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21世紀高等學校計算機教育實用規(guī)劃教材,計算機硬件技術基礎（ISBN9787302160564）張鈞良編著2008年2月出版,總目錄,第1章計算機系統(tǒng)概述第2章計算機系統(tǒng)的硬件組成第3章指令系統(tǒng)第4章存儲系統(tǒng)第5章匯編語言程序設計第6章計算機總線技術第7章計算機與外設的數據傳輸第8章外圍設備接口第9章外圍設備第10章計算機網絡硬件,上一頁,第1章計算機系統(tǒng)概述,上一頁,1.1計算機系統(tǒng)的概念1.2計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理1.3計算機系統(tǒng)的發(fā)展及分類1.4計算機的特點和主要技術指標1.5計算機的應用領域本章小結,目錄,上一頁,1.1計算機系統(tǒng)的概念,1.1.1計算機系統(tǒng)的基本概念1.1.2微型計算機系統(tǒng)的三個層次,上一頁,計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。一個計算機系統(tǒng)，其所組成的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)緊密相關.某些硬件的功能可以由軟件來實現，而某些軟件的功能又可能由硬件來實現。計算機系統(tǒng)中軟件和硬件之間的關系是:計算機軟件隨硬件技術的迅速發(fā)展而發(fā)展，反過來，軟件的不斷發(fā)展與完善，又促進了硬件的新發(fā)展，兩者的發(fā)展密切地交織著。在實際發(fā)展中，計算機某些硬件的功能往往發(fā)展為由軟件來實現，而某些軟件的功能又演變由硬件去實現。,1.1.1計算機系統(tǒng)的基本概念,上一頁,微型計算機系統(tǒng)中從局部到全局有三個層次：微處理器—微型計算機—微型計算機系統(tǒng)。⒈微處理器（Microprocessor）:是組成微型計算機的核心部件。是把算術邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）、控制部件（ControlUnit）和寄存器組（Registers）等制作在一塊集成電路中的芯片，也叫中央處理單元或中央處理器（簡稱CPU）。⒉微型計算機（MicroComputer）:是以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的RAM和ROM存儲器芯片、輸入/輸出接口芯片和系統(tǒng)總線等組成的計算機，簡稱微型機或微機。⒊微型計算機系統(tǒng)（MicroComputerSystem）:是由微型計算機硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、外圍設備、電源等組成的計算機系統(tǒng)。,上一頁,1.1.2微型計算機系統(tǒng)的三個層次,在上述三個層次中，單純的微處理器不是計算機，單純的微型計算機也不是完整的計算機系統(tǒng)，它們都不能獨立工作。只有微型計算機系統(tǒng)才是完整的計算機系統(tǒng)，才具有實用意義，才能夠正常工作。單片機的概念：是把微型計算機的運算部件、控制部件、內存儲器和輸入輸出接口電路、系統(tǒng)總線等制作在一塊集成電路芯片上。單片機往往用于家電產品上，作程序控制使用，如微電腦控制的洗衣機。,上一頁,1.1.2微型計算機系統(tǒng)的三個層次（續(xù)1）,1.2計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理,1.2.1馮諾依曼結構1.2.2計算機系統(tǒng)的基本組成1.2.3計算機系統(tǒng)的基本工作原理,上一頁,馮諾依曼結構為現代電子數字計算機的發(fā)展奠定了基礎?，F代計算機基本上仍然沿用這一基本思想。馮諾依曼結構的特點是：⑴計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。⑵數據和程序都以二進制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也以二進制代碼形式表示。⑶控制器是根據存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數器（即指令地址計數器）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能根據計算結果選擇不同的動作流程。馮諾依曼結構的核心思想是“存儲程序”，這種結構的優(yōu)點是結構比較簡單，便于控制，實現容易。