计算机导论2.ppt

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1、第2章 信息处理机器：计算机系统 n主要内容： l2.1 从历史走向未来计算机的发展史 l2.2 微型计算机硬件系统 n本章小结 n思考与练习 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 n2.1.1 现代计算机的“史前”时代（1946） l中国古代普遍采用的一种计算工具“算筹”。更 为先进的计算工具是两千年前中华民族发明的算盘 ，这是人类借助于工具进行数字计算的开端。 图2-1 中国古老的计算工具：算筹（左）与算盘（右） 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 l19世纪和20世纪前半叶，是计算机发展史上不寻常 的时代。 l如果按时间序列划分，在近代对计算机的发展史做 出贡献的重要的人物和事件有：

2、u（1）1642至1643年，帕斯卡(Blaise Pascal) 发明了一个用 齿轮运作的加法器。 Pascal设计的机械计算机 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 u（2）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，并且提出了“二进制 ”数的概念。 从目前已知的西方历史文献中，可以得知中国的易经图于17世纪二 、三十年代就已被世人称为二进制广为流传于欧洲。 16661667年间，莱布尼兹在纽伦堡学习时已开始接触中国古典哲 学中的易经图，如卫匡国在中国上古史中译著的伏羲六十四卦 方位图、柏应理在中国哲圣孔子所译著的太极八卦次序图、八 卦方位

3、图和文王六十四卦图。特别是他所看到的与其有过密切交往 的斯比塞尔(Gottlied Spizel)，于1660年编著出版的De re litteraria Sinensium commentarius(中文译为中国文史评析、中国文学 、论中国的宗教等) 一书，其中对此已有较详细 完整的介绍 。 1679年3月15日，他撰写了题为二进算术的论文；1703年在皇 家科学院纪录上发表的，标题为二进制算术的解说，副标题 为“它只用0和1，并论述其用途以及伏羲氏所使用的古代中国数字 的意义”。自此，二进制开始公之于众。1716年，他又发表了论 中国的哲学一文，专门讨论八卦与二进制，指出二进制与八卦有 共

4、同之处。 二进制与易经 道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，冲气以为和。 老子 乾代表天，坤代表地，坎代表水 ，离代表火，震代表雷，艮代表 山，巽代表风，兑代表泽。 易经中的“经”由64个“卦”组成 ，每一个卦，又是由称为“爻”的两种 符号排列而成。“”叫做“阴爻” ，“”叫做“阳爻”，这两种爻合 称“两仪”。如果每次取两个，会得到 四种排列，称为“四象”；如果每次取 三个，会得到八种排列，称为“八卦” ；如果每次取六个，那就会得到64种排 列，称为“64卦”。现在我们把阳爻看 作数码1，阴爻看作数码0，于是我们就 可以把各种卦转化为二进制中的数了。 如由6个阴爻组成的坤卦可看作

5、是： 000000（相当于十进制中的0），而由 6个阳爻组成的乾卦可看作是111111（ 相当于十进制中的63）。 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 u（3）1812年，为现 代计算机的发明做出过重要贡献的英国 数学家查尔斯巴贝奇(Charles Babbage，17921871)开始考 虑设计 机械操纵的计算机。 u（4）1847年，英国科学家乔治布尔(GeorgeBoole)创立了逻 辑代数，亦称布尔代数。 u（5）1925年左右，美国马萨诸 塞理工学院制成了一台大型 的模拟计 算机，他们用齿轮 的旋转角度来表示所要计算的 量。 u（6）1936年，英国科学家图灵(A1an M.Tur

6、ing)，提出了可 计算计算机的概念，后来人们称他描述的计算机为“图灵机” 。 u（7）1943年1月，霍华德艾肯（Howard H. Aiken）在哈佛 大学研制成功名为“ASCC Mark I”的世界上第一台通用计算 机。 u（8）1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀埃克 特(J.Prespcr Eckert）博士和物理学家约翰莫克利(John Mauchly)博士开始着手研制“埃尼阿克”（Electronic Numerical Integrator and Calculator, ENIAC）。 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 n2.1.2 冯诺依曼型计算机的基本结构

