大学精品课件：第2章 计算机系统(1).ppt

1、第第2章章 信息处理机器：计算机系信息处理机器：计算机系 统统 2.1 2.1 从历史走向未来从历史走向未来计算机的发展史计算机的发展史 2.2 2.2 微型计算机系统微型计算机系统 2.3 2.3 外部存储设备外部存储设备 2.4 2.4 输入输入/ /输出子系统输出子系统 2.1 从历史走向未来从历史走向未来计算机的计算机的 发展史发展史 本节主要内容本节主要内容 2.1.1 现代计算机的“史前”时代 2.1.2 冯偌依曼型计算机的基本结构 2.1.3 第一台现代电子数字计算机的诞生 2.1.4 现代计算机发展的四个阶段 2.1.5 超级计算机 重点难点重点难点 冯偌依曼型计算机的基本结构

2、 第第2 2章章2.12.1节节 2.1.1 现代计算机的现代计算机的“史前史前”时代时代（- - 19461946） 1642-1643年，法国数学家布莱士帕斯卡发明了用齿轮运作的 加法器。 1674年，德国数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机，使之成为 一种能够进行连续运算的机器，并提出了“二进制”数的概念。 1847年，英国科学家乔治布尔创立了逻辑代数（布尔代数）， 为现代电子计算机的设计和制造奠定了理论基础。 1936年，英国科学家图灵提出“图灵机”概念。 1943年，霍华德艾肯在哈佛大学研制出世界上第一台通用计算 机“ASCC Mark” 1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀

3、埃克特和物理 学家约翰莫克利开始着手研制ENIAC（电子数值积分计算器， Electronic Numerical Integrator and Calculator） 第第2 2章章2.12.1节节2.1.12.1.1 2.1.2 冯冯 偌依曼计算机的基本结偌依曼计算机的基本结 构构 冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 工作原理：存储程序，顺序控制 基本思想： 计算机可以使用二进制 计算机的指令和数据都可以存储在机内 基本结构 存储器，运算器，控制器，输入设备，输出 设备 第第2 2章章2.12.1节节2.1.22.1.2 John von Neuman 2.1.3 第一台现代电子数字计算第一

4、台现代电子数字计算 机的诞生机的诞生 1946年2月，世界上第一台计算机于美国宾州大 学诞生，取名电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator），简 称ENIAC ENIAC共用了18000多只电子管，耗电150千瓦， 占地170平方米。它可以编程，执行复杂的操作 序列，包含循环、分支和子程序。 2.1.4 现代计算机发展的四个阶现代计算机发展的四个阶 段段 1.第一代计算机(19461957) 使用电子管作主要元件，耗电多，发热量大，运算速度一般每 秒为数千次至数万次。 存储容量小，初期用水银延迟线或静电存储器，容量仅有数千

5、 字节，后期采用磁鼓与磁芯，容量有较大提高。 程序设计使用机器语言或汇编语言，输入输出主要用穿孔的 纸带或卡片，编程与上机都很费时。 2.第二代计算机(19581965) 用晶体管代替电子管来作开关元件，具有尺寸小、重量轻、寿 命长、效率高、发热少、功耗低等优点。 普遍使用磁芯存储器为主存储器。 汇编语言更普遍，COBOL和FORTRAN高级语言出现并开始 投入使用。 3.第三代计算机(19651970 ) 中、小规模集成电路投入使用 系列化、通用化和标准化 开始使用操作系统 4.第四代计算机(1970) 使用大规模集成电路VLSI (Very Large Scale Integration)

6、和超大规模 集成电路ULSI (Ultra Large Scale Integration)制作开关逻辑部件； 性能价格比大幅度跃升； 产品更新的速度加快； 软件配置空前丰富。 80年代个人计算机（PC）问世与普及 计算机的发展先后经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模计算机的发展先后经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模 和超大规模集成电路的演变。总的发展趋势是体积、重量、功和超大规模集成电路的演变。总的发展趋势是体积、重量、功 耗越来越小，而容量、速度、处理能力等性能越来越高。耗越来越小，而容量、速度、处理能力等性能越来越高。 2.1.5 超级计算机超级计算机 定义定义 超级计算机又称高性

