计算机系统基础.

向郑涛email:[e-mail]手机：[phone]（6436）研究方向：计算机网络、交通流建模电气与信息工程学院计算机工程系汽车信息控制与网络技术研究所大学计算机（第4版）2第1章计算机系统基础1.1计算机的发展(自学)1.2计算机的类型1.3计算机的基本工作原理及结构1.4计算机硬件系统的组成1.5数据在计算机中的表示1.6计算机软件的类型31.1计算机的发展什么是计算机？计算机是一种处理信息的工具，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理。信息处理工具智能化信息存储、传送、加工41.1.1早期计算工具的发展古代甲骨文数字（约公元前1500年）51.1.1早期计算工具的发展算筹（起源于周朝，公元前1000年）61.1.1早期计算工具的发展算盘（可能起源于唐朝，流行于宋朝，公元800年左右）71.1.2早期计算机的发展帕斯卡加法器（1642年，法国数学家）81.1.2早期计算机的发展巴贝奇分析机模型（1822年，英国数学家）91.1.2早期计算机的发展第一台现代电子数字计算机ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）101.1.2早期计算机的发展阿塔纳索夫计算机设计三原则：（1）以二进制的方式实现数字运算和逻辑运算，以保证运算精度；（2）利用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；（3）采用计算功能与存储功能相分离的结构，以简化计算机设计。111.1.2早期计算机的发展1946年，冯·诺伊曼等人提出了《电子计算机装置逻辑结构初探》设计报告。1949年，英国剑桥大学研制成功EDSAC（电子离散时序自动计算机）。至此，开始了现代计算机的发展时期。121.1.3现代计算机的发展现代计算机发展的4个时代分代时间主要元件技术特点第一代1946~1953电子管穿孔卡片，机器语言和汇编语言第二代1954~1963晶体管磁盘，高级语言，科学计算，中小型计算机第三代1964~1970中小规模集成电路大型化，集中式计算，远程终端第四代1971至今大规模和超大规模集成电路超大型化，微机化，嵌入式，图形用户界面，多媒体，网络通信131.1.4微型计算机的发展1975年，第一台微机Altair8800（牛郎星）141.1.4微型计算机的发展“牛郎星”微机的意义：微型化的设计方法OEM（原始设备生产厂商）生产方式开放式设计思想硬件与软件分离DIY（自己动手做）151.1.4微型计算机的发展苹果公司的AppleII微机（1977年）CPU：6502系列，主频4MHz内存：64KB可扩展至128KB外存：2个5.25‘软驱视频：80x25行字符输出161.1.4微型计算机的发展个人计算机IBMPC5150（1981年）CPU：Intel8088，工作频率4.77MHz内存：16KB外存：160KB5.25”软盘显示器：11.5”单色操作系统：MS-DOS1.0价格：3045美元。171.2计算机的类型计算机主要组成部件：半导体集成电路芯片机电部件计算机主要产品：大型计算机微型计算机嵌入式系统181.2.1计算机系统的分类191.2.2大型计算机超级计算机设计方案专用设计集群设计（占80%左右）集群计算机：利用多台独立的计算机，组成一个计算机群，使多台计算机能够像一台超级计算机那样统一管理和并行计算。201.2.2大型计算机2012年6月，美国IBM公司生产的“红杉”超级计算机荣获世界最快计算机桂冠。“红杉”超级计算机性能：占地318平方米96个机柜，160万个处理器，1.6TB内存持续测试达到：每秒16324万亿次运算峰值运算速度：每秒20132万亿次211.2.2大型计算机超级计算机集群“红杉”（Sequoia）221.2.2大型计算机我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机，2010年11月排名世界500强计算机第1名“天河1号”计算机性能：2560个计算节点，6144个3.0GHz的IntelXeon处理器，2560片显卡，内存总容量为98TB点对点通信带宽：40Gbit/s峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。231.2.2大型计算机“天河1号”计算机集群241.2.3微机PC系列微机（1）台式微机（PC）251.2.3微型计算机（2）笔记本微机（PC）261.2.3微型计算机（3）PC服务器271.2.3微型计算机苹果系列台式微机281.2.3微型计算机苹果系列笔记本微机291.2.3微型计算机平板微机301.2.4嵌入式系统嵌入式系统的基本组成嵌入式系统是为特定应用而设计的专用计算机系统，或者作为设备的一部分。“嵌入”是将微处理器设计和制造在某个设备内部的意思。311.2.4嵌入式系统嵌入式计算机321.3计算机的基本工作原理及结构1.3.1计算机的基本工作原理冯·诺依曼计算机设计思想采用二进制表示数据和指令采用存储程序方式计算机由5大部分组成冯·诺伊曼计算机模型的五大部分：输入设备，输出设备，存储器，控制器，运算器33冯·诺依曼结构框图数据流控制流取数存数地址指令存储器控制器运算器输出设备输入设备程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号341.3.2指令和指令系统指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令组成：操作码+操作数指令系统：一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令，数据处理指令，程序控制指令，输入/输出指令和其他指令。351.3.2指令和指令系统指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”，“指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成，这个过程不断重复进行。361.3.3微机系统结构微机采用以CPU为核心的控制中心分层结构。