7、l冯诺依曼提出计算机工作原理可概括为：“存储程 序，顺序控制”。其基本思想是： u(1)计算机可以使用二进制； u(2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。 l冯诺依曼提出的“存储程序原理”，导致现代意义的 计算机的诞生。主要由5部分组成：存储器、运算器 、控制器、输入设备、输出设备。 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 n2.1.3 第一台现代电子数字计算机的诞生 l1946年2月5日，是人类文明历史上的重要转折点。 世界上第一台真正的现代电子数字计算机“ENIAC”研 制成功了（图2-4）。 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 lENIAC的计算速度比以前的计算工具有了显著的提高 ，每

8、秒钟可作5000次加法或400次乘法。 n2.1.4 现代计算机发展的四个阶段 l1.采用电子管计算机的第一代计算机（19461957 ） u第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种 机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。 图2-5 1904年，世界上第一只电子管 在英国物理学家弗莱明的手下诞生 图2-6 电子芯片、晶体管和LED 都是由半导体材料制成 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 l2.采用晶体管的第二代电子计算机（19581964） u在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，以 单词、语句和数学公式代替了晦涩难懂的二进制机器码， 使计算机

9、编程更容易。 图2-7 IBM公司于1959年生 产的IBM 7090型是采用晶 体管的第二代电子计算机 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 l3.采用集成电路的第三代计算机（19651970） u1964年4月IBM 360系统问世，使它成为使用集成电路的 第三代电子计算机的里程碑式的产品（图2-8）。 图2-8 用于美国航空和航天局(NASA)的IBM 360计算机（1964） 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 l4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年 至今） u目前超大规模集成电路(VLSI)可在硬币大小的芯片上容 纳上千万个乃至更多的元器件，如此高的集成度使得计算 机

10、的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断得到增强 。 u在20世纪80年代发生的特别重要事件是个人计算机（PC ）的问世与普及。 图2-9 世界上第一 台个人计算机IBM PC(1981) 图2-10 Apple公司 生产的iMac计算机 摩尔定律 n摩尔定律是Intel的创始人戈登.摩尔（Gorden Moore） 于1965年提出的。 n摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月 便会增加一倍，性能也将提升一倍。 l集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。 l微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。 l用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

11、 n摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种 分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算， 都应当容许一定的宽裕度。 n摩尔定律还能适用多少年？ l技术上：随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈 指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。 l经济上：目前是20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺寸缩小到0.1 微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。 戈登.摩尔 后摩尔时代 n我们该如何继续制造出功能更强大的芯片呢？ l1.散热：研发新型散热器 u一块芯片上的晶体管数量多达10亿，消除晶体管在开关操作时生成的热量是 一大挑战：每块芯片约100瓦的功耗却是

12、传统风扇散热极限。 u典型的技术： MacBook Air笔记本电脑采用由热传导铝制成的精美外壳，并充当散热 器； Power Mac G5个人电脑中，液体（水）从处理器芯片下面的微通道流过 以散热； 英特尔的一支研究小组已把一层碲化铋超晶格薄膜做到芯片封装体中。 温差电材料把温度梯度转变成电信号，从而对芯片本身起到了散热效果 。 初创公司Ventiva在普渡大学研究工作的基础上，研制一种没有活动部 件的小型固态风扇，它利用电晕风效应（Corona Wind Effect）来生成 一股微风。稍稍凹下去的格栅有带电导线，可以生成微型等离子体。该 气体状混合物里面的离子促使空气分子从带电导线转移到

13、相邻极板，生 成一股风。这种风扇生成的气流比普通的机械风扇大，而尺寸要小得多 。 后摩尔时代（续） l2.架构：多核成为主流 u更小的晶体管能够更快地进行开关操作（表示0和1），因而芯片速 度更快。但是当芯片达到散热极限后，时钟频率（芯片在一秒内可以 处理的指令数量）也就无法再提高，保持在三四兆赫兹。人们希望在 散热和速度极限范围内获得更高的性能，于是设计师们把两个处理器 或核心放在同一块芯片上多核技术。 u虽然每个核心的运行速度与之前的处理器一样快，但由于两个核心 并行工作，所以在特定的时间内能够处理更多数据，耗电量比较低， 散热也比较少。现在最新的个人电脑采用四核处理器，比如英特尔i7 和

14、AMD Phenom X4。 u多核给软件带来了挑战：想极高效地利用几个核心，需要新的编程 技术来划分数据和处理，并且协调任务。 u微软研究部门已发布了F#编程语言；瑞典爱立信公司推出的一门早 期语言Erlang催生出了几门更新的语言，包括Clojure和Scala。 后摩尔时代（续） l3.更薄的材料：纳米管和自组装 u近十年来，业界权威将纳米技术作为解决医学、能源以及集成电路 等行业各种挑战的候选方案。一些拥护者更是认为，制造芯片的半导 体行业实际上已经形成了一套纳米技术学科，专门研发、生产越来越 小的晶体管。 纳米技术让工程师们可以制造出特制分子（Designer Molecule）。比

