計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ).ppt

計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ) 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 教學(xué)內(nèi)容 第一章微型計(jì)算機(jī)概述第二章微型計(jì)算機(jī)的主要部件第三章微型計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備第四章多媒體計(jì)算機(jī)第五章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第六章筆記本PC機(jī)第七章微型計(jì)算機(jī)的選購(gòu) 安裝與維護(hù) 參考教材 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)譚浩強(qiáng)主編電子工業(yè)出版社計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)教程史嘉權(quán)主編清華大學(xué)出版社 第一章微型計(jì)算機(jī)概述 1946年 美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC 重28噸 耗電150kW 占地170平米 用電子管18800個(gè) 每秒5000次加法 第一代電子管時(shí)代 1946 1958 耗電高 體積大 定點(diǎn)計(jì)算 機(jī)器語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言第二代晶體管時(shí)代 1958 1965 變集中處理為分級(jí)處理 浮點(diǎn)運(yùn)算 高級(jí)語(yǔ)言第三代中小規(guī)模集成電路時(shí)代 1965 1970 存儲(chǔ)容量大 運(yùn)算速度快 幾十至幾百萬(wàn)次 秒第四代大規(guī)模集成電路時(shí)代 1971至今 向大型機(jī)和微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化 多媒體化 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 巨型機(jī) 世界幾家公司生產(chǎn) 最快1 4萬(wàn)億次 9千個(gè)CPU組成Cray 1 Cray 2 Cray 3 國(guó)產(chǎn)銀河I 銀河II 銀河III小巨型機(jī) 功能同巨型機(jī)相近 價(jià)格相對(duì)便宜 發(fā)展十分迅速美國(guó)Convex公司的C系列機(jī)為其代表產(chǎn)品 大型機(jī) 大中型企事業(yè)單位作為計(jì)算中心的主機(jī)使用 統(tǒng)一調(diào)度主機(jī)資源 代表產(chǎn)品有IBM360 370 4300等 小型機(jī) 它可以滿足部門性的需求 供小型企事業(yè)單位使用 典型產(chǎn)品有IBM AS 400 DEC VAX系列 國(guó)產(chǎn)太極工作站 用于特殊的專業(yè)領(lǐng)域 例如圖象處理和輔助設(shè)計(jì)等 典型產(chǎn)品有HP APOLLO SUN工作站等 微型機(jī) 個(gè)人或家庭使用 PC機(jī) 個(gè)人計(jì)算機(jī) 價(jià)格低廉 計(jì)算機(jī)的六大分類 1 1微電子器件的發(fā)展 1 1 1摩爾定律 摩爾定律 60年代初 英特爾公司創(chuàng)始人之一 美國(guó)化學(xué)家戈登 摩爾提出每隔18至24個(gè)月 芯片每秒速度至少提高一倍 戈登 摩爾當(dāng)年提出摩爾定律的時(shí)候 恐怕自己都想不到會(huì)對(duì)現(xiàn)在這個(gè)時(shí)代產(chǎn)生如此大的影響 因?yàn)楦甑?摩爾所處的時(shí)代 石油和煤炭依然是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力 而現(xiàn)在 芯片已經(jīng)成為了左右經(jīng)濟(jì)的重要力量 摩爾定律經(jīng)受了將近40年的時(shí)間冼禮 其間它像一雙無(wú)形的臂膀 推動(dòng)著IT產(chǎn)業(yè)不斷地向前發(fā)展一一每個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)增長(zhǎng)了18000倍 由1971年的2300個(gè)增長(zhǎng)到了今天Pellet4芯片的4200萬(wàn)個(gè) 一個(gè)高大的 陰影 始終彌漫在英特爾這家半導(dǎo)體領(lǐng)域利潤(rùn)最高的公司之中 籠罩著整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 