大学计算机信息技术教案 第2章 计算机组成原理.docx
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大学计算机信息技术教案第2章计算机组成原理
第2章计算机组成原理
本章学习目标与要求
●● ● 了解计算机的发展与作用
●● ● 掌握计算机系统的组成
●● ● 了解指令的执行过程
●● ● 掌握CPU的性能指标
●● ● 了解常用的输入/输出设备
●● ● 掌握显示器、硬盘的主要性能参数
●● ● 理解数码相机的成像原理
●● ● 了解计算机接口类型
电子数字计算机简称电脑,是一种能在人的控制下,自动、高速、精确地对信息进行处理、存储和传输的电子机器。
它的诞生是20世纪人类最伟大的发明之一,目前,它被广泛应用于科技、生产、文化等各行各业中。
2.1计算机的组成及分类
2.1.1计算机的发展及应用
1)计算机的发展
作为现代化信息处理的工具,电子计算机已经走过了半个多世纪的发展历程。
第一台计算机于1946年问世,半个多世纪中,计算机以惊人的速度发展着,微电子技术的发展,使得计算机的处理器和元件越来越小,数量越来越多,同时计算机的运算速度、存储容量和应用领域也在迅速增加。
计算机发展的阶段主要以其所使用的电子元件来划分,主要有电子管、晶体管,集成电路和大规模集成电路四个阶段。
第一代计算机以电子管为主要元件,使用机器语言编程,主要用于数值计算,一切操作都由中央处理器集中控制。
约从1959年起,计算机进入第二代,它以晶体管为主要元器件,运算速度由第一代的每秒几千次提高到每秒几万次,甚至几十万次,不但可用于数值计算,而且还可用于数据处理,这一阶段的计算机已经开始使用FORTRAN、COBOL高级语言编程。
1965年,以中小规模集成电路为主要元件的计算机研制成功,计算机进入了第三代。
运算速度可高达每秒几千万次,不但用于数值计算、数据处理,而且可以进行处理文字、资料和图形,同时在这一阶段还出现了操作系统,高级语言已普遍使用。
70年代,计算机进入了第四代,即超大规模集成电路计算机时代,计算机运算速度进一步提高,已达到每秒几亿次。
也就是在这个时候,电子计算机技术和超大规模集成电路工艺的结合产生了微处理器,从而使微型计算机迅速发展,被人们广为应用,出现了由许多台计算机组成的计算机网络,计算机的操作环境更加完善。
如今,计算机的应用已深入到国民经济的各个领域和社会生产的各个方面。
未来计算机的发展趋势将呈现于性能巨型化、体积微型化、使用网络化、用户界面多媒体化和功能智能化等多方面。
有关计算机发展的四个阶段如表2-1所示。
表2-1计算机的发展历程
代
别
时间
阶段
代表机型
主要电子元件
速度
(次/秒)
使用的软件
主要用途
第一代
40年代末至50年代末
ENAIC(美国)、103型电子管计算机(中国,1958年)、104型电子管计算机(中国,1959年)
电子管
5千至1万次
使用机器语言和汇编语言编写程序
科学计算
第二代
50年代末至60年代末
TX-2(美国)、109乙型晶体管计算机(中国,1965年)
晶体管
几万至几十万次
使用FORTRAN等高级程序设计语言
科学计算、数据处理、事务管理以及工业控制。
第三代
60年代中期开始
IBM360(美国)、112机(中国,1971年)
中、小规模集成电路计算机
几十万至几百万次
操作系统、数据库管理系统等
科学计算、文字处理、自动控制、企业管理等方面。
第四代
70年代初开始
ETA-10(美国)、“银河”巨型计算机(中国,1983年12月)
大规模和超大规模集成电路计算机
几千万至百亿次
软件开发工具和平台、分布式计算软件等
办公自动化、数据库管理、文字编辑排版、图像识别、语音识别、专家系统等领域
2)计算机的作用
电子计算机之所以在短短的50多年里发展如此之快,应用如此之广泛,除了得益于微电子技术的发展之外,还和计算机本身的特点是分不开的。
计算机的主要特点如下:
⑴运行速度快、处理能力强。
最初的计算机运算速度仅每秒几千次操作,现在可达几千万次或几亿次,甚至更快。
计算机除了能进行数值计算之外,还能完成信息的收集、分类、加工、统计、分析、转换、识别等,具有强大的处理功能。
⑵具有大容量存储和高速存取能力,计算机除了能把数据存入系统进行处理,还能将运算的中间和最终结果保存起来。
⑶具有数据传输和通信能力。
计算机和通信技术的结合,使现代计算机具有了数据传输和通信的能力,计算机网络的出现,使地理上分散的计算机相互之间可以共享硬件、软件资源等信息资源。
⑷具有存储程序和逻辑判断的能力,能够处理多种多样的信息。
计算机不仅可以进行复杂的数学计算外,还能对文字、图像、和声音等多种形式的信息进行获取、编码、转换、存储、展现等处理。
此外,借助于大规模集成电路发展起来的微型计算机,还有体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、维护容易,应用广泛、操作简单、使用方便等特点。