7、能计算机，是指计算能力（尤其是计算速度）为 世界顶尖的电子计算机。 超级计算机通常由数千个甚至更多的处理器组成，能计算普通PC机和 服务器不能完成的大型复杂任务 应用应用 主要用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济 的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分 析、密码分析、军事国防和各种科学研究 曙光、银河、神州、天河等 2.2 微型计算机系统微型计算机系统 本节本节主要内容主要内容 2.2.1 微型计算机系统的基本组成微型计算机系统的基本组成 2.2.2 CPU处理器处理器 2.2.3主存储器主存储器 重点难点重点难点 微型计算机系统的基本组成 主存储器的

8、分类 2.2.1 微型计算机系统的基本组微型计算机系统的基本组 成成 微型计算机系统由微型计算机系统由硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统两部分组成。两部分组成。 硬件系统是指所有构成计算机的物理实体，包括计算机系统中一切电子、机 械、光电设备。 软件系统则指管理计算机软件系统和硬件系统资源，控制计算机运行的程序、 命令、指令、数据等。 微型计算机系统组成微型计算机系统组成 2.2.2 CPU CPU（Central Processing Unit,中央处理中央处理 单元），又称微处理器或处理器单元），又称微处理器或处理器 计算机系统的核心，内部结构分为控制器、运算器和寄存器。 控制器是计算机

9、的指挥控制中心，读取各种指令，并对指令进行分析， 做出相应的控制。 运算器完成各种算术运算和逻辑运算。 寄存器参与运算并存放运算的中间结果。 CPU内部组成内部组成 字长：CPU在单位时间内一次处理的二进制 位数。 主频：指CPU工作时的时钟频率 未来的微处理器性能的提高主要来至于芯片 上处理器核数量的增加，而不仅仅依赖于单 处理器速度的提高。例 CPU为了进行数据传递和通信，设置了内部总线。计算机 总线是一组信号线的集合，是以微处理器为核心构成的总 线系统。 数据总线（data bus） 用来传送数据信息，是双向的。数据总线的宽度决定了CPU和计 算机其他设备之间每次交换数据的位数。 地址总

10、线（address bus） 指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。地址总线的宽度决定 了CPU的最大寻址能力。 CPU可寻址空间=2n 字节 n为地址总线的位数 控制总线（control bus） 用来传送控制信号、时序信号和状态信号。 计算机的总线结构计算机的总线结构 2.2.3 主存储器主存储器 基本概念基本概念 计算机内部的主要存储器，又称主存或内存，用于存放CPU正在处理、 即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问的存储器。 主存中存放二进制位的电路称为存储单元（cell）,是可管理的 最小存储单位。一个典型的存储单元的容量是8bit 地址：系统给每个存储器单元赋予唯一的

11、标识 当数据块、指令、程序和计算结果被存放到内存时，它们会被 存放到一个或多个连续的地址中，这取决于数据的大小。 各个内存地址所存储的内容是不断变化的，当计算机处理完时， 就会释放内存空间以便存储其他的程序和数据。 容量的标识容量的标识 KB,MB,GB,TB 分类分类 内存分为随机存取存储器RAM（Random Access Memory）和只 读存储器ROM（Read Only Memory）两种。 ROM中的信息一般只能读出而不能写入，断电后，ROM中的原有信 息保持不变，在计算机重新开机后，ROM中的信息仍可被读出。一 般用来存储固定的系统软件和数据等，如自检、监控、诊断等程序。 RA

12、M用于存放CPU正在处理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU 可以直接访问（可读/写）的存储器。一旦关闭计算机（断电）， RAM中的信息就丢失了。因此，关闭程序时，要及时存盘。一般用 来存放操作系统，各种正在运行的软件、输入和输出数据、中间结果 及与外存交换信息等。 通常内存主要指RAM 读操作：取出原记录内容而不破坏其信息 写操作：把原来保存的内容抹去，重新记录新的内容 目前，市场的主流是DDR SDRAM内存，它能够在一个始终周期内传 输两次数据，速率是SDRAM的2倍。现行流行的内存产品是DDR3。 高速缓冲存储器Cache 运行速度：RAM1.41.4节节1.4.11.4.1 操作系统