15、如，用碳 纳米管组装而成的晶体管可以做得极小。IBM公司的工程师们已制造出用碳纳米 管而不是硅作为传导衬底的传统互补金属氧化物半导体（CMOS）电路。来自该研 究小组的Joerg Appenzeller现任职于普渡大学，它正在设计尺寸比CMOS器件小 得多的新型晶体管，有望更好地利用小型的纳米管基部。 u排列分子、甚至排列原子很棘手，特别是由于需要在芯片生产期间 对它们进行大批量组装。一种解决方案是使用能自组装的分子：把这 些分子混合起来，然后让它们受到热、光或离心力的作用，让它们自 己排列成所需的图案。 IBM已研究出如何利用化学键结合的聚合物来制造内存电路。分子被放到硅晶片 表面上经加热后

16、延展形成蜂巢结构，蜂巢孔的直径只有20纳米。然后，将图案蚀 刻到硅片上，形成这种尺寸的内存芯片。 后摩尔时代（续） l4.速度更快的晶体管：超薄石墨烯 u不断缩小晶体管尺寸的目的是为了缩小电气信号在芯片里面传输的 距离，从而加快处理信息的速度。但一种特别的纳米材料石墨烯（ Graphene）有望带来更快的速度，这归功于其天生的结构。 u处理信息的逻辑芯片大多使用由CMOS技术做成的场效应晶体管。晶 体管就好比是一块狭长、长方形的多层蛋糕，最上面一层是铝（或者 最近常用的多晶硅），中间一层是绝缘氧化物，最下面一层是半导体 硅 u石墨烯（最近剥离出来的一种碳分子）是一片在同一平面重复的六 边形，外

17、观像六角形铁丝网，但厚度只有一个原子层厚。石墨烯片彼 此堆叠起来，形成矿物质石墨。纯晶体形式的石墨烯在室温下传导电 子的速度超过其他任何材料，比场效应晶体管快多了。由于散射或与 晶格中的原子发生碰撞，电荷载体损失的能量非常少，所以产生的废 热比较少。科学家们直到2004年才剥离出石墨烯这种材料，因此这方 面的研究工作仍处于早期阶段，但研究人员对于研制出宽度只有10纳 米、高度只有仅一个原子大小的石墨烯晶体管满怀信心。众多电路也 许有望蚀刻到一块小小的石墨烯片上。 后摩尔时代（续） l5.大小：采用交叉线寻求突破 u如今可以制造出来的尺寸最小的商用晶体管只有32纳米宽，相当于96个硅原 子的总宽

18、度。业界普遍认为，想利用几十年来不断完善的光刻技术制造出 尺寸小于22纳米的元件极其困难。但是，有一种方法可以制造出尺寸相似的 电路元件，又能提供更强大的计算功能，即交叉线设计 （Crossbar Design） 。 u交叉线设计 方法是在一个平面上有一组并行纳米线，同第二组与该平面成 直角的纳米线交叉（相当于两条互相垂直的公路），而不是全在一个平面制 造晶体管（就像把多辆汽车塞到一条堵塞公路上的几条车道）。两组纳米 线线之间有一个分子厚的缓冲层。这两组线之间存在的许多交叉点名为忆 阻器（Memristor），其工作方式类似开关，可以像晶体管那样表示1和0。 不过忆阻器还能存储信息。这些功能结

19、合起来，就能执行诸多计算任务。 实际上，一个忆阻器就能完成10到15个晶体管的工作量。 u惠普实验室已利用30纳米宽的钛线和铂线制造出交叉线设计 的原型，而采 用的材料和工艺类似于目前半导体行业所用的材料和工艺。惠普公司的研 究人员认为 ，每条线的宽度最小能做到8纳米。另外也有几个研究小组在研 究用硅、钛和硫化银做成交叉线。 后摩尔时代（续） l6.光子计算：与光一样快 u替代硅芯片的全新技术仍然还处于研发初期，真正的商用产品可能十年后才 会问世，但摩尔定律到那时可能走到头了，所以研究人员不得不研发新的解 决办法光学计算就是其中之一。 u在光学计算中，载送信息的不是电子，而是光子。光子的载送速