這就是 摩爾定律 IT產(chǎn)業(yè)的第一定律 關(guān)于摩爾定律的不同觀點(diǎn) 10年前的intel 5年前的微軟 給人們的印象是一個(gè)產(chǎn)生興奮的地方 好萊塢只能把夢(mèng)想做到銀幕上 而微軟和intel的聯(lián)盟把銀幕上的夢(mèng)變成了人們生活的一部分 于是 在那個(gè)時(shí)候 摩爾定律和windows一起代表了人類征服數(shù)字世界 改造自己生活的精神 現(xiàn)在的摩爾定律 不再是一個(gè)夢(mèng)想的一部分 而是逼迫人們掏錢的工具 什么是摩爾定律的靈魂 更快 更高 更強(qiáng) 技術(shù)讓你實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想 一切以用戶體驗(yàn)為中心 而現(xiàn)在的硬件廠商恰恰相反 拼命提高主頻 甚至不惜犧牲架構(gòu)優(yōu)勢(shì)也要突出主頻優(yōu)勢(shì) 完全背離了用戶 背離了應(yīng)用 在科技界存在的一個(gè)眾所周知的事實(shí) 那就是任何試圖突破 摩爾定律 的行動(dòng)最終都以失敗告終 企業(yè)每年在該領(lǐng)域的嘗試至少達(dá)到1000多次 如rilogySystems和MicroUnity的超級(jí)芯片試驗(yàn) 以及IBM的X射線平板印刷術(shù)等 最終都胎死腹中 但人們很少注意到的是 成千上萬(wàn)家追崇 摩爾定律 的企業(yè)最終都退出了這場(chǎng) 游戲角逐 另外 人們也很少關(guān)注這些企業(yè)的最終命運(yùn)如何 事實(shí)上 幾千家4年前仍可以看到的企業(yè) 如今已不復(fù)存在了 摩爾定律 的副作用在網(wǎng)絡(luò)界體現(xiàn)的尤為突出 甚至可以說(shuō) 網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)從一窩蜂地不正常發(fā)展到最終的破滅 都是 摩爾定律 惹得禍 Intel捍衛(wèi)摩爾定律 摩爾定律與英特爾有著不解的淵海 不僅因?yàn)槟柖傻奶岢稣吒甑?摩爾是英特爾的創(chuàng)始人之一 更因?yàn)橛⑻貭栐谛酒夹g(shù)上的一次次突破 使之理所當(dāng)然地成為了摩爾定律的忠實(shí)捍衛(wèi)者 而英特爾最新的一次捍衛(wèi)行動(dòng) 仍然是用技術(shù)說(shuō)話 2004年11月26日 美國(guó)英特爾宣布該公司的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了新型晶體管結(jié)構(gòu) 英特爾實(shí)驗(yàn)室元件研究部門經(jīng)理格蘭德 馬斯科說(shuō) 此前我們的研究曾證明了 完全可以開發(fā)出更快更小的晶體管 但這里存在著耗電量 發(fā)熱及漏電等根本性的問題 我們的目標(biāo)是克服這一障礙 制造出可集成相當(dāng)于目前微處理器25倍的晶體管 同時(shí)不增加耗電量的芯片 對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)所帶來(lái)的影響 有關(guān)人士則稱為是 這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)成功將再次打破阻礙摩爾法則繼續(xù)存在的瓶頸 1 2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成 約翰 馮 諾依曼 JohnVonNouma 1903 1957 美藉匈牙利人 1903年12月28日生于匈牙利的布達(dá)佩斯 父親是一個(gè)銀行家 家境富裕 十分注意對(duì)孩子的教育 馮 諾依曼從小聰穎過人 興趣廣泛 讀書過目不忘 據(jù)說(shuō)他一生掌握了七種語(yǔ)言 6歲時(shí)就能用古希臘語(yǔ)同父親閑談 其中最擅長(zhǎng)德語(yǔ) 他對(duì)讀過的書籍和論文能很快一句不差地將內(nèi)容復(fù)述出來(lái) 而且若干年之后 仍然如此 1911年一1921年 馮 諾依曼在布達(dá)佩斯的盧瑟倫中學(xué)讀書期間 就嶄露頭角而深受老師的器重 在費(fèi)克特老師的個(gè)別指導(dǎo)下 兩人合作發(fā)表了第一篇數(shù)學(xué)論文 此時(shí)馮 諾依曼還不到18歲 1921年至1923年在蘇黎世大學(xué)學(xué)習(xí) 在1926年以優(yōu)異的成績(jī)獲得了布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位 此時(shí)馮 諾依曼年僅22歲 1927年至1929年 馮 諾依曼相繼在柏林大學(xué)和漢堡大學(xué)擔(dān)任數(shù)學(xué)講師 1930年接受了普林斯頓大學(xué)客座教授的職位 1931年成為該校終身教授 