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1、第四讲 计算机硬件系统,主讲：管功湖,TEL: 617772(移动),答疑：6106（周三、四）,E-mail ：,教学主页入口: http:/,计算机硬件相关课程概述,计算机体系结构、组成与实现,计算机的发展、分类与应用,计算机系统的基本组成及其层次结构,微型计算机组成,微机选购与组装,提要,计算机的工作过程和主要技术指标,一、计算机硬件系统相关课程概述,计算机组成原理属于专业基础、核心硬件课程，必修。,数字逻辑和 集成电路,汇编语言程 序设计,计算机组 成原理,接口技术,先修课,后续课,计算机组装与维护,单片机原理,计算机体系结构,二、计算机体系结构、组成与实现,（1）计算机体系结构 程序
2、设计者所看到的计算机系统的属性，是计算机的外特性，概念性结构和功能特性，研究计算机系统的硬、软件的功能划分和接口关系。 计算机体系结构的Flynn分类法 SISD单指令单数据流（冯诺依曼体系结构） SIMD单指令多数据流 MISD多指令单数据流 MIMD多指令多数据流,（2）计算机组成,计算机各功能部件的内部构造和相互之间的联系（部件配置、相互连接和作用），强调各功能部件的性能参数相匹配；实现机器指令级的各种功能和特性，是计算机系统结构的逻辑实现。 主要内容：总线、控制器、运算器、存储器、输入系统和输出系统。,（3）计算机实现,是计算机组成的物理实现，即把一台完成逻辑设计的计算机真正地制作出来
3、，解决各部件的物理结构，器件选择，电源供电、通风与冷却、装配与制造工艺等各个方面的问题。,三、计算机的发展、分类与应用,（1）计算机发展,计算机已经经历了四个发展阶段（按计算机所用的电子逻辑器件来分） 第一代，1946-1959，电子管计算机 第二代，1959-1964，晶体管计算机 第三代，1964-1975，小、中规模集成电路（SSI、MSI）计算机 第四代，1975-？，大、超大规模集成电路（LSI、VLSI）计算机,世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946),第一台von Neumann 系统结构的计算机,IBM System360,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,
4、212 992 个 CPU 最大平均速度 478 200 GFLOPS,1. IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution,2.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution,65 536个 CPU 最大平均速度 167 300 GFLOPS,3.SGI: SGI Altix ICE 8200,14 336个 CPU 最大平均速度 126 900 GFLOPS,4. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c,14 240个 CPU 最大平均速度 117 900 GFLOPS,5. HP :
5、Cluster Platform 3000 BL460c,13 728个 CPU 最大平均速度 102 800 GFLOPS,中国超级计算机“星云”,2010.6世界排名第二，1.27千亿万次/秒 参考网址：www.top500.org,中国超级计算机“天河一号”,2009.10,2010.6世界排名第七，6144个CPU ,5120个GPU,重155吨，103个柜子，耗点电,2010.10.28，改进后世界第一，2.507千亿万次/秒.,Moore 定律,Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出,Intel 公司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 8086 1
6、6位 1979年 2.9 万个晶体管 80286 16位 1982年 13.4 万个晶体管 80386 32位 1985年 27.5 万个晶体管 80486 32位 1989年 120.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万个晶体管 Pentium Pro 64位（准） 1995年 550.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1997年 750.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1999年 950.0 万个晶体管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万个晶体管,2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万 个晶体管,预计
7、2010 年 芯片上可集成 8 亿 个晶体管,巨型化：指发展高速、大存储量和高性能的计算机； 微型化：指计算机体积的进一步缩小；价格降低; 网络化：指与现代通讯技术的结合形成的网络结构； 智能化：模拟人的感觉和思维过程； 多媒体化：指计算机能处理多种媒体(声、像、图、文),计算机的发展趋势,？替代传统的硅芯片,1. 光计算机,2. DNA生物计算机,3. 量子计算机,利用光子取代电子进行运算和存储,通过控制DNA分子间的生化反应,利用原子所具有的量子特性,（2）计算机分类,（1）按用途划分 ： 通用机、专用机 （2）按规模划分: 巨型机、大中型机、小型机、微型机 （3）按处理对象划分： 模拟机
8、、数字机、数字模拟混合机,（3）计算机应用,科学计算 信息处理 过程控制 计算机辅助系统:CAI、CAM、CAD、CAT、CIMS 多媒体技术 计算机通信 人工智能,四、计算机系统的基本组成及其层次结构,（1）计算机系统的基本组成,计算机系统由计算机硬件系统和软件系统两大部分组成。,冯诺依曼（Von Neumann）理论组成： 1）计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。以运算器为核心，控制器集中控制整个系统。 2）采用二进制表示程序和数据。 3）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，计算机的运行是由程序控制的。 冯氏计算机：以CPU为中心 现代计算机：以内存为
