1、第第2章章 計算機硬件系統計算機硬件系統l 信息工具信息工具計算機計算機l 計算機的工作原理計算機的工作原理l 微機系統及其主要指標微機系統及其主要指標l 嵌入式計算機系統嵌入式計算機系統l 計算機應用計算機應用2.1 信息工具信息工具計算機計算機2.1.1 計算機的發展計算機的發展2.1.2 計算機的特點計算機的特點2.1.3 計算機的分類計算機的分類2.1.4 計算機的應用計算機的應用2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢2.1.1 計算機的發展計算機的發展 人類所使用的計算工具從簡單到復雜、從低級人類所使用的計算工具從簡單到復雜、從低級到高級的發展過程中，相繼出現了如算盤、計算尺、

2、到高級的發展過程中，相繼出現了如算盤、計算尺、手搖機械計算機、電動機械計算機等。手搖機械計算機、電動機械計算機等。 1946年年2月，世界上第一臺數字電子計算機月，世界上第一臺數字電子計算機“ENIAC（Electronic Numberical Integrate and Calculator）”在美國賓夕法在美國賓夕法尼亞大學誕生。尼亞大學誕生。“ENIAC”共使用了共使用了17468個電個電子管，占地子管，占地170m2，功率，功率174kw，重達，重達30t，每秒進行每秒進行5000次加法運算。它標志著計算機時代次加法運算。它標志著計算機時代的到來。的到來。 ENIAC2.1.1 計算

3、機的發展計算機的發展起止起止年份年份代別代別主要邏輯元件主要邏輯元件軟件軟件存儲器存儲器運算速度運算速度1946-1946-1957 1957 一一電子管電子管機器語言、匯編機器語言、匯編語言語言水銀延遲線水銀延遲線磁鼓、磁芯磁鼓、磁芯幾千幾千幾萬次幾萬次 1958-1958-19641964二二晶體管晶體管高級語言高級語言（FORTRANFORTRAN、BASICBASIC）簡單操作系統簡單操作系統磁芯、磁盤磁芯、磁盤幾十萬次幾十萬次 1965-1965-19701970三三中小規模集成電中小規模集成電路路 功能較強的操作功能較強的操作系統系統半導體存儲器半導體存儲器 幾十萬幾百萬次幾十萬幾

4、百萬次 1971- 1971- 四四大、超大規模集大、超大規模集成電路成電路數據庫、語言編數據庫、語言編譯系統、譯系統、網絡軟件、網絡軟件、C+C+及及JavaJava問世問世半導體存儲器半導體存儲器幾百萬幾百億次幾百萬幾百億次19561956開始研究，開始研究，19581958年研究出第一臺電子管計算機年研究出第一臺電子管計算機19641964年：晶體管計算機，年：晶體管計算機，19711971年：集成電路計算機年：集成電路計算機19831983年：年：“銀河銀河”巨型機，運算速度每秒巨型機，運算速度每秒1 1億次億次19971997年：年：“銀河銀河”巨型機，運算速度每秒巨型機，運算速度每

5、秒130130億次億次19951995年：年：“曙光曙光1000”1000”研制完成研制完成 20012001年：中科院計算所推出我國第一款通用年：中科院計算所推出我國第一款通用CPU“CPU“龍芯龍芯”芯片芯片 20042004年：年：曙光公司曙光公司研制出研制出“曙光曙光400OA”400OA”20052005年：龍芯年：龍芯2 2號正式面世號正式面世20082008年：曙光年：曙光5000A5000A研制成功，繼美國后第二個成功研制浮研制成功，繼美國后第二個成功研制浮點速度在百萬億次的超級計算機。點速度在百萬億次的超級計算機。20102010年：國際超級計算機大會公布中國超級計算機年：國

6、際超級計算機大會公布中國超級計算機“星云星云”是世界第二快的計算機是世界第二快的計算機 ，僅僅排在美國克雷公司的，僅僅排在美國克雷公司的“美洲美洲豹豹XT5”XT5”之后。之后。20102010年：經過一年時間全面的系統升級后，年：經過一年時間全面的系統升級后，“天河一號天河一號”在第在第3636屆全球超級計算機五百強排名中奪魁。實測運算速屆全球超級計算機五百強排名中奪魁。實測運算速度可達每秒度可達每秒25702570萬億次。萬億次。2.1.2 計算機的工作的特點計算機的工作的特點 1.高速性高速性計算機的運算部件采用的是電子器件，其運計算機的運算部件采用的是電子器件，其運算速度遠非其他計算工

7、具所能比擬，而且其運算算速度遠非其他計算工具所能比擬，而且其運算速度還在快速提高。速度還在快速提高。2.1.2 計算機的工作的特點計算機的工作的特點 2.存儲性存儲性計算機的存儲性是計算機區別于其他計算工計算機的存儲性是計算機區別于其他計算工具的重要特征。計算機的存儲器可以把原始數據、具的重要特征。計算機的存儲器可以把原始數據、中間結果、運算指令等存儲起來以備隨時調用。中間結果、運算指令等存儲起來以備隨時調用。存儲器不但能夠存儲大量的信息，而且能夠快速存儲器不但能夠存儲大量的信息，而且能夠快速準確地存入或取出這些信息。存儲性是計算機能準確地存入或取出這些信息。存儲性是計算機能夠自動運算的前提和

