第4讲 微型计算机系统的组成

第4讲计算机系统的组成一、计算机概述（一）计算机的诞生和发展世界公认的真正意义上的第一台数字式电子计算机于1946年2月由美国宾夕法尼亚大学的一批年轻的科技人员研制成功，并被命名为“ENIAC”（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator——电子数字积分机和计算器）。“埃尼阿克”计算机最初是为了第二次世界大战军事上进行弹道的计算而设计的。这台电子计算机由18000多个电子管，1500多个继电器，10000多只电容器和7000多只电阻构成，占地170多平方米，功耗为150千瓦，重量约30吨，采用电子管作为计算机的逻辑元件，存储容量为17000多个单元，每秒能进行5000次加法运算。或者400次乘法。60年来，随着电子技术的不断发展，计算机先后以电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路为主要元器件，共经历了四代的变革。计算机发展的四个阶段如表2-1所示。表2-1计算机发展的四个阶段代次起止年份所用电子元器件处理方式运算速度应用领域第一代1946－1957电子管机器语言、汇编语言/符号语言几千－几万次/秒国防及高科技第二代1958－1964晶体管高级语言，作业批量连续处理几万－几十万次/秒工程设计、数据处理第三代1965－1970中、小规模集成电路多道程序，实时处理几十万－几百万次/秒工业控制，数据处理第四代1970至今大规模、超大规模集成电路可扩充语言，实时、从那时起处理，网络系统几百万－上亿条指令/秒或更高工业、生活等各方面（二）计算机的的发展方向目前，科学家们正在使计算机朝着巨型化、微型化、网络化、智能化的方向发展。1．巨型化巨型化是指高速运算、大存储容量和超强功能的巨型计算机。巨型机的运行速度一般在百亿次，千亿次以上；主存储容量在几百兆，几千兆以上。研制费用巨大，生产数量很少。巨型计算机主要用于尖端科学的研究，它反映了一个国家的科学发展水平，因此一直得到政府的扶持。2．微型化由于大规模以及超大规模集成电路的飞速发展，自二十世纪七十年代以来，微型计算机发展十分迅速，尤其是近十年更是日新月异。3．网络化所谓计算机网络，就是用通讯线路将分散在不同地点的计算机连成一个更大的系统，以实现网络中的软件、硬件和数据资源的共享。它是计算机技术和通信技术相结合的产物。4．智能化计算机的智能化是计算机技术（硬件技术和软件）发展的一个高目标。智能化就是要求计算机具有模拟人的感觉和思维的能力，像人一样具有听、看、说和思考的能力，即人们可以用自然语言、文字、图形、图像等与之对话。（三）计算机的特点计算机之所以这么重要，与它的强大功能是分不开的，与以往的计算工具相比，它具有以下特点：（1）运算速度快。计算机内部有一个叫运算器的部件，它由一些数字逻辑电路组成，可以高速准确地帮助用户进行运算。目前计算机的运算速度已超过1万亿次/秒，一般的微型计算机的速度也在几百次/秒以上。（2）存储容量大。计算机具有的数据存储能力，特别是通过外存储器，其存储容量可达到无限大。目前常用来存储信息的硬盘容量达到了80GB。（3）计算精确度高。计算机的计算精度可以根据人们的需要来设定，在理论上不受任何限制。目前一般的计算机均能达到15位有效数字的精度。在特殊需要时，可通过技术手段提高有效数字的位数，实现更高精度的计算。（4）逻辑判断能力强。在相应程序的控制下，计算机具有判断“是”与“否”，并根据判断做出相应处理的能力。（5）自动运行程序。计算机内部的操作运算都是在程序控制下自动完成的，人们只要设计好程序并将其正确地输入到计算机中，发出指令后，机器运行相应的程序就可以自动完成任务，而不需要人的外部干涉。（6）可靠性高由于采用了大规模集成电路技术，使计算机具有非常高的可靠性一，一般可以长期无故障运行。（7）适用范围广，通用性强在不的应用领域中，只要编制和运行相应的软件，计算机就能在此领域中很好地进行服务。（四）计算机的应用（1）科学计算科学计算也称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。（2）自动控制自动控制称为过程控制也称为实时控制，指用计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速对控制对象进行调节或控制。（3）数据处理数据处理也称为非数值运算，指对大量的数据进行加工处理，例如分析、合并、分类、统计等，形成有用的信息。（4）计算机辅助系统计算机辅助系统包括计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机集成制造系统CIMS、计算机辅助教学CAI等。计算机辅助设计CAD（Computer-idedDesign），就是利用计算机的计算、逻辑判断和数据处理能力帮助设计人员进行各种工程和产品设计的技术。计算机辅助制造CAM（Computer-idedManufacturing），是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。计算机辅助教学CAI（Computer-idedInstruction），指利用计算机模拟演示各种规律、试验过程，是帮助学习的系统，是一种计算机和学科课程整合的新型教学模式。（5）人工智能人工智能是指计算机模拟人类的智能活动，如模拟人脑学习、推理、判断、理解、问题求解等过程，辅助人类进行决策，是计算机应用研究最前沿的学科。（五）计算机的分类1．按计算机处理数据的方式分类从计算机处理数据的方式可以分为数字计算机、模拟计算机和数模混合计算机3类。（1）数字计算机。数字计算机处理的是非连续变化的数据，这些数据在时间上是离散的，输入是数字量输出也是数字量，如职工编号、年龄、工资数据等。基本运算部件是数字逻辑电路，因此，其运算精度高、通用性强。（2）模拟计算机。模拟计算机处理和显示的是连续的物理量，所有数据用连续变化的模拟信号来表示，其基本运算部件是由运算放大器构成的种类运算电路。模拟信号在时间上是连续的，通常称为模拟量，如电流、电压、温度等。一般来说，模拟计算机不如数字计算机精确、通用性不强，但解题速度快，主要用于过程控制和模拟仿真。（3）数模混合计算机。数模混合计算机兼有数字和模拟两种计算机的中，既能接受、输出和处理数字量，又能接受、输出和处理模拟量。2．按计算机使用范围分类按计算机使用范围可分为通用计算机和专用计算机两类。