1933年轉(zhuǎn)到該校的高級(jí)研究所 成為最初六的位教授之一 并在那里工作了一生 是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院 秘魯國(guó)立自然科學(xué)院和意大利國(guó)立林且學(xué)院等院的院土 1954年他任美國(guó)原子能委員會(huì)委員 1951年至1953年任美國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)主席 馮 諾依曼由ENIAC機(jī)研制組的戈?duì)柕滤雇⒅形窘榻B參加ENIAC機(jī)研制小組后 便帶領(lǐng)這批富有創(chuàng)新精神的年輕科技人員 向著更高的目標(biāo)進(jìn)軍 1945年 他們?cè)诠餐懻摰幕A(chǔ)上 發(fā)表了一個(gè)全新的 存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案 EDVAC ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer的縮寫 EDVAC方案明確奠定了新機(jī)器由五個(gè)部分組成 包括 運(yùn)算器 邏輯控制裝置 存儲(chǔ)器 輸入和輸出設(shè)備 并描述了這五部分的職能和相互關(guān)系 EDVAC機(jī)還有兩個(gè)非常重大的改進(jìn) 即 1 采用了二進(jìn)制 不但數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制 指令也采用二進(jìn)制 2建立了存儲(chǔ)程序 指令和數(shù)據(jù)便可一起放在存儲(chǔ)器里 并作同樣處理 簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 大大提高了計(jì)算機(jī)的速度 1946年7 8月間 馮 諾依曼和戈?duì)柕滤雇?勃克斯在EDVAC方案的基礎(chǔ)上 為普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所研制IAS計(jì)算機(jī)時(shí) 又提出了一個(gè)更加完善的設(shè)計(jì)報(bào)告 電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)初探 以上兩份既有理論又有具體設(shè)計(jì)的文件 首次在全世界掀起了一股 計(jì)算機(jī)熱 它們的綜合設(shè)計(jì)思想 便是著名的 馮 諾依曼機(jī) 其中心就是有存儲(chǔ)程序 輸入設(shè)備 控制器 輸出設(shè)備 CPU 存儲(chǔ)器 運(yùn)算器ALU 諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理可概述為 存儲(chǔ)程序 程序控制 1 以二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令 程序 2 先將程序存入存儲(chǔ)器中 再由控制器自動(dòng)讀取并執(zhí)行 1 3基本原理和工作過程 馮 諾依曼型計(jì)算機(jī)的特征的特 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器 控制器 存儲(chǔ)器 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成 數(shù)據(jù) 地址和指令在機(jī)器中均用二進(jìn)制表示 計(jì)算機(jī)的最基本功能是執(zhí)行指令 指令由操作碼和操作數(shù)組成 把程序和數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中 并可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行修改 程序按指令順序存放 存儲(chǔ)器 I O接口 輸入設(shè)備 I O接口 數(shù)據(jù)總線DB 控制總線CB 地址總線AB 輸出設(shè)備 CPU 微機(jī)的硬件由CPU 存儲(chǔ)器 輸入 輸出設(shè)備構(gòu)成 輸入 輸出設(shè)備通過輸入 輸出接口與系統(tǒng)相連 輸入 輸出接口簡(jiǎn)稱I O接口 各部件通過總線連接 構(gòu)成部件 中央處理器CPU 計(jì)算機(jī)的核心部件用來(lái)實(shí)現(xiàn)指令的自動(dòng)裝入和自動(dòng)執(zhí)行 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身的自動(dòng)化 地址信號(hào) 標(biāo)志寄存器 指令寄存器 數(shù)據(jù)暫存器 控制電路 指令譯碼器 地址寄存器 指令指針寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器組 