13、的多级存储结构 Core i7主要参数：（主要参数：（i：intelligence ） 1）64位的四核处理器位的四核处理器 2）8MB的三级缓存的三级缓存 3）三通道的）三通道的DDR3内存内存 三款三款Intel Core i7处理器，频率处理器，频率 分别为分别为3.2GHz、 2.93GHz和和2.66GHz Core i7外观外观 2.3 外部存储设备外部存储设备 本节本节主要内容主要内容 2.3.1 外部存储系统的基本概念 2.3.2 磁存储系统 2.3.3 光盘存储系统 2.3.4 非易失性存储器 2.3.5 存储系统的数据校验方法 重点难点重点难点 “奇偶校验”法 第第2 2章

14、章2.2.3 3节节 2.3.1 外部存储系统的基本概念外部存储系统的基本概念 1.存储系统的组成存储系统的组成 所有的存储系统都包括两个物理部分： 存储设备：硬盘驱动器、光盘驱动器 存储介质：硬盘、光盘 存储设备必须从存储介质中读/写数据和程序。 2.固定存储系统和移动存储系统固定存储系统和移动存储系统 在固定存储系统中，存储设备通常安装或配置在计算机系统内部， 相关的存储介质在计算机读/写之间必须插入存储设备中，如硬盘 驱动器与光盘驱动器。 外部存储系统一般是独立的、可移动的，如U盘 3.易失性与非易失性存储器易失性与非易失性存储器 易失存储器指断电后会失去数据的存储器，如RAM 非易失存

15、储器（NVRAM，Non-Volatile Random Access Memory） 指断电后数据仍然能保留的存储器。如U盘、PDA、存储卡 第第2 2章章2.32.3节节2.3.12.3.1 2.3.2 磁存储系统磁存储系统 磁存储系统的主要功能是将主机送来的电脉冲信号转换成磁记录信号， 保留在涂有磁介质的盘片上，或者从盘片上将被保留的磁记录信号再 转换成电脉冲信号送往主机。 1.硬盘存储系统硬盘存储系统 磁盘寻址结构示意图磁盘寻址结构示意图 第第2 2章章2.32.3节节2.3.22.3.2 2.磁盘冗余阵列磁盘冗余阵列RAID 独立磁盘冗余阵列（RAID，Redundant Array

16、 Of Independent Disks）简称磁盘阵列，是一种把多块独立的硬盘按不同的方式组合 起来形成一个硬盘组，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备 份技术。 具有容错处理、拯救数据功能，若单块硬盘出错，不会影响到整体的 继续使用。 针对不同的应用使用不同的技术，称为RAID Level。目前公认的标 准时RAID0RAID5，每一Level代表一种技术，并不代表技术的高 低。 RAID Level 5 RAID Level 5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解 决方案。 至少需要三个硬盘，不对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应 的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各

17、个磁盘上，并且奇偶校验信息 和相对应的数据分别存储于不同的磁盘上。 硬件硬件RAID Level 5RAID Level 5系统示意图系统示意图 2.3.3 光盘存储系统光盘存储系统 光盘是一种数字式记录存储器，将模拟存储设备上记录的视频及 音频信号，经过数据化，以数字形式存储在计算机的存储器中。 具有容量大、保存时间长等优点 通过减少光盘上记录点的大小使得在相同轨道上可以有更多的记 录点，提高数据的存储容量 通过减小轨道间的距离让光盘有更多的轨道，使得不同类型的光 盘具有不同的存储容量 第第2 2章章2.32.3节节2.3.32.3.3 光盘表面上的物理凹痕光盘表面上的物理凹痕 2.3.4