（1）通用计算机通用计算机是指为解决各种问题、使之具有较强的通用性而设计的计算机。该机适用于一般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等，用途十分广泛。（2）专用计算机专用计算机是指为适应某种特殊应用而设计的计算机，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的导航系统等。3．按计算机的规模和处理能力分类（1）巨型计算机巨型计算机是指运算速度快、存储容量大，每秒可达1亿次以上浮点运算速度，主存容量高达几百兆字节甚至几百万兆字节，字长可达32位至64位的机器。这类机器价格相当昂贵，主要用于复杂的、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算，目前世界上只有为数不多的几家公司可以生产。由国防科技大学研制的“银河”和国家智能中心研制的“曙光”都属于这类机器。（2）大型计算机大型计算机的运算速度在每秒一百万次到几千万次，字长32-64位，主存容量在几十兆字节左右。拥有完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，主要用于计算机中心和计算机网络。（3）中型计算机规模和性能介于大型计算机和小型计算机之间。（4）小型计算机小型计算机具有规模较小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护以及与外部设备连接容易等特点，是在60年代中期发展起来的一类计算机。当时的小型机字长一般为16位，存储容量在32KB与64KB之间。当时微型计算机还未出现，因而得以广泛推广应用，许多工业生产自动化控制和事务处理都采用小型机。近期的小型机，其性能已大大提高，主要用于事务处理。（5）微型计算机微型计算机的字长为8－64位，具有体积小、价格低、可靠性强、操作简单等特点。它的运算速度更快，已达到并超过小型计算机的水平，内存容量达到32－256MB，甚至更高。（6）工作站工作站就是一台高档微机，它的独特之处在于易于联网、能大容量存储，配备大屏幕显示器和较强的网络通信功能，特别适用于企业办公自动化控制。（7）服务器服务器是大网络环境下为多用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等。该设备连接在网络上，网络用户在通信软件的支持下远程登录，共享各种服务。二、微型计算机系统的组成一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件（Hardware），是计算机的各种物理设备的总称，包括组成计算机的电子的、机械的、磁的或光的元器件或装置，是计算机系统的物质基础。软件是计算机运行所需要的各种程序、数据及其相关资料的集合，是计算机系统的灵魂，一般分为系统软件和应用软件。计算机系统的组成如图所示。图微机系统的组成计算机如果没有软件的支持，则被称为“裸机”。裸机是无法实现任何信息处理任务的；反之，软件依赖硬件来执行，单靠软件本身，没有硬设备的支持，软件也就失去了其发挥作用的舞台。软件和硬件相辅相承，缺一不可。所以硬件和软件相互结合构成了一个完整的计算机系统，只有硬件和软件相结合才能充分发挥计算机系统的功能。（一）计算机的硬件系统硬件系统都是由运算器、控制器（组成中央处理器）、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成。1．中央处理器（CPU）中央处理器（简称CPU）主要包括运算器和控制器两大部件。它是计算机的核心部件。运算器又称为算术逻辑单元，是用来进行算术运算和逻辑运算的部件，是计算机对信息进行加工的场所。控制器是整个计算机的神经中枢，用来协调和指挥整个计算机系统的操作，它本身不具有运算功能，而是通过读取各种指令，并对其进行翻译、分析，而后对各部件作出相应的控制。在微型计算机中，运算器和控制器被制作在同一块半导体芯片上，又称为中央处理单元、微处理器。最具代表性的产品是美国Intel公司的微处理器系列，先后有4004、4040、8080、8085、8088、8086、80286、80386、80486、Pentium系列等产品。图CPU外观图CPU的性能指标主要有字长和时钟频率。字长表示CPU每次处理数据的能力。286机是16位机，386机是32位机，486机是32位机，Pentium机是64位机。时钟频率（主频）主要以MHz或GHz（每秒钟计算机的时钟变化一个周期称为一个赫）为单位来度量CPU运行速度。计算机的主频速度一般是与机器的型号标在一起的。例如PentiumII350机，表示PentiumII型CPU的工作频率或机器的速度是350MHz。目前的主流CPU频率已经发展到2.0GHz，3.0GHz甚至更高。计算机在保证运行状态稳定的前提下，主频越高则工作节拍越快，运行速度也越高。通常人们习惯上常用微处理器的型号来区别微机的档次，例如：80486、PentiumIII、PentiumIV等都是CPU的型号。2．存储器存储器是计算机的记忆部件，用来存放数据、程序和计算结果。存储器分内存储器和外存储器两类。（1）内存储器目前多采用半导体存储器，其特点是容量小、速度快、但价格较贵。内存的大小是衡量计算机性能的主要指标之一。按其功能特征可分为只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）、随机读/写存储器（ReadAccessMemory，RAM）。1）随机存取存储器（RAM）随机存取存储器简称RAM。主要用来存放当前运行的程序和数据，随机存取的含义是指既能从该设备中读数据，也可以往里写数据。RAM的特点主要有两个：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时，存储器中的内容才被更新；二是RAM中的信息随着计算机的断电自然消失，所以说RAM是计算机处理数据的临时存储区，要想使数据长期保存起来，必须将数据保存在外存中。我们平时所说的内存指的是RAM。RAM从特性上可以分为三类：DDRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）。DRAM：作为大容量随机存储器，目前微机上广泛采用动态随机存储器DRAM作为主存。微