,上一頁,1.2.1馮諾依曼結構,一臺完整的計算機系統(tǒng)包括計算機的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件（Hardware）是整個計算機系統(tǒng)的物質基礎，是計算機系統(tǒng)中實際裝置的總稱。軟件（Software）則是指在計算機上運行的所有程序及其文檔資料，包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。,上一頁,1.2.2計算機系統(tǒng)的基本組成,從外觀上看，微型計算機系統(tǒng)硬件主要包括五大部分：⑴主機箱：計算機中幾乎所有的重要部件都在主機箱中，如中央處理器（CPU）、主板、內存儲器、硬盤驅動器、軟盤驅動器、光盤驅動器（CD-ROM或DVD-ROM）、聲卡、顯示卡，以及電源等。⑵顯示器：是微機系統(tǒng)必須配備的信息輸出設備。⑶鍵盤：是計算機重要的信息輸入設備，是微型計算機系統(tǒng)必配的外部設備。⑷鼠標器：是現代微機必不可少的輸入設備。⑸音箱：計算機的發(fā)音設備。,上一頁,⒈微型計算機系統(tǒng)硬件的組成成分,⑴主板（mainboard）：是PC機硬件系統(tǒng)的核心。它的作用是將計算機的各個部件有機地整合在一起。CPU、內存儲器、顯示卡和聲卡等直接安插在主板上，硬盤驅動器、軟盤驅動器、光驅、鍵盤、鼠標器等外部設備則通過纜線、接口與主板相連，主板上還安裝了組成計算機的主要電路系統(tǒng)，如I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關接口、指示燈接插件、擴充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。⑵CPU：計算機的核心部件。主要是用來進行數據的計算、處理和控制，CPU的好壞，往往反映出整個計算機系統(tǒng)性能的高低。,上一頁,⒉主機箱內安裝的主要部件,⑶內存儲器：計算機的重要組成部分，是微機運行程序時用于快速存放程序和數據的載體，它都是由半導體大規(guī)模集成電路存儲芯片組（ROM和RAM）組成，做成內存條的形式安裝在主板上的SIMM接口槽或DIMM接口槽中。⑷顯示卡：工作在CPU和顯示器之間，是直接安插在主板上的一塊印刷電路板卡，其基本作用是控制計算機的圖形輸出。顯示卡負責將CPU送來的圖像數據處理成顯示器可以了解的格式，再送到顯示器形成圖像。顯示卡簡稱顯卡，又稱圖形加速卡，它是我們從微機中獲取圖形、圖像信息的最重要途徑。,上一頁,⒉主機箱內安裝的主要部件（續(xù)1）,⑸聲卡：聲卡是計算機的發(fā)音設備，它與計算機箱內置的小喇叭不一樣，小喇叭是用來發(fā)出某些警告或提示信號的，而聲卡則是為多媒體計算機配置的?，F在的微機幾乎都是多媒體計算機，為了讓其發(fā)出優(yōu)美的聲音，必須配置聲卡和音箱。⑹硬盤：硬盤是一種用來儲存數據的外部設備，被稱為數據倉庫。硬盤里面存放著計算機的靈魂——軟件，包括操作系統(tǒng)和各種各樣的應用軟件。硬盤的存儲容量可以說是目前存儲器中最大的存儲設備，存儲量可高達幾百GB。⑺軟盤驅動器：軟盤驅動器曾是微機中常用的外存儲設備，一般簡稱為軟驅，用來存儲用戶運行的程序和文檔，現在已經逐漸趨于淘汰。,上一頁,⒉主機箱內安裝的主要部件（續(xù)2）,⑻CD-ROM驅動器或DVD-ROM：簡稱光驅，是重要的存儲設備，CD-ROM的容量為650MB。⑼電源：機箱中都安裝由電源（PowerSupplyUnit），它的功能是將市電（交流電）轉換為微機工作所需要的直流電，它是一種電氣行業(yè)中所說的開關電源。微機電源分為AT、ATX等標準，現在微機上普遍使用ATX電源。,上一頁,⒉主機箱內安裝的主要部件（續(xù)3）,⒈存儲程序和程序控制原理存儲程序和程序控制原理是美籍匈牙利科學家馮諾依曼于1945年提出來的，是計算機能夠自動完成運算或處理過程的基礎?，F在的計算機仍遵循著這個原理。存儲程序和程序控制原理的要點是，為解決某個問題，需事先編制好程序，程序可以由高級語言的語句編寫，也可以由機器指令組成，即程序是由一系列指令組成的。程序輸入計算機，存儲在內存儲器中(存儲原理)，在運行時，控制器按地址順序取出存放在內存儲器中的指令(按地址順序訪問指令)，然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉移指令時，則轉移到轉移地址，再按地址順序訪問指令（程序控制）。