18、非易失性存储器非易失性存储器 依内存内的资料是否能在使用电脑时随时改写为标准，分 为： ROM Flash Memory：具有关掉电源仍可保存数据、重复读 写且读写速度快、单位体积内可储存更多数据量、低 功耗等优点。 第第2 2章章2.32.3节节2.3.42.3.4 2.3.5 存储系统的数据校验方法存储系统的数据校验方法 “奇偶校验奇偶校验”法法 在每一字节中加上一个奇偶校验位，用来指示之前的数据 中包含奇数个1还是偶数个1的检验方式，即每个字节发送 9位数据。 数据传输以前通常会确定是奇校验还是偶校验，以保证发 送端和接收端采用相同的校验方法进行数据校验。如果校 验位不符，则认为传输出错

19、。 奇校验时，校验位按如下规则设定：如果每字节的数据位 中“1”的个数为奇数，则校验位为“0”若为偶数，则校 验位为“1”。 第第2 2章章2.32.3节节2.3.52.3.5 8位数据 原有数据中 1的个数 奇校验位奇校验位 增加校验位后的字节增加校验位后的字节 00000000 0 0 00000000 0 10100010 3 0 10100010 0 11001100 4 1 11001100 1 11111110 7 0 11111110 0 奇偶校验在奇偶校验在RAID中的应用中的应用 假设数据块A1=00000111，A2=00000101，A3=00000000分别 存储在不同

20、的磁盘中，奇偶校验块Ap由A1、A2、A3异或得到，即 Ap=A1A2 A3=00000010. 如果第2块磁盘出现故障，A2将不能访问，但可以通过A1、A3与Ap数 据的异或进行重建。 A1 A2 A3 Ap 注释 00000111 00000101 00000000 00000010 Ap=A1A2 A3 00000111 00000000 00000010 A2出错 00000111 00000101 00000000 00000010 A2=A1A3 Ap 2.4 输入输入/输出子系统输出子系统 本节要点本节要点 2.4.1 计算机输入设备 2.4.2 计算机输出设备 2.4.3 外部

21、设备接口 重点难点重点难点 典型的输入/输出设备各有哪些 第第2 2章章2.42.4节节 2.4.1 计算机输入设备计算机输入设备 1.键盘键盘 键盘的键按下时，矩阵电路交叉点开关闭合，微处理器根据按下的位 置，解释出相应的数字信号并传送给电脑的中央处理器。 2.鼠标鼠标 利用自身的移动，把移动距离及方向信息变成脉冲送给计算机，再 由计算机把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示屏幕位置 的目的。 3.扫描仪扫描仪 分辨率：用每英寸长度上扫描图像所含有像素点的个数来表示，单位 为DPI 4.触摸屏触摸屏 将手指移动的轨迹数字化，传送给计算机，计算机根据获得的数据进 行处理 5.手写输入设备

22、手写输入设备 6.图像与视频输入设备图像与视频输入设备 第第2 2章章2.42.4节节2.4.12.4.1 2.4.2 计算机输出设备计算机输出设备 1.显示器显示器 阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）和离子体显示器 2.打印机打印机 按打印方式分： 针式打印机：成本低、打印速度慢、打印质量不高、噪音大 喷墨打印机：噪音较低、效果比针式好 激光打印机：打印效果最好、速度快、噪音低、价格适中 3.绘图仪绘图仪 第第2 2章章2.42.4节节2.4.22.4.2 2.4.3 外部设备接口外部设备接口 为了完成CPU和外设之间的信息交流，必须通过接口来完成。 接口是设备和计算机或其他设备连接的端口，是一组电气连接和信号 交换标准。 串行传输：用一条线来传送数据，被传送的数据排成一串，依次 发送。特点是传输稳定、可靠、传输距离长，但速率低。 并行传输：用几条线同时传送数据。特点是数据传输速率较大、 协议简单、易于操作。但是在传输时容易受到干扰、传输距离短， 连接的电缆一般比较短。 USB接口：不必关闭并重启计算机，“即插即用”。 第第2 2章章2.42.4节节2.4.32.4.3