20、度要快得多 ，达到了光速；不过，要控制光也困难得多。通信线路中的光缆沿线处的光 学开关其制造技术取得了进展，这有助于光学计算的研究。出人意料的是， 最重要的研究其目的却是，研制出介于多核芯片上传统处理器之间的光学互 连器件。并行处理信息的处理器核心之间要来回传送大量数据，所以连接处 理器核心的引线会成为瓶颈，而光学互连器件有望改善数据传送。惠普实验 室的研究人员正在评估可将传送的信息量增加两个数量级的设计。 u其他机构组织正在研制光学互连器件来取代速度较慢的铜线，如今人们用铜 线把处理器芯片与计算机里面的其他部件（如内存芯片和DVD驱动器）连起 来。英特尔和加州大学圣巴巴拉分校的工程师们采用常

21、规的半导体制造工艺 ，利用硅和磷酸铟研制出了光学“数据管道”。不过，纯粹的光学计算芯片 的出现还需要在技术层面取得一些根本性突破。 后摩尔时代（续） l7.分子计算：用分子做成电路 u在分子计算中，代表1和0的是分子，而不是晶体管。当分子是生物 分子时（如DNA），这类计算称为生物计算。为了区分，工程师可能 会将非生物分子计算称为分子逻辑或分子电子学。 u典型的晶体管有三个端子（可以想象成字母Y）：源极、栅极和漏极 。对栅极（Y的下半部）施加电压后，就会引起电子在源极和漏极之 间移动，形成1或0。从理论上来说，树枝状分子会引发信号以类似的 方式移动。十年前，耶鲁大学和赖斯大学的研究人员利用苯作

22、为一种 构建材料，研制出了分子开关。 u分子可能很小，所以用分子做成的电路可能比用硅做成的电路小得 多。不过，一个现实的难题是必须找到制造复杂电路的方法。研究人 员们认为，自组装也许是一种解决办法。2009年10月，宾夕法尼亚大 学的一个科研小组单单利用促使自组装的化学反应，就把锌和结晶硫 化镉转变成金属半导体超晶格电路。 后摩尔时代（续） l8.量子计算：表达出更多的信息 u用一个个原子、电子甚至光子做成的电路元件将是尺寸最小的元件。在这么 小的尺寸范围内，元件相互之间的联系由量子力学（即解释原子行为的一套 定律）管理。量子计算机可能拥有异常惊人的密度和速度，但实际制造量子 计算机及管理随之

23、出现的量子效应却困难重重。 u原子和电子具有能在不同状态下存在的特性，能够组成量子比特（Qubit） 。研究处理量子比特的几种方法正在试验中。一种名为自旋电子（ Spintronics）的方法使用电子，电子的磁矩会在两种旋转方向中选择其一 。就好比一只球往一个方向或另一方向旋转（分别表示1或0）。不过，两个 状态还能共存于一个电子中，形成一种独特的量子状态，名为0和1的叠加（ Superposition）。在叠加状态下，一连串电子可以表示比一串只有普通比 特状态的硅晶体管多得多的信息。 加州大学圣巴巴拉分校的科学家们已通过用蚀刻到金刚石上的空腔来俘获电子， 做成了许多不同的逻辑栅极。 在马里兰

24、大学和美国国家标准技术研究所研究的另一种方法中，一串离子悬浮在 带电板之间，而激光可以快速转动每个离子的磁定向（量子比特）。第二种方法 是检测离子发射出来的不同种类的光子，种类取决于离子的定向。 u除了具有叠加优点外，量子元件还能表示出更多的信息，如多个量子比特的 信息状态可以结合起来，从而获得处理信息。 后摩尔时代（续） l9.生物计算：能存活的芯片 u生物计算用通常存在于生物体内的结构取代晶体管。备受关注的是 DNA分子和RNA分子，它们中存储着决定人体细胞生命的“编程信 息”。一种令人遐想的远景是，尽管一块小指甲大小的芯片可能含有 10亿个晶体管，而一个同样尺寸的处理器可能含有数万亿个D

