768像素，用在17英寸和19英寸顯示器SXGA：高級擴展圖形陣列，分辨率1280×1024像素，用在19英寸和21英寸顯示器UXGA：超高級圖形陣列，分辨率1600×1200像素，用于對圖像要求較高的領

29、域和21英寸顯示器中,,,28,顯示器(續(xù)）,類型：陰極射線管CRT：通過光柵掃描方法產生圖像平面顯示器：常用的等離子液晶顯示器高清晰度電視機HDTVNEC,,,29,打印機,通過打印機或繪圖儀將信息輸出到紙上稱為硬拷貝（顯示器輸出稱為軟拷貝） 。非接觸式打印機噴墨打印機：噴墨打印機以非常高的速度噴射微滴墨水到打印紙的表面，不僅產生字符質量的圖像，也能打印彩色的圖像激光打印機：激光打印機使用與復印機相似的技術，即利用

30、激光束產生很高質量的字符和圖像熱學打印機：熱學打印機使用熱元素在熱敏感打印紙上產生字符和圖像,,,30,打印機（續(xù)）,接觸式打印機：使用“錘子”敲擊字符形體，字符形體進一步敲擊色帶，引起色帶上的字符圖像印刷在打印紙上點針打印機：它通過打印頭上的細小針所形成的模型打印字符和圖形菊花輪打印機：使用一個塑料或金屬打印元素，其形狀相似于菊花上的花瓣行式打印機：利用一個打印輪或一個打印鏈，一次能夠打印整個一行HP,,,31,繪圖儀,繪圖

31、儀是用于產生直方圖、地圖、建筑圖紙以及三維圖表等的專用輸出設備 。筆式繪圖儀：通過在設計圖紙上移動一個水筆或鉛筆創(chuàng)建線圖噴墨繪圖儀：通過噴射墨水微滴創(chuàng)建線圖和彩色立體圖像靜電繪圖儀：使用靜電電荷在特殊處理的紙張上創(chuàng)建高分辨率的“圖像點”直接成像繪圖儀：使用熱感應紙和電加熱針創(chuàng)建圖像,,,32,軟盤,軟盤主要用來存儲和傳輸數據文件，包括電子文檔、電子表格以及小型數據庫文件。 軟盤：是一種輕便、移動式的存儲媒體，常用的是1.44M

32、B 3 1/2英寸軟盤的格式：平面圓片在邏輯上劃分成面、磁道和扇區(qū)大容量軟盤：盒式軟盤是大容量軟盤的標準，比1.44MB 3 1/2英寸軟盤更厚，并且需要特殊驅動器Zip盤：容量可達100MB或250MB超級盤：容量為120MB，可以使用1.44MB 3 1/2英寸軟盤驅動器，主要用于筆記本電腦HiFD盤：容量可達200MB，可以使用1.44MB 3 1/2英寸軟盤驅動器,,,33,硬盤,硬盤使用厚的、剛性的金屬磁盤片。另外，

33、硬盤能快速地存儲和讀取信息，并且其容量遠遠大于軟盤 。硬盤種類：內置硬盤：簡稱硬盤，安裝在系統(tǒng)單元的內部盒式硬盤：與錄音機的磁帶一樣，可以方便的移動，用于作為內置硬盤的補充硬盤組：存儲大容量信息、可移動的存儲設備，其容量遠遠大于上述兩種硬盤USB移動硬盤：支持即插即用 硬盤性能的提高：磁盤緩沖、價格低廉磁盤的冗余陣列RAIDs和文件壓縮/解壓縮,,,34,光盤,光盤技術中，通過激光束改變塑料或金屬盤片的表面來表示數據，即二進

34、制的1由盤片表面的平坦區(qū)域表示，0由不平的區(qū)域表示 。光盤CD：最重要指標是旋轉速度，如24速、32速等CD-ROM：光盤-只讀存儲器，相似音樂CD。只讀CD-R：又稱WORM，它代表寫一次、讀多次，即空白光盤CD-RW：可寫光盤或可刪除光盤,,,35,光盤（續(xù)）,數字化視頻光盤DVDDVD-ROM：數字化視頻光盤-只讀存儲器，能存放二小時高質量視頻DVD-R：可記錄的DVD，即寫一次，讀多次DVD-RAM：DVD-隨機存

35、取存儲器或DVD-RW（可寫DVD）,,,36,磁帶,磁帶提供的是順序化存取方式，即在定位指定文件或歌曲位置是，必須訪問前面幾英寸的磁帶。 DC2000/Travan技術：這種技術的工作原理稱為“縱向曲線性記錄法”，它使用一種非常簡單的驅動機械與計算機的軟驅接口相連接數碼音頻磁帶（DAT）技術：這種技術以螺旋掃描記錄為基礎，將信息轉化為數字后再存儲下來,,,37,磁帶（續(xù)）,QIC DC6000技術：即通常所講的數據流帶機，使用非常

36、簡單的驅動裝置進行縱向記錄8MM技術：適用于網絡和多用戶系統(tǒng)的磁帶技術數碼線性磁帶（DLT）技術，DLT技術采用單軸1/2英寸磁帶倉，以縱向曲線記錄法為基礎線性磁帶開放（LTO）技術：LTO技術結合了線性多通道、雙向磁帶格式的優(yōu)點，基于服務系統(tǒng)、硬件數據壓縮、優(yōu)化的磁道面和高效率糾錯技術，來提高磁道的性能,,,38,小知識,硅谷位于美國加利福尼亞州的舊金山，20世紀50年代初期，斯坦福大學在那里建立了一個研究所，1955年，晶體管

37、的發(fā)明者肖克萊在那里建立了一個半導體公司。兩年后，他的八名技術人員分出去，創(chuàng)立了現為美國第二大半導體廠家的費爾柴爾德（仙童）半導體公司。這個半導體公司發(fā)明了平面集成電路技術，標志著電子技術進入微電子時代，1967年，諾伊斯和摩爾又從仙童公司分出去，創(chuàng)辦了英特爾公司。 現在硅谷已成為美國及全世界高新技術發(fā)展的最大中心。目前美國五大半導體公司有四家設在硅谷，包括微軟在內的新興的計算機軟件和網絡公司也基本上以此為基地。,,,39,圖靈

38、獎獲得者,1987年圖靈獎獲得者John Cocke，他在圖靈獎頒獎儀式上發(fā)表的題為“對科學處理器性能的探索”（The Search for Performance in Scientific Processors）的演說中，指出了影響計算機性能的三大重要因素對后續(xù)的計算機發(fā)展具有重要的意義，即算法、編譯器和機器組織，其中算法的改進是最重要的。Cocke的主要貢獻和成就主要在高性能計算機的體系結構和編譯器（發(fā)表《程序設計語言及其編譯器》

39、和《各種變換的優(yōu)化方法》兩本專著） 。,,,40,本章小結,計算機硬件的發(fā)展有兩個大的趨勢：一是向超高速、大容量、實時和智能化方向發(fā)展；另一個是向微型化、低功耗、低價格方向發(fā)展。本章以微型計算機為主線，介紹了計算機的體系結構，以及運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備等基本部件。在后續(xù)課程中，通過計算機組成與體系結構、微機原理及其應用、單片機應用、接口與通信等課程的學習，能進一步掌握匯編語言編程、計算機的工作原理、輸入輸出方式以及并行處理