,上一頁,1.2.3計算機系統(tǒng)的基本工作原理,⒉計算機的工作過程計算機的工作過程可以歸結為以下幾步：①控制器控制輸入設備將數據和程序由輸入設備輸入到內存儲器；②在控制器指揮下，從存儲器取出指令送入控制器；③控制器分析指令，指揮運算器、存儲器執(zhí)行指令規(guī)定的操作；④運算結果由控制器控制送存儲器保存或送輸出設備輸出；⑤返回到第2步，繼續(xù)取下一條指令，如此反復，直至程序結束。,上一頁,1.2.3計算機系統(tǒng)的基本工作原理（續(xù)1）,上一頁,指令執(zhí)行過程的示意圖,,計算機執(zhí)行程序的典型工作過程。⑴控制器中的程序計數器通過地址總線（ABUS）指出指令所在的內存單元的地址，同時通過控制總線向存儲器發(fā)出準備讀取數據的控制信號。⑵存儲器中的這一單元被地址線上的地址信號選中，通過數據總線（DBUS）從存儲器中讀取存放在這一單元中的指令，再經過數據緩沖寄存器（DR）送入指令寄存器（IR）。⑶指令是一串二進制代碼數據，包括操作碼和地址碼，操作碼部分被送入指令譯碼器進行譯碼，判斷出該指令的操作類型；地址碼部分被判斷出這類操作的操作數放在什么地址中。,上一頁,1.2.3計算機系統(tǒng)的基本工作原理（續(xù)2）,⑷操作控制器把指令譯碼器送來的操作碼譯碼結果加工，再加上時序產生器產生的節(jié)拍脈沖，產生該條指令的操作控制信號，并有序地發(fā)出去，完成該條指令所應完成的功能。⑸如果還需要從存儲器中取出操作數，則控制器通過地址總線發(fā)出存放操作數的內存單元地址，同時通過控制總線發(fā)出準備讀出數據的控制信號，然后由控制器通過數據總線將操作數取出。⑹執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。如果是算術運算或邏輯運算，則由運算器（邏輯運算單元和累加器等）進行處理；如果屬于數據傳送類的操作，則由控制器命令進行此操作的有關電路，進行傳送。,上一頁,1.2.3計算機系統(tǒng)的基本工作原理（續(xù)3）,1.3計算機系統(tǒng)的發(fā)展和分類,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展1.3.2計算機系統(tǒng)的分類,一、計算機誕生中的三個第一：世界上第一臺投入運行的電子計算機——ENIAC,1946.2,美國世界上第一臺按存儲程序控制功能設計的計算機——EDVAC，1946--1950，美國世界上第一臺投入運行的實現存儲程序控制的計算機——EDSAC，1947--1949，英國計算機時代的開始：以1951年UNIVAC-Ⅰ投入運行為標志，第一臺批量生產的商用計算機，從此，計算機走向社會。,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展,二、計算機發(fā)展的分代以計算機硬件所使用的邏輯器件作為劃分“代”的依據。第一代——電子管計算機時代（1946.2——50年代后期）第二代——晶體管計算機時代（50年代中期——60年代中期）第三代——中小規(guī)模集成電路計算機時代（60年代中期——70年代初）第四代——大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計算機時代（70年代初——現在）,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)1）,計算機第一定律——摩爾定律1965年，美國人戈登摩爾(GordonMoore)在準備一個關于計算機存儲器發(fā)展趨勢的報告整理資料時，發(fā)現了一個驚人的趨勢。每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產生都是在前一個芯片產生后的18～24個月。計算機的處理能力相對于時間周期將呈指數式的上升。這就是著名的摩爾定律，該定律成為許多工業(yè)對于性能預測的基礎。,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)2）,計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化網絡化智能化多媒體計算機進入20世紀90年代以后，計算機開始向“巨”(巨型化)、“微”(微小化)、“網”(計算機網絡化)、“智”(計算機智能化)、“多”(多媒體計算機)的方向發(fā)展。,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)3）,是否能夠研制運算速度達每秒幾百億次甚至上萬億次、存儲容量很大、并且功能非常強大的巨型計算機，是一個國家綜合實力是否強大的標志。美國和日本憑借自己的經濟實力，研制了這樣的計算機，想以此稱霸世界。