25、NA链 。DNA链可以同时处 理某项计 算任务的不同部分，并且相互结合起 来，以给出解决方案。除了元件数量多出几个数量级外，生物芯片 还有望提供大规模并行处理功能。 u早期的生物电路通过组 合及分开DNA链之间的键来处理信息。研究 人员现 正在研究可以在细胞里面存储及复制的“遗传计 算机程序”。 而面临的挑战是，找到对成批的生物元件进行编程的方法，以便它 们能按预期的方式进行工作。这种计算机最终可能会首先出现在人 体内流动的血液中，而不是办公桌面上。 以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的研究人员已利用DNA研制出一种简 单的处理器，他们现正在努力让处理器组件可以在活生生的细胞里面 工作，并与细胞周

26、围环境进行通信。 2.1 从历史走向未来计算机的发展史 n2.1.5 巨型计算机 l在科学技术飞速发展的今天，人类在宇航技术、卫星遥感、 激光武器、海洋工程以及空气动力学、流体力学、理论物理 学等方面遇到了许许多多难度越来越大的复杂问题。巨型计 算机则成为不可替代的工具。 l现代巨型电子计算机已普遍采用矢量运算。矢量计算机的出 现，是计算机工业中的一项新的技术进步。 l矢量计算机也被称为“向量计算机”，它是一种能够进行矢 量运算，以流水处理为主要特征的电子计算机。对多组数据 成批地进行同样的运算，得到一批结果的运算方法，即称为 “矢量运算”。如果一次只能对一组数据进行运算，则称为 “标量运算。

27、” 流水技术 流水技术（续） n流水线生产过程的抽象描述 流水技术（续） n浮点加法流水线 l把浮点加法的全过程分解为“求阶差”、“对阶”、“尾数相加”、“ 规格化”四个子过程，并让它们分别用各自独立的部件来实现。 l理想情况：速度提高3倍 流水技术（续） n时空图从时间和空间两个方面描述了流水 线的工作过程。时空图中，横坐标代表时间 ， 纵坐标代表流水线的各个段。 流水技术（续） 流水技术（续） n流水技术是指将一个重复的时序过程分解 成为若干个子过程，而每个子过程都可有效地在其专用功能段 上与其他子过程同时执行。 n流水线的分类（按照流水线的级别来分） l部件级流水线（运算操作流水线）：把

28、处理机的算术逻辑部件分段，使 得各种数据类型的操作能够进行流水。 l处理机级流水线（指令流水线）：把指令的解释执行过程按照流水方式 进行处理。 l处理机间流水线（宏流水线）：它是指由两个以上的处理机串行地对同 一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。 n关于流水技术的细节参见计算机系统结构 我国巨型计算机的发展 型号面世时间每秒运算速度（峰值 ） 银河1983年 1亿次 曙光一号1992年 6.4亿次 银河1994年 10亿次 银河 1997年130亿次 神威1999年3840亿次 深腾18002002年1万亿次 曙光4000A2004年11万亿次 神威3000A2007年18万亿次 深腾7

29、000 2008年106.5万亿次 曙光5000A2008年230万亿次 天河一号2009年1206万亿次 我国巨型计算机的发展 n2010年6月版的Top 500超级计 算机名单已经公布。中国 国家超级计 算深圳中心的曙光TC3600刀片服务器系统“ 星云”超级计 算机位居第二，仅次于克雷公司的Jaguar超 级计 算机，超过了IBM的Roadrunner超级计 算机。 “星 云”系统采用Intel的至强5650处理器和NVidia Tesla C2050 GPU，理论峰值计 算能力2.98 PFlop/s（世界最快 ），Linpack基准测试 性能1.271 PFlop/s。美国能源部橡

30、树岭国家实验 室Jaguar超级电脑 的Linpack测试 得分为 1.75 petaflop/s，理论峰值计 算能力2.3 petaflop/s。洛斯 阿拉莫斯国家实验 室Roadrunner的计算能力为1.04 petaflop/s。中国国家超级计 算天津中心的天河一号超级 计算机排名第7，采用Xeon E5540/E5450处理器和ATI Radeon HD 4870 2 GPU，Linpack性能563.10 teraflop/s。 Top 10超级计 算机全部运行基于Linux的操作系统，中国 的两台超级计 算机都使用GPU作为一种加速器。 nThere are now 2 Chin

31、ese systems in the TOP10 and 24 in the TOP500 overall. 2.2 微型计算机硬件系统 n计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成 。 l硬件系统通常指机器的物理系统，硬件系统是指所 有构成计算机的物理实体，它包括计算机系统中一 切电子、机械、光电等设备。 l所谓软件系统则是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，广义地说，软件系统还包括电子的和非电子 的有关说明资料，说明书、用户指南、操作手册等 。 2.2 微型计算机硬件系统 n2.2.1 微型计算机系统 l微型机根据工艺结构、外观形式和应用目的，可