9、中心 哈佛结构,运算器,运算器组成：一个能对数据进行算术运算和逻辑运算的部件，通常称为运算逻辑部件ALU(Arithmatic Logic Unit)；提供一个操作数和存放操作结果的累加器A(Accumulator)；若干个存放中间结果的寄存器组。,控制器,控制器的作用是实现对指令的控制，解释指令的操作码和地址码，并根据译码结果将适当的控制信号送到运算器、控制器和机器的其他部分，统一指挥整个计算机的工作。 运算器和控制器合称为中央处理器CPU(Central Processing Unit)。,存储器,存储器的主要功能是保存大量的程序和数据信息，并能在计算机运行中高速自动地完成指令和数据的存取
10、。 存储器分为高速缓冲存储器、主存储器(也叫内部存储器)和辅助存储器(或称为外存储器)。,软盘、硬盘、光盘、U盘、磁带,输入设备,输入设备的作用是将人们需要处理的信息送到计算机内部进行处理。 常用的输入设备有键盘、鼠标、卡片阅读机、磁带阅读机等。近来又出现一些输入装置，可将文字、数字、图像等信息直接送入计算机进行处理。如光标阅读机、光字符阅读机、光笔、图形输入板、数字阅读机、视频摄像机、AD变换器等。,输出设备,输出设备的作用是把计算机处理的结果，变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式，如文字、数字、图形、声音、电压等。 常用的输出设备有打印机、显示器、纸带穿孔机、卡片穿孔机等。近来又
11、出现绘图仪、图形显示器、DA转换器等。 输入、输出设备称为I/O设备 输入、输出设备和外存储器等又称为外围设备。,总线,总线是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线，它是计算机中系统与系统之间或者各部件之间进行信息传送的公共通路。 总线组成：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB） 总线主要是指连接CPU、内存、缓存、外部控制芯片之间的数据通道。 按总线数目可把总线分为：单总线和多总线结构。 按层次结构可把总线分为：CPU总线、存贮总线 、系统总线（扩展总线、局部总线）和外部总线 。,（2）计算机系统的层次结构,不同对象观察到的计算机硬件系统,1.一般用户 2.专业用户 3.计算机
12、设计者,（1）硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。 （2）计算机的硬件和软件朝着互相渗透，互相融合的方向发展，没有一条明确的分界线，存在硬件软化和软件硬化。 （3）固件（Firmware）（微程序） 是指那些存储在能永久保存信息的器件（ROM）中的程序，是具有软件功能的硬件。,硬件与软件的关系,明确三点： 1）指令系统是裸机和软件的接口。 2）软件、硬件结合计算机才能工作。 3）操作系统是用户和计算机的接口。,实际机器是由硬件或固件实现的机器。 虚拟机是由软件实现的机器。,五、计算机的工作过程和主要技术指标,（1）计算机的工作过程 计算机工作时先将需要执行的程序从外存储器中读入内存中，由C
13、PU负责从内存中逐条取出指令，分析指令，然后执行指令，再由指令计数器取出下一条指令，CPU重复地工作，直至遇到结束指令停止程序的执行。,（2）计算机的主要技术指标,1、主频:主频即时钟频率,指CPU在单位时间发出的脉冲数。单位：兆赫兹 （MHZ）或（GHZ） 2、存取周期:存储器连续启动两次读或写操作所需的最短时间。 访问时间：存储器完成一次“读”与“写”操作所需的时间。 3、内存容量:内存储器中能存储信息的总字节数。,4、字长:字长指计算机能同时处理的二进制数的位数,主要决定计算机的运算精度，也影响运算速度。字长有8位、16位、32位、64位等。 5、运算速度:是一种综合性的性能指标。 单位
14、：MIPS （百万条指令/秒） （1）以每条指令所需时钟周期数（Cycle per Instruction，CPI)来衡量运算速度。 （2）以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。,六、微型计算机组成,微机的主要组成部件:主机箱、显示器、键盘、鼠标。 主机箱内有：主板、CPU、内存、显示卡、硬盘、软驱、光驱、电源。,（1）CPU,主要生产厂家：Intel公司和AMD公司,（2）主板,主板是微机系统中最大的一块电路板，又叫主机板（Main Board）、系统板（System Board）或母板（Mother Board）。 主要由CPU插槽、内存插槽、PCI-E（或AGP）扩展插槽、
15、PCI插槽、南北桥芯片、电源接口、电源供电模块、外部接口、SATA接口和PATA接口、USB接口、功能芯片（声卡、网卡、IEEE1394、时钟发生器）、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件等组成。主板是一台微机的基石，它的做工、用料、设计和芯片组直接决定了一台微机在构架完成之后的性能和稳定性。,（3）内存条,主要有：SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM,（4）显卡,显示卡的主要部件有显示芯片、显示内存、VGA插座、S-Video端子、DVI插座等。,（5）显示器,常用的有：CRT显示器和液晶（LCD）显示器,（6）外存储器,硬盘、光盘和移动存储（优盘、移动硬盘、SM卡）,（7）键盘和鼠标,（8）电源与机箱,（9）打印机与扫描仪,六、微机选购与组装,台式计算机 笔记本计算机,品牌计算机 组装计算机,组装流程,硬件组装、BIOS参数设置、硬盘的分区与格式化、操作系统的安装及工具软件与应用的安装。,硬件组装 1）主机的安装 （1）机箱的拆装 （2）电源的安装 （3）CPU的安装 （4）主板的安装 （5）主机内其他部件的安装 （6）连接机箱内部的连线 （7）连接数据线与电源线并整理这些连线 2）外设的安装 （1）显示器的安装 （2）键盘、鼠标的安装 （3）其他外设的安装,