371.3.3微机系统结构1-3-5-7规则:（1）1个CPU（2）3大芯片（MCH，ICH，FWH）（3）5大接口（SATA，eSATA，SIO，LAN，HDA（4）7大总线（FSB，MB，PCI-E，IHA，PCI，LPC，USB等）。“1-3-5-7”是指主要结构而言，实际产品会有一些增减。381.3.4未来的新型计算机摩尔定理：微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番。晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒391.3.4未来的新型计算机超导计算机量子计算机光子计算机生物计算机神经网络计算机401.4计算机硬件系统组成计算机硬件系统CPU系统主板系统内存系统显示系统外存系统音频系统网络系统辅助系统等411.4.1计算机系统组成冯·诺依曼421.4.1计算机系统组成微机硬件的基本组成431.4.2CPU系统CPU（中央处理器）是计算机中最重要的一个部件。CPU工作频率越高，工作速度越快。Intel（英特尔）公司是CPU技术领头人，其他厂商有AMD（超微）公司，IBM（国际商业机器）公司，ARM（安媒）公司等。441.4.2CPU系统CPU的组成451.4.2CPU系统英特尔公司CPU产品酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本微机。至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。461.4.2CPU系统CPU技术性能系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。处理字长CPU内部运算单元一次处理二进制数据的位数。目前微机CPU绝大部分为64位产品。工作频率CPU每一秒钟工作的周期数，单位Hz（赫兹），例如1GHz=10亿个计算周期。471.4.3主板系统主板组成集成电路芯片，电子元器件，电路系统，各种总线插座和接口组成。主板的主要功能传输各种电子信号，部分芯片也负责初步处理一些外围数据。48南桥芯片北桥芯片PCI总线PCI-E总线CPU插座SIO接口内存条插座主板电源插座SATA插座音频芯片网络芯片时钟芯片SIO芯片49安装孔CMOS电池电压芯片信号线电容电感电阻PCB音频接口501.4.3主板系统三大芯片1.北桥芯片（MCH）主要功能是数据传输与信号控制2.南桥芯片（ICH）南桥芯片主要负责外部设备的数据处理与传输3.BIOS芯片（FWH）是软件和硬件之间的重要接口511.4.4存储器系统内部存储器能够直接与CPU进行数据交换外部存储器与CPU间接交换数据的存储器521.4.4存储器系统531.4.4存储器系统内存技术指标内存中每个存储单元可存放1位（bit）二进制数据，8个存储单元称为一个字节（Byte）。内存容量单位：KB、MB、GB、TB。•8bit（比特）=1Byte（字节）•1024B＝1KB•1024KB＝1MB•1024MB＝1GB•1024GB=1TB541.4.4存储器系统内存的类型随机存储器（RAM）•静态随机存取存储器（SRAM）•动态随机存取存储器（DRAM）•计算机运行时的程序和数据均放在RAM中，一旦掉电，其中的数据将全部丢失。只读存储器（ROM）•目前ROM一般做在微处理器芯片内部•外部ROM一般采用可读写的“闪存”芯片551.4.4存储器系统内存条561.4.4存储器系统外存：容量大，停电可以保存数据，不能与CPU直接交换数据。CPU、内存、外存之间的关系：CPU外存内存交换数据交换数据不能直接交换571.4.4存储器系统（1）闪存采用半导体快闪存储器为存储介质。如：U盘，存储卡等581.4.4存储器系统（2）硬盘机械硬盘和电子硬盘（SSD）591.4.4存储器系统硬盘容量320GB，500GB，1TB，2TB或更高。硬盘尺寸3.5英寸、2.5英寸等。硬盘接口串行接口（SATA），SCSI接口，USB接口等。601.4.4存储器系统（3）光盘和光驱光盘类型CD-ROM（容量为650MB）DVD-ROM（容量为4.7GB-17GB）BD（蓝光光盘，容量为23GB/27GB）光盘读写DVD-ROM（只读光盘）DVD-R（一次写入光盘）DVD-RW（可擦写光盘）611.4.4存储器系统光盘和光驱621.4.5总线和接口总线是微机中各种部件之间共享的一组公共数据传输线路。总线功能数据总线用来在设备之间传输数据和指令地址总线用于指定数据来源与去向控制总线用来控制数据的访问与使用631.4.3主板系统线宽PCI-Ex16总线插座PCI总线插座PCI-Ex1总线插座SATA接口插座641.4.5总线和接口计算机总线结构示意图：微处理器CPU主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等硬盘驱动器AB地址DB数据CB控制651.4.5总线和接口总线性能总线宽度：总线一次并行传输的二进制位数。有8位、16位、32位、64位等。总线频率：描述总线的速度，有33MHz、66MHz、100MHz、133MHz、200MHz、400MHz、800MHz、1066MHz等。661.4.5总线和接口PCI总线总线功能：用于安装功能扩展卡总线宽度：32位工作频率：33MHz总线带宽：132MB/s671.4.5总线和接口PCI-E总线高速串行总线采用点对点连接总线接口长短不同每条单独通道（X1）有4GB/s带宽PCI-EX16总线用于安装显示卡681.4.5总线和接口接口两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路。接口功能在各个组成部件之间进行数据交换。常见接口硬盘/光驱接口：SATA音频接口：LineOut、MIC等网络接口：RJ-45691.4.5总线和接口微机线路连接701.4.6输入/输出设备键盘71722.4微型计算机硬件系统坐姿：坐姿要端正，腰要挺直，肩部放松，两脚自然平放于地面。手腕平直，两肘微垂，轻轻贴于腋下，手指弯曲自然适度，轻放在基本键上。732.4微型计算机硬件系统击键方法：各手指放在基本键上。每个手指只负责相应的几个键。手腕平直，手指弯曲自然，击键只限于手