32、分 为台式机和便携式两类。 l微型计算机的硬件系统应由微处理器（运算器和控 制器）、存储器、输入设备和输出设备组成。 图2-11 微型计算机 系统基本结构 2.2 微型计算机硬件系统 n2.2.2 微处理器给你一颗奔腾的“芯” l微处理器在微型计算机中又称为CPU（中央处理单元 的缩写)，又简称其为处理器(Processor)。 lCPU作为计算机系统的核心，其内部结构可以分为控 制器、运算器和寄存器三个部分，如图2-13所示。 图2-13 CPU主要由控制器、运算器和寄存器组成 运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算。 控制器负责读取各种指令，并对指令进行分析 ，作出相应的控制。 寄存器是CP

33、U内部的存储单元，用于存放运算 的中间结果和最终结果。 2.2 微型计算机硬件系统 微处理器推出时间字长主频（MHz ） 集成度 （晶体管数/片） 40041971年4位0.72300 8086/80881981年16位582.9万 802861982年16位62513.4万 803861985年32位164027.5万 804861989年32位25100120万 Pentium1993年32位60233310万 Pentium 1997年32位133450750万 Pentium 1999年32位350550950万 Pentium 2000年64位1400以上4200万 2.2 微型计算

34、机硬件系统 l人们常常用二进制位的位数(bit)来表示CPU的字长。 l目前，微机的性能在某些方面已经达到甚至超过了小型机, 并且普遍采用双核（或多核）处理器。 n2.2.3 计算机总线 l采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的 总线标准则容易使不同设备间实现互联。 l微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。 图2-14 计算机的外部总线 讨论 n为了向主存中的某个单元写入一个数据，CPU需 要向主存提供什么数据? lCPU需要向主存提供如下数据 u该存储单元的地址 u写控制信号 u需要写入的数据 n某计算机地址总线宽度为32位，这台计算机能 够寻址的内存单元是多少。 l23

35、2 个内存单元 讨论 n如果将主存中一个单元的内容移到另一个单元 中需要哪些步骤? l发写控制信号给主存； l主存检测地址所在单元是否允许写，若允许写则发 读信号给CPU； l当CPU相应时，向主存发读数据所在地址，并读出数 据放于寄存器中； l发写地址信号给主存，并取出寄存器中的数据写入 相应的地址单元。 41 在微机中，CPU、存储器和外部设备之间的连接 采用了总线结构，其连接方式如下 总线（BUS） 外部设备必须通过 输入/输出接口电路插 座才能与总线相连并 进行数据交换。 2.2 微型计算机硬件系统 n总线是计算机各功能部件之间传送信息的公共通路。 在微机中，总线为处在体系结构不同层次

36、中的部件提 供通信线路。可分为 l内部总线是微机内部各芯片与CPU之间的连线，用 于芯片一级的互联； l系统总线是微机中各插件板与主板之间的连线，用 于插件板一级的互联； l外部总线是微机和外设之间的连线，微机作为一种 设备，通过该总线和其他设备进行通信，它用于设 备一级的互联。 2.2 微型计算机硬件系统 2.2 微型计算机硬件系统 lPCI（Peripheral Component Interconnect，外围 设备互连）是现代计算机采用的最流行的总线。 lPCI在CPU和外设之间提供了一条独立的数据通道(图 2-15)，让每种设备都能直接与CPU取得联系，使图 形、视频、音频、通信设备

37、都能同时工作。 图2-15 PCI总线在CPU和外设之间 提供了一条独立的数据通道 2.2 微型计算机硬件系统 n2.2.4 计算机与外部设备的接口及标准 l数据的传输方式基本分为两种，一种是用一条线用来传送数 据，这种叫串行传输接口。 u串行接口的特点是传输稳定、可靠、传输距离长，但数据传输速率 较低。 l如果用几条线来同时传输数据，这就叫做并行接口（ Parallel Port）(图2-16)。 u并行通信的特点是数据传输速率较大，协议简单，易于操作。但是 ，由于并行接口在传输时容易受到干扰、传输距离短、有时会发生数 据丢失等问题，所以并口设备的连接电缆一般比较短，否则不能保证 正常使用。