運(yùn)算器 IP 數(shù)據(jù)信號(hào) 控制信號(hào) ALU ALU控制器 總線 總線是連接多個(gè)功能部件的一組公共信號(hào)線微機(jī)中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸 總線BUS 計(jì)算機(jī)中傳輸信息的公共通路稱為總線 BUS 按照總線上傳輸信息的不同 總線可分為 1 數(shù)據(jù)總線 DB 用來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息 它主要連接了CPU與各個(gè)部件 是它們之間交換信息的通路 數(shù)據(jù)總線是雙向的 而具體的傳送方向由CPU控制 2 地址總線 AB 用來(lái)傳送地址信息 CPU通過地址總線中傳送的地址信息訪問存儲(chǔ)器 通常地址總線是單向的 3 控制總線 CB 用來(lái)傳送控制信號(hào) 以協(xié)調(diào)各部件之間的操作 內(nèi)存內(nèi)存是存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件 由地址譯碼器 內(nèi)存單元等構(gòu)成 外設(shè)和輸入 輸出接口 I O接口 外設(shè)的電信號(hào) 運(yùn)行速度與CPU不匹配 不能與CPU直接相連 必須通過I O接口與CPU相連 微型計(jì)算機(jī)常用外圍設(shè)備有顯示器 鍵盤 鼠標(biāo)器及外存儲(chǔ)器 外存中常用的有硬磁盤 硬盤 軟磁盤 軟盤 和光盤 如果需要還可以根據(jù)用戶的要求配置打印機(jī) 繪圖儀 投影儀 同時(shí)為了聯(lián)網(wǎng) 還可以配置調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備 鍵盤 鍵盤接口顯示器 顯示卡鼠標(biāo) 串行接口網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)卡打印機(jī) 并行接口音箱 麥可風(fēng) 聲卡 表1 2PC機(jī)系列發(fā)展表 1 2 1微型計(jì)算機(jī)的基本配置 表1 2PC機(jī)系列發(fā)展表 1 2 2微型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng) 機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言是指機(jī)器能直接識(shí)別的語(yǔ)言 它是由 1 和 0 組成的一組代碼指令 例如 01001001 作為機(jī)器語(yǔ)言指令 可能表示將某兩個(gè)數(shù)相加 由于機(jī)器語(yǔ)言比較難記 所以基本上不能用來(lái)編寫程序 匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言是由一組與機(jī)器語(yǔ)言指令一一對(duì)應(yīng)的符號(hào)指令和簡(jiǎn)單語(yǔ)法組成的 例如 ADDA B 可能表示將A與B相加后存入B中 它可能與上例機(jī)器語(yǔ)言指令01001001直接對(duì)應(yīng) 匯編語(yǔ)言程序要由一種 翻譯 程序來(lái)將它翻譯為機(jī)器語(yǔ)言程序 這種翻譯程序稱為匯編程序 任何一種計(jì)算機(jī)都配有只適用于自己的匯編程序 匯編語(yǔ)言適用于編寫直接控制機(jī)器操作的低層程序 它與機(jī)器密切相關(guān) 一般人也很難使用 高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言比較接近日常用語(yǔ) 對(duì)機(jī)器依賴性低 是適用于各種機(jī)器的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言 目前 高級(jí)語(yǔ)言已發(fā)明出數(shù)十種 下面介紹常用的幾種 如表 微型計(jì)算機(jī)的工作過程CPU進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算 或從存貯器取數(shù) 將數(shù)據(jù)存放于存貯器 或由接口取數(shù)或向接口送數(shù) 這些都是一些基本動(dòng)作 也稱為CPU的操作 用微型計(jì)算機(jī)求解 7 10 這樣一個(gè)極為簡(jiǎn)單的問題 必須利用指令告訴計(jì)算機(jī)該做的每一個(gè)步驟 先做什么 后做什么 具體步驟就是 7 ALAL 10 AL 其含義就是把7這個(gè)數(shù)送到AL里面 然后將AL中的7和10相加 把要獲得的結(jié)果存放在AL里 把它們變成計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別并執(zhí)行的程序如下 1011000000000111第