计算机的作用非常大,可以从以下几个方面内容看出:
⑴语言与文字的处理
语言与文字是人类文化交流的最主要工具,它们的处理技术直接影响到计算机在各个领域的应用及社会的信息化进程。
其主要内容包括语言与文字在计算机内部的编码表示法,输入与输出方法,文档的编辑排版,文字和语言的自动识别与合成,以及自然语言的理解和机器翻译等。
从70年代开始,中、日、韩等国致力于汉字的计算机内部编码、输入/出、软件的汉化等技术研究,经过共十几年的努力,取得了突破性的进展。
中文文字处理、电子出版印刷、中文全文信息检索、印刷体与手写体汉字识别、中文语音识别和合成、中外文机器翻译等方面成果斐然。
⑵计算机图形学与数字图象处理
图形与图像使人一目了然,它是人们认识世界的主要媒体之一,因此计算机图形学与数字图像处理技术始终是计算机应用技术中一个重点研究领域之一。
计算机图形学研究如何在计算机内建立真实物体或虚拟物体的模型,并通过图形设备将这些模型转化为可视的二维或三维图形。
计算机图形学关键技术有造型技术、人机交互技术、彩色生成与处理、真实感图形生成、动画绘制以及科学计算可视化等。
数字图像处理是研究如何将受损或退化的图像进行处理,使其得到增强、复原或重建,或从中提取有用的二维或三维特征信息。
图形学与图像处理其目标与输入输出刚好相反,但近年来随着多媒体技术的发展,两者之间相互渗透,结合的现象日趋明显。
⑶多媒体技术
多媒体技术是计算机对文本、图形、图像、声音、动画及视频信息进行综合处理,建立有机联系,并集成为一个交互性很强的系统的一门技术。
其研究内容包括多媒体信息在计算机内部编码表示、输入输出的软硬件控制、软件管理及数据操作的基本环境以及为应用创作人员提供有效的非语言化的编程工具和环境等。
⑷计算机辅助技术
计算机作为一个有效的工具,在设计、生产、教学等过程中进行辅助性工作,以充分发挥人的创造力,提高效率,降低成本。
该技术应用十分广泛,主要有计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助教学(CAI)等。
⑸计算机控制
计算机控制是计算机用于对生产、实验、或类似的过程进行操作控制一门技术。
它通过不断采集被控对象的各种状态信息,由计算机对采集状态信息实时地计算和处理,并产生控制信息去推动被控机构,使被控对象自动地、精确地按照预定的规律运行。
计算机控制能有效地提高产品质量和数量,降低材耗和能耗,改善劳动条件和提高操作安全性。
⑹计算机信息系统
计算机信息系统是由人、计算机和管理规则等组成,以采集、加工、维护和使用信息为主要功能的人机系统。
它在金融、交通、制造等各个部门应用十分广泛。
该系统一般以数据库管理系统为核心,以其它软件和网络系统为支撑环境,而用户则通过专门的人机交互界面,进行数据的查询、修改等操作,并实现统计分析、规划、决策等功能。
目前该系统正向系统集成化、结构分布化、信息多元化、功能智能化等方向发展。
随着计算机技术的发展,计算机应用技术从最初的数值计算已逐渐渗透到人类活动的各个领域,其服务的对象从面向专业人员扩展到面向大众、面向社会。
计算机应用系统也由最初的单机系统向集成化、网络化、智能化的方向发展。
反过来,也正由于计算机应用的需要,推动了计算机技术的不断创新与发展。
2.1.2计算机的组成及分类
1)计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
计算机的硬件(简称:
硬件)是计算机系统中看得见,摸得着的物理实体。
如:
显示器,机箱,键盘,打印机,硬盘,软盘等。
一个完整的计算机硬件系统由:
输入设备、存储器、运算器、控制器和输出设备五大部分组成。
计算机软件是指导计算机运行的各种程序及其处理的数据和相关文档。
在计算机系统中,硬件和软件是相辅相承,缺一不可的,没有软件的计算机称为裸机,它不能做任何工作,如同一架没有思想的外壳。
通常,裸机是计算机系统的物质基础,操作系统为它提供运行的环境。
计算机系统如图2-1所示。
图2-1计算机系统
计算机硬件从逻辑功能上看,主要包括中央央处理器(CPU),内存储器,外存储器,输入/出设备等,它们通过系统总线相连。
计算机硬件系统如图2-2所示:
图2-2计算机硬件系统
⑴CPU(CentralProcessingUnit)
负责对输入的信息进行各种处理的部件称为“处理器”。
处理器能高速执行算术逻辑运算和数据传送等操作。
大规模集成电路的出现,将处理器的所有组成部分都制作在了一个不足4cm2的半导体芯片上,因为体积小,所以称之为“微处理器”(microprocessor)。
一台计算机中往往可以有多个处理器,它们各自分工不同的任务,有的用于绘图,有的用于通信,其中承担系统软件和应用程序运行的处理器是“中央处理器”。
中央处理器是一台计算机必不可少的核心部件,由运算器和控制器组成,运算器负责对数据进行算术和逻辑运算及对程序指令进分析,控制器控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。