38、 lUSB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线接口，做 到即插即用。 USB2.0传输速度可达480Mbps。 串口硬盘和并口硬盘的速度比较 n在相同频率下,并口传输的效率是串口的几倍。 n随着传输频率的提高，并行传输线中信号线与信号线之间的串 扰越加明显，所以这也制约了并行通讯传输频率的提高（达到 100MHz已经是很难了）。 n串行通信则不然，信号线只有一根（或两根），没有串扰（或 不明显），所以传输频率可以进一步提高，足够可以将传输速 度超过并行通讯。 n串口硬盘的速度为什么比硬盘快？ l为串口干扰少，随着速度的提高，并口的信号之间相互干扰增加，到一 定程度以后

39、并行传输就不能得到正确的数据了。 lSATA1.0理论接口传输速率为150MB/S，少数高端产品采用SATA2.0接口， 理论接口传输速率为300MB/S,；而ATA 硬盘多数为ATA 133 的，硬盘外 部传输速率为133MB/S。 2.2 微型计算机硬件系统 n2.2.5 主存储器系统 l主存储器是计算机内部存储器的简称，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。 图2-16 微机的串行与并行接口 2.2 微型计算机硬件系统 l主存储器从存取功能上可分为只读存储器和随机存 储器两大类。 u只读存储器（ROM）中的内容在任何时候都可以读取，但 是不可

40、擦写和更改，数据和程序将会被永久地保存在其中 ，即使是关闭计算机，ROM的数据也不会丢失，也就是说 ，它是非易失性的。 u相对于ROM而言，随机存储器（RAM）是可读写存储器， 即可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭 电源后其内的信息将不在保存，再次开机需要重新装入， 也就是说，RAM中的数据是易失性的。 l计算机系统自动地设置和维持一个目录表，此目录 表提供了内存中所有程序和数据块的第一个数据的 起始地址位置的所占用的地址数目， 2.2 微型计算机硬件系统 l这样在需要时根据该表系统就能方便地访问不同的 数据，如图2-17中所示的David数据。 l当计算机处理完一个程序或一块数

41、据时，就会释放 内存空间以便存储其他的程序和数据，因此各个内 存地址所存储的内容是不断变化的。 l存储器容量的标识 u计算机主存储 器中存储单元 的总数是2的方 幂，主要原因 是方便设计。 存储容量的大 小通常以210（1024）个存储单元为度量单位。 存储容量的标识 n1 Kilobyte KB = 210 byte n1 Megabyte MB = 220 byte n1 Gigabyte GB = 230 byte n1 Terabyte TB = 240 byte n1 Petabyte PB = 250 byte n1 Exabyte EB = 260 byte n1 Zettaby

42、te ZB = 270 byte n1 Yottabyte YB = 280 byte n1 Nonabyte NB = 290 byte n1 Doggabyte DB = 2100 byte 讨论 n在主存储器中，如果一个数据块储存在从地址 BC到C2（包括C2）存储单元里，这一数据块占 多少存储器单元？试列出它们的地址。 l7个存储单元 uBC、BD、BE、BF、C0、C1、C2 CPU、Cache、RAM的数据交换 52 高速缓存、主存、外存之间的关系 2.2 微型计算机硬件系统 2.2 微型计算机硬件系统 n2.2.6 外部存储器 l1.磁存储系统 u磁存储系统是一个精密的机电结合体

43、，它的主要功能是 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。 u硬盘是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密 封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上(图2-18)。 u在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密 度为间隔的若干个同心圆就被划分成磁道，每个磁道又被 划分为若干个扇区，数据就按扇区存放在硬盘上。 2.2 微型计算机硬件系统 图2-18 硬盘由多个磁头和盘片组成 图2-19 磁盘寻址结构示意图 55 柱面 扇区 磁道 硬盘容量磁头数柱面数扇区数每扇区字节数 例如：某硬盘有15 个磁头，

44、柱面数（磁 道数）8894个，每道 63扇区，每扇区512B ，其存储容量 15889463512B4.3GB 2.2 微型计算机硬件系统 56 光盘是使用激光在存储介质表面上烧 蚀出微小的凸凹模式以表示数据。 光盘驱动器由一个激光二极管产生 激光光束，打在光盘上再反射回来，光 检测器捕获到光盘上凹凸点的排列方式 ，经驱动器的专门部件转换并校验后得 到计算机可识别的0，1数字信号。 光盘在光驱中高速转动，激光读取 头在电机的控制下前后移动读取数据。 2.光盘存储系统 2.2 微型计算机硬件系统 2.2 微型计算机硬件系统 l2.光盘存储系统 u对光存储介质最基本的要求,就是存储单元的某种性质可