1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-1”超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質勘探、衛(wèi)星圖像處理、核武器、反導彈武器、空間技術等要求計算機有很高處理速度和很大容量的領域。,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)4）,中國的超級計算機：“銀河1號”、“銀河2號”、“銀河3號”；“曙光1000”、“曙光2001”；“神威Ⅰ”；中國制造成功近萬億次計算機——2002年8月29日，名為“深騰1800”的萬億次（1.0TFLOP/s）聯(lián)想高性能計算機誕生。2004年由曙光公司研制成功曙光4000A，運算速度達到8.061萬億次浮點運算，蜂值運算速度可達到每秒11.264萬億次浮點運算。使我國成為世界上為數不多的能研制巨型計算機的國家之一?！吧裢瘛焙汀吧铗v1800”的研制成功，是我國在巨型計算機研制和應用領域取得的重大成果，是中國IT企業(yè)群體發(fā)展歷程中的一塊里程碑。它標志著中國成為繼美國、日本之后，世界上第三個具備研制高性能計算機能力的國家。。,上一頁,1.3.1計算機系統(tǒng)的發(fā)展（續(xù)5）,按照處理的信息形式分：可分為數字計算機和模擬計算機。按照用途及使用范圍，可分為通用機和專用機。按字長分：還可把計算機分為8位機、16位機、32位機和64位機等按照計算機的規(guī)模、運算速度、使用范圍等綜合考慮，可以把計算機分為：高性能計算機、微型計算機（PC機）、工作站、服務器、嵌入式計算機等。,上一頁,1.3.2計算機的分類,⒈高性能計算機：高性能計算機是指處理量大、運算速度快的計算機領域的高尖端產品，是現代大型建設與研究項目的必備條件。高性能計算機也有高、中、低檔之分，中檔系統(tǒng)近年來市場發(fā)展最快。從應用與市場角度來劃分，中高檔系統(tǒng)可分為兩種，一種叫超級計算機，主要是用于科學工程計算及專門的設計，如CrayT3E；另一種叫超級服務器，可以用來支持計算、事務處理、數據庫應用、網絡應用與服務，如IBM的SP和國產的曙光2000。美國能源部的加速戰(zhàn)略計算ASCI計劃，目標是構造100萬億次的超級計算機系統(tǒng)、軟件和算法。最新的Ultrascale計劃目標在2010年研制萬萬億次級系統(tǒng)。,上一頁,1.3.2計算機的分類（續(xù)1）,近年來，我國在高性能計算機的研發(fā)方面也取得了很大的成績，推出了“曙光”、“聯(lián)想”等代表國內最高水平的高性能計算機系統(tǒng)，并在國民經濟的關鍵領域得到了應用。聯(lián)想公司2003年研發(fā)的安裝在中國科學院計算機網絡信息中心的深騰6800用了1024顆Intel公司的Itanium2處理器，實際運算速度為每秒4.148萬次，蜂值運算速度達到每秒5.324萬億次。2004年安裝在上海超級計算中心的曙光公司研發(fā)的曙光4000A采用2560顆64位AMDOpteron處理器，運算速度達到8.061萬億次浮點運算，蜂值運算速度可達到每秒11.264萬億次浮點運算。,上一頁,1.3.2計算機的分類（續(xù)2）——高性能計算機,⒉微型計算機（個人計算機）⒊工作站（workstation）：是一種介于微型機與小型機之間的高檔微機系統(tǒng)，它具備強大的數據運算與圖形、圖像處理能力。工作站主要面向的是專業(yè)應用領域，主要有工程設計、動畫制作、科學研究、軟件開發(fā)、金融管理、信息服務、模擬仿真等。⒋服務器：是一種在網絡環(huán)境下為多個用戶提供服務的計算機系統(tǒng)。根據提供的服務，服務器可以分為文件服務器、數據庫服務器、應用服務器和通信服務器等。⒌嵌入式計算機：嵌入式計算機是指作為一個信息處理部件，嵌入到應用系統(tǒng)之中的計算機。,上一頁,1.3.2計算機的分類（續(xù)3）,1.4計算機的特點和主要技術指標,上一頁,1.4.1計算機的特點1.4.2計算機的主要技術指標,1.通用數字計算機的特點處理速度快——計算機的運行速度以MIPS衡量計算精度高——主要取決于計算機的字長記憶能力強——有存儲器可靠的邏輯判斷能力——能進行邏輯運算可靠性高、通用性強,上一頁,1.4.1計算機的特點,2.微型計算機的特點體積小，重量輕價格便宜，成本低使用方便，運行可靠對運行環(huán)境無特殊要求——但對機器周圍的環(huán)境，應保持一定的溫度、濕度、及空氣潔凈度。,上一頁,1.4.1計算機的特點（續(xù)1）,⒈主頻：主頻即時鐘頻率，是指CPU在單位時間內發(fā)出的脈沖數，它在很大程度上決定了計算機的運行速度。其單位是兆赫茲(MHz)，P4的主頻在1GHz以上。⒉運行速度：運行速度是一項綜合性的性能指標，其單位是MIPS(百萬條指令/秒)。