所以人们又常常把CPU比作是计算机的大脑,90%以上的数据信息都是由其来完成的。
CPU工作速度的快慢直接影响到整个计算机的运行速度和性能。
CPU从最初发展至今已经有二三十年的历史了,这期间,按照其处理信息的字长,CPU可以分为:
4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器。
大多数的计算机只包含一个CPU,为了提高其运行速度,计算机中也可以包含2个、4个、8个甚至几千个CPU。
CPU的实物图如图2-3表示:
图2-3CPU实物图
⑵存储器
存储器是计算机的记忆部件,用于存储程序和数据,可分为主(内)存储器与外存储器。
内存储直接与CPU相连,存储正在运行的程序和需要立即处理的数据,因此它的存储速度快,但容量较小;外存储器是计算机的辅助性存储设备,能够长期存放计算机中所有的数据信息,因此,外存储器的存储容量大,但存储速度相对于内储器来说较慢。
CPU在工作时,把指令和相关要计算和处理的数据从内存中取出进行操作,产生的结果存放在内存中,如果程序和数据存放在外存储器上,则必须首先把外存储器中的数据先传送到内存中,然后再将其调入CPU进行操作。
处理器加上内存储器就构成了主机,有了它们,计算机就可以脱离人的直接干预,自动地进行工作。
内存和外存器的实物图如图2-4,2-5所示,内存器和外存储器的区别如表2-2所示:
图2-4内存储器2-5外存储器
表2-2内存器和外存储器的区别
名称
作用
构成和特点
内容
内存储器
用来存入需要执行的程序及需要处理的数据,能由CPU读出和写入
由半导体存储器构成,速度较高,有一定的存储容量
按字节存放或读取内容,即允许CPU直接编址访问
外存储器
用来存放需要联机存放,但暂不执行的程序和数据,当需要时再由外存调入主存
由磁性材料或光材料构成,如磁盘、光盘等存储容量大、速度较低
按文件进行组织
⑶输入/输出设备(I/O(Input/Output)设备)
输入/输出设备是计算机与用户或者其他通信设备交流信息的桥梁,输入设备提供计算机操作时所需的程序和数据,如:
键盘,鼠标等。
输出设备输出计算机处理信息的结果,如显示器,打印机等。
此外,外存储器,如:
硬盘,软盘,光盘等,也是一种输入/出设备,它们既可以向主机发送各种信息,也可以接收、保存主机传过来的信息。
以上提到的这些设备均称为外设。
⑷总线与接口
内存储器、外存储器、CPU和输入/出设备是计算机的组成部件,这些部件必须有机地连接在一起,才能相互协调工作,总线便是起到连接作用的信息传输线。
据总线上传输信号的不同,总线可分为数据总线(DB,dataBus)、地址总线(AB,AddressBus)和控制总线(CB,ControlBus)。
顾名思义,数据总线用于传输数据信号,地址总线用来传送地址信号,控制总线则用来传送控制信号,时序信号和状态信号。
据连接方式的不同,连接同一台计算机系统的各部件,如CPU、内存、通道和各类I/O接口间的总线,称为系统总线。
连接内存和I/O设备的总线称为I/O总线。
各种设备之间、主机与外设之间的性能差异很大,因此,外设一般需要通过接口和各种适配器经系统总线才能与主机相连接。
接口即I/O设备适配器,具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。
接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用,以便实现彼此之间的信息传送。
⑸系统软件与应用软件
系统软件是一组为使计算机系统良好运行而编制的基础软件。
从软件配置的角度看,系统软件是用户所购置的计算机系统的一部分,是提供给用户的系统资源的一种软设备。
从功能的角度上看,系统软件是负责计算机系统的调度管理,提供程序的运行环境和开发环境,向用户提供各种服务的一类软件。
应用软件指用户在各自应用领域中为解决各类问题而编写程序,也就是直接面向用户需要的一类软件。
应用软件种类有:
科学计算类、工程设计类、数据处理类、信息管理类、自动控制类等。
计算机软件的分类如图2-6所示。
图2-6计算机软件的分类
2)计算机的分类
计算机的分类有很多种,可以按综合性能指标分为巨型计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机和工作站;可以按信息处理方式分为数子计算机、模拟计算机;可以按用途分为专用计算机、通用计算机;可以按字长分8位、16位、32位、64位计算机等等。
下面按计算机的综合性能指标详细介绍一下各类计算机。
⑴巨型机或称超级计算机
超级计算机通常是指最大、最快、最贵的计算机。
例如目前世界上运行最快的超级机,速度为每秒数十万亿次浮点运算。
超级计算机的CPU由数以百计、千计甚至万计的处理器组成,同时可以执行数百万用户的指令,大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘测、飞机设计模拟、生物信息处理等领域,是衡量一个国家科技实力的重要标志之一。