45、 以用某种方法改变以代表被存储的数据,同时这种性质可 用光的方法检测出来。 u最常用的方法是存储单元的光反射率代表存储的信号(1 或0)，如图2-20所示。 CD光盘的表面的存储位（凹痕 ） DVD光盘的表面的存储位（凹痕） 图2-20 光盘表面上的物理凹痕用来存储和表示0和1信号 讨论：DVD与CD的存储容量和速度比较 nDVD比CD的存储容量更大，速度更快 n从存储原理和结构上来看，原因如下： l更有效的调制方式和纠错方法 l更高的道密度和位密度 l支持双层双面 u双层相当于一个盘面由两个较薄的DVD盘片串联粘在一起，它有两个 记录信息的反射层，只不过靠近光头的那个反射层是半透明的，而不

46、象单面的反射层是不透明的。激光可能穿过那个半透明层到达底层。 这种DVD盘片在读写时，只用调整激光头的焦点就可以选择对哪个层 进行读写。 u双面是两个薄盘片背对背粘在一起，就是两个反射层紧粘在一起， 这种盘片读写时，要用两个光头分别从两侧或上下两面进行。 讨论：DVD与CD的存储容量和速度比较 n直径12cm 的规格 lDVD-5：单层单面，4.7GB； lDVD-9：双层单面，8.5GB； lDVD-10：单层双面，9.4GB； lDVD-18：双层双面，17GB。 n直径8cm的规格 lDVD-1：单层单面，1.4GB； lDVD-2：双层单面，2.7GB； lDVD-3：单层双面，2.9

47、GB； lDVD-4：双层双面，5.3GB 讨论：DVD与CD的存储容量和速度比较 nDVD光驱倍速为什么比CD光驱的低 l通常光驱传输 速率的高低取决于光驱的倍速，如16X DVD、52X 的CD-ROM. l以前CD-ROM的传输 速率很低，每秒只能传送150KB字节，即最 初光驱的速率为150KB/s，这就是1X（单倍速）的CD-ROM光驱 。后来随着CD-ROM光驱技术的日新月异，其速率越来越快，为 了区分不同速率的光驱，于是把最初的150KB/s作为基准进行衡 量得到相应的倍速值。如50X的CD-ROM就是指其传输 的速度是 1X光驱的50倍即其速率为50150KB/s=7500KB

48、/s。 l现在流行的DVD-ROM的速率算法也基本相同，只不过DVD-ROM的单 倍速率要比CD-ROM高得多，一倍速的DVD-ROM速率理论上可以达到 1358KB/s，由此我们可以算出现在流行的16倍速DVD-ROM的速度应 该是1358KB/s16=21728KB/s。 l同类型光驱，倍速越高，数据传输也就越快。 蓝光 n蓝光（Bluray）或称蓝光盘（Bluray Disc，缩写为BD）利 用波长较短（405nm）的蓝色激光读取和写入数据，并因此而 得名。 l传统DVD需要光头发出红色激光（波长为650nm）来读取或写入数据，通 常来说波长越短的激光，能够在单位面积上记录或读取更多的信

49、息。 l蓝光是最先进的大容量光碟格式，BD激光技术的巨大进步，使你能够在 使你能够在一张单碟上存储25GB的文档文件。 l在速度上，蓝光允许1到2倍或者说每秒 4.59MB 的记录速度。 l蓝光光碟拥有一个异常坚固的层面，可以保护光碟里面重要的记录层 。 2.2 微型计算机硬件系统 l3.非易失性存储器 u如果通俗地解释非易失性存储器，那就是指那些断电后 数据仍然能保留的半导体存储器。 u闪存具有关掉电源仍可保存数据的优点，同时又可重复 读写且读写速度快、单位体积内可储存最多数据量，以及 低功耗特性等优点。 2.2 微型计算机硬件系统 n2.2.7 计算机输入设备 l1.键盘 u键盘的工作主要由其内置的单片微处理器负责控制。 l2.鼠标 u鼠标的工作原理是利用自身的移动，把移动距离及方向 的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。 2.2 微型计算机硬件系统