⒊字長：字長是指計算機的運算部件能同時處理的二進制數據的位數。字長決定了計算機的運算精度，字長長，計算機的運算精度就高。⒋存儲容量：計算機能存儲的信息總字節(jié)量稱為該計算機系統(tǒng)的存儲容量，內存儲器中能存儲的信息總字節(jié)數稱為內存容量。單位是MB（兆字節(jié)）、GB（吉字節(jié)）和TB（太字節(jié)）。,上一頁,1.4.2計算機的主要技術指標,⒌存取周期：存儲器進行一次“讀”或“寫”操作所需的時間稱為存儲器的訪問時間(或讀寫時間)，而連續(xù)啟動兩次獨立的“讀”或“寫”操作(如連續(xù)的兩次“讀”操作)所需的最短時間，稱為存取周期(或存儲周期)。⒍其他指標：機器的兼容性(包括數據和文件的兼容、程序兼容、系統(tǒng)兼容和設備兼容)，系統(tǒng)的可靠性(平均無故障工作時間MTBF)，系統(tǒng)的可維護性(平均修復時間MTTR)，機器允許配置的外部設備的最大數目，計算機系統(tǒng)的漢字處理能力，數據庫管理系統(tǒng)及網絡功能等。性能/價格比是一項綜合性評價計算機性能的指標。,上一頁,1.4.2計算機的主要技術指標（續(xù)1）,1.5計算機的應用領域,上一頁,1.5.1科學計算1.5.2數據處理1.5.1過程控制1.5.2計算機輔助系統(tǒng)1.5.1計算機通信,上一頁,1.5.1科學計算,計算機最早應用于科學計算方面，這主要是指計算機應用于完成科學研究和工程技術中所提出的數學問題(數值計算)。在科學技術和工程設計中，有各類復雜的數學計算問題，比如核反應方程式、衛(wèi)星軌道、材料結構受力分析等的計算，飛機、汽車、船舶、橋梁等的設計。這些問題計算工作量很大，用一般的計算工具，靠人工來計算是不可想象的，用高速、大型計算機，就能快速、及時、準確地獲得計算結果。早期的計算機主要用于科學計算方面，隨著計算機技術的發(fā)展和應用的普及，科學計算方面的比重在逐年下降，但至今仍是一個主要的應用方面。對用于科學計算方面的計算機要求其速度快、精度高，存儲容量相對也要求大。,上一頁,1.5.2數據處理,數據處理，泛指非科技工程方面的所有計算、管理和任何形式數據資料的處理，包括辦公自動化(OA)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、專家系統(tǒng)(ES)等。例如企業(yè)管理、庫存管理、報表統(tǒng)計、情報檢索、公文函件處理等等，特點是要處理的原始數據量大，而算術運算較簡單，有大量的邏輯運算與判斷，結果要求以表格或文件形式存儲、輸出。在以后相當長的時間里，數據和事務處理仍是計算機，特別是微型計算機的最主要的應用領域。由于數據處理的數據量大，要求計算機的存儲容量大，速度則不怎么要求，并且往往要求聯(lián)網。,上一頁,1.5.3過程控制,計算機應用于控制。由于所測量的往往是重量、溫度、位移等物理量，這些物理量經過一次儀表轉變?yōu)殡娏餍问降哪M量，然后需要把這些模擬量轉換成數字量，再由計算機進行處理或計算。計算機處理的結果是數字量，一般要將它們轉換成模擬量才能去控制對象。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，需有專門的數字-模擬轉換設備和模擬-數字轉換設備(稱為D/A轉換和A/D轉換)。把計算機用于生產過程的實時控制，可大大提高生產自動化水平，提高勞動生產率和產品質量，降低生產成本，縮短生產周期。,上一頁,1.5.4計算機輔助系統(tǒng),計算機輔助系統(tǒng)有：計算機輔助教學(CAI)計算機輔助設計(CAD)計算機輔助制造(CAM)計算機輔助測試(CAT)計算機集成制造(CIMS)等系統(tǒng),上一頁,1.5.5計算機通信,計算機通信是近幾年迅速發(fā)展起來的一項重要的計算機應用領域。計算機網絡技術的發(fā)展，促進了計算機通信應用業(yè)務的開展。目前，完善計算機網絡系統(tǒng)和加強國際間信息交流已成為世界各國經濟發(fā)展、科技進步的戰(zhàn)略措施之一，因而世界各國都特別重視計算機通信的應用。多媒體技術的發(fā)展，給計算機通信注入了新的內容，使計算機通信由單純的文字數據通信擴展到音頻、視頻和活動圖像的通信。Internet的迅速普及，將使計算機通信進入高速發(fā)展的階段。,本章概要的介紹了計算機系統(tǒng)的概念，主要的要點有：⑴微型計算機系統(tǒng)的三個層次。⑵馮諾依曼型計算機的基本設計思想是存儲程序和程序控制。⑶硬件和軟件在一定的條件下是可以相互轉化的。⑷計算機的發(fā)展經歷了4個階段。⑸計算機的分類。⑹計算機的特點。⑺計算機的應用領域。⑻計算機系統(tǒng)的基本組成如下圖所示。,上一頁,本章小結,上一頁,本章小結,第1章結束TheEnd,謝謝??！,上一頁,