生产巨型机的公司有美国的Cray公司、TMC公司,日本的富士通公司、日立公司等。
我国研制的银河机、曙光机也属于巨型机,银河1号为亿次机,银河2号为十亿次机,曙光2000Ⅱ型为1170亿次/秒。
我国于2003年研制成功的联想深腾6800运算速度超过4万亿次,占据全球超级计算机500强排行榜的第14位。
⑵大型主机
它包括我们通常所说的大、中型计算机。
大型计算机中的CPU一般有4、8、16、32个等,运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好,有丰富的系统软件和应用软件,同时执行数万用户的指令,在大型商场、银行、航空公司订票订票处理机构、国民经济管理部门中,一般都需要采用大型机做后台服务处理。
IBM公司一直在大型主机市场处于霸主地位,DEC、富士通、日立、NEC也生产大型主机。
随着微机与网络的迅速发展,许多计算中心的大型主机正在被高档微机群取代。
⑶小型机
由于大型主机价格昂贵,操作复杂,只有大企业大单位才能买得起。
在集成电路推动下,60年代DEC推出一系列小型机,如PDP-11系列、VAX-11系列。
HP有1000、3000系列等。
通常小型机用于中小企业、学校或大企业中某个部门的信息处理,可以同时执行数百用户的指令。
⑷个人计算机或微型机
个人计算机(PersonalComputer),又个人电脑、PC机或微型计算机,是目前发展最快的领域。
根据它使用的微处理器芯片的不同而分为若干类型:
首先是使用Intel芯片386、486、586以及奔腾Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等。
美国IBM公司的PC机及其兼容机;其次是使用IBM-Apple-Motorola联合研制的PowerPC芯片的机器,苹果公司的Macintosh已有使用这种芯片的机器。
个人计算机的特点是价格便宜,使用方便,性能不断提高,适合办公或家庭使用。
PC机一般为单用户使用,也可执行数个用户的指令,还可以把光盘(音频、视频)、电话、传真、电视等融为一体,成为多媒体个人电脑,而且都可接到有线或无线网络上。
PC机可以分为桌面型机和便携式机,桌面型机适合在办公室或家中使用,而便携式机体积小,重量轻,便于携带,性能也与桌面型机相当,但价格比桌面型机贵出许多。
⑸工作站
工作站与高档微机之间的界限并不十分明确,而且高性能工作站正接近小型机、甚至接近低端主机。
但是,工作站毕竟有它明显的特征:
使用大屏幕、高分辨率的显示器;一般采用UNIX操作系统,有大容量的内外存储器,具有多任务、多用户的功能,大都具有网络功能,适合于分布式处理等。
它们的用途也比较特殊,例如用于计算机辅助设计、图像处理、软件工程以及大型控制中心。
需要说明的是,随着计算机的发展,以上这些分类并不是绝对的,如高级的低端机可能会与低级的高端机重叠。
2.1.3微处理器和PC机
微处理器(Microprocess),简称MP,是采用大规模或超大规模集成电路技术做成的半导体芯片,是计算机中最重要的一个部分,由运算器和控制器及寄存器组组成。
微处理器和个人计算机的产生是20世纪70-80年代计算机史上最重大的事件之一。
计算机特别是微机的快速发展过程,实质上就是微处理器从低级向高级、从简单向复杂的发展过程,其设计、制造和处理技术的不断更新换代以及处理能力的不断增强,使得微处理器的应用领域越来越广泛。
微处理器在多方面改变了我们的生活,现在认为理所当然的事,在以前却是难以想象的。
六十年代计算机大得可充满整个房间,只有很少的人能使用它们,而六十年代中期集成电路的发明使电路的小型化得以在一块单一的硅片上实现,为微处理器的发展奠定了基础。
1971年,英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004,这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器,它包含2300个晶体管。
随后英特尔又推出了8008,由于运算性能很差,其市场反应十分不理想。
1974年,8008发展成8080,成为第二代微处理器。
1978年英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器。
很快Zilog公司和摩托罗拉公司也宣布计划生产Z8000和68000,这就是第三代微处理器的起点。
1979年,英特尔公司又开发出了8088。
8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输,所以都称为16位微处理器,但8086每周期能传送或接收16位数据,而8088每周期只采用8位,因为最初的大部分设备和芯片是8位的,而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。
8086和8088问世后不久,英特尔公司就开始对他们进行改进,他们将更多功能集成在芯片上,这样就诞生了80186和80188。
这两款微处理器内部均以16位工作,在外部输入输出上80186采用16位,而80188和8088一样是采用8位工作。
1981年,美国IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中,从而开创了全新的微机时代。
也正是从8088开始,个人电脑(PC)的概念开始在全世界范围内发展起来,个人电脑真正走进了人们的工作和生活中,这标志着一个新时代的开始。
20世纪80年代末、90年代初,intel公司推出了80386和80486微处理器,它们是32位微处理器,代表机型有DELL、EBM/PS2、COMPAQ等,这个时期的PC机性能已经能够达到70年代的小型机的性能,而微软研制的Windows操作系统,也在80386上获得了巨大成功。
现在90%的计算机都离不开Windows。
1993年,全面超越486的新一代586CPU问世,为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰,英特尔公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。
近十多年,微处理器和PC机又有了更多发展,intel公司先后推出了多能奔腾(PentiumMMX)、高能奔腾(PentiumPro)、PentiumI、PentiumII、PentiumIII和Pentium4微处理器,性能也是越来越好,如采用多能奔腾芯片的PC机不但能高速处理数值字符信息,而且适用于图形,语音及视频信号处理。
纵观短短20多年的发展,CPU的处理能力有了数百倍的增长,谁也说不清是需求促进技术的发展,还是技术在引导人们的需求。
CPU的发展将面临两方面的问题,一方面,普通用户认为CPU的处理能力对他们已经足够,不需要花钱去做无休止的升级;另一方面,对许多应用来说,CPU的处理能力是太有限了,如地震预测和天气预报,甚至包括人机(象棋)大战。
在可预见的未来,CPU的处理能力将继续保持高速增长,小型化、集成化的发展趋势,同时会形成不同层次的产品,也包括专用处理器。
2.2微处理器的结构与原理
2.2.1微处理的结构
从上一节中我们了解到,微处理器的字长有4位,8位,16位,32位等等。
这些字长代表了微处理器一次性可以处理数据的位数,如8位微处理器一次性可以处理8位数据,16位微处理器一次性可以处理16位等。
那么计算机是如何工作的呢?
微处理器又起到什么样的作用?
1)冯.诺依曼“程序存储”设计思想
冯.诺依曼是美籍匈牙利数学家,他于1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想,到现在为止,尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化,但大部分计算机体系结仍然是根据他的设计思想制造的,这样的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。
冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点:
⑴计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。
⑵计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。
每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。
其中操作码表示运算性质,地址码指出操作数在存储器中的地址。
⑶将编好的程序送入内存储器中,然后启动计算机工作,计算机勿需操作人员干预,能自动逐条取出指令和执行指令。
结合冯.诺依曼“程序存储”设计思想,很容易理解计算机工作过程。
如果想要计算机工作,可以先编写程序,然后通过输入设备送到存储器中,最后计算机自动地从存储器中逐条取出指令并执行。
2)微处理器结构
微处理器的主要任务是执行指令,并按指令的要求完成对数据的运算和处理,CPU结构如图2-7所示,它由三部分组成:
图2-7CPU的组成及其与内存储器之间的关系
⑴控制器
控制器(ControlUnit)是计算机中指令的解释和执行结构,其主要功能是控制运算器、存储器、输入输出设备等部件协调动作。
控制器工作时,从存储器取出一条指令,并指出下一条指令所在的存放地址,然后对所取指令进行分析,同时产生相应的控制信号,并由控制信号启动有关部件,使这些部件完成指令所规定的操作。
这样逐一执行一系列指令组成的程序,就能使计算机
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