8、基礎。夠自動運算的前提和基礎。2.1.2 計算機的工作的特點計算機的工作的特點 3.通用性通用性通用性是計算機能夠應用于各種領域的基礎。通用性是計算機能夠應用于各種領域的基礎。任何復雜的任務都可以分解為基本的算術運算和任何復雜的任務都可以分解為基本的算術運算和邏輯操作集合，計算機程序員可以把這些基本的邏輯操作集合，計算機程序員可以把這些基本的運算和操作按照一定規則（算法）寫成一系列操運算和操作按照一定規則（算法）寫成一系列操作指令，加上運算所需的數據，形成適當的程序作指令，加上運算所需的數據，形成適當的程序就可以完成各種各樣的任務。就可以完成各種各樣的任務。2.1.2 計算機的工作的特點計算機

9、的工作的特點 4.自動性自動性計算機內部的操作運算是根據人們預先編制計算機內部的操作運算是根據人們預先編制的程序自動控制執行的。只要把包含一連串指令的程序自動控制執行的。只要把包含一連串指令的處理程序和要處理的數據輸入計算機，計算機的處理程序和要處理的數據輸入計算機，計算機便會依次取出指令，逐條執行，完成各種規定的便會依次取出指令，逐條執行，完成各種規定的操作，直到得出結果為止。操作，直到得出結果為止。2.1.2 計算機的工作的特點計算機的工作的特點 5.精確性精確性計算機通常采用二進制運算，這使得計算機計算機通常采用二進制運算，這使得計算機的狀態穩定，算術和邏輯運算規則簡單，可靠性的狀態穩定

10、，算術和邏輯運算規則簡單，可靠性很高，差錯率極低。一般來講，只在人工介入的很高，差錯率極低。一般來講，只在人工介入的地方才有可能發生錯誤，這就是計算機的精確性。地方才有可能發生錯誤，這就是計算機的精確性。2.1.3 計算機的分類計算機的分類 1.按信息表示形式和處理方式劃分按信息表示形式和處理方式劃分根據信息表示形式和處理方式的不同，計算機可分為根據信息表示形式和處理方式的不同，計算機可分為模擬計算機和數字計算機兩大類。模擬計算機和數字計算機兩大類。模擬計算機的主要特點是：參與運算的數值由不間斷模擬計算機的主要特點是：參與運算的數值由不間斷的連續量表示，其運算過程是連續的。由于受元器件質量的連

11、續量表示，其運算過程是連續的。由于受元器件質量的影響，其計算精度較低，應用范圍較窄，目前已很少生的影響，其計算精度較低，應用范圍較窄，目前已很少生產。產。數字計算機的主要特點是：參與運算的數值用離散的數字計算機的主要特點是：參與運算的數值用離散的數字量表示，其運算過程按數字位進行計算。目前主流的數字量表示，其運算過程按數字位進行計算。目前主流的計算機都屬于數字計算機。計算機都屬于數字計算機。2.1.3 計算機的分類計算機的分類2.按計算機的用途劃分按計算機的用途劃分電子計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。電子計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。專用計算機與通用計算機在效率、速度、配

12、置、結構專用計算機與通用計算機在效率、速度、配置、結構復雜程度、造價和適應性等方面是有區別的。專用計算機復雜程度、造價和適應性等方面是有區別的。專用計算機針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經濟的特性，針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經濟的特性，但它的適應性較差，不適于其他方面的應用。在導彈和火但它的適應性較差，不適于其他方面的應用。在導彈和火箭上使用的計算機很多是專用計算機。箭上使用的計算機很多是專用計算機。通用計算機適應性很強，應用面很廣，但其運行效率、通用計算機適應性很強，應用面很廣，但其運行效率、速度和經濟性依據不同的應用對象會受到不同程度的影響。速度和經濟性依據不同的應用對象

13、會受到不同程度的影響。2.1.3 計算機的分類計算機的分類3.按計算機的規模劃分按計算機的規模劃分通用計算機按其規模、速度和功能等又可分通用計算機按其規模、速度和功能等又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機及為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機及單片機。這些類型之間的基本區別通常在于其體單片機。這些類型之間的基本區別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數據存儲容量、指令系統和設備、軟件配置等方數據存儲容量、指令系統和設備、軟件配置等方面的不同。面的不同。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 1.數值計算數值計算計算機最初是

14、為解決科學研究和工程設計中遇到的大計算機最初是為解決科學研究和工程設計中遇到的大量數學問題的數值計算而研制的計算工具。隨著現代科學量數學問題的數值計算而研制的計算工具。隨著現代科學技術的進一步發展，數值計算在現代科學研究中的地位不技術的進一步發展，數值計算在現代科學研究中的地位不斷提高，在尖端科學領域中尤為重要。例如，人造衛星軌斷提高，在尖端科學領域中尤為重要。例如，人造衛星軌跡的計算，房屋抗震強度的計算，火箭、宇宙飛船的研究跡的計算，房屋抗震強度的計算，火箭、宇宙飛船的研究設計都離不開計算機的精確計算。設計都離不開計算機的精確計算。在工業、農業以及人類社會的各領域中，計算機的應在工業、農業以

15、及人類社會的各領域中，計算機的應用都取得了許多重大突破，就連我們每天收看的天氣預報用都取得了許多重大突破，就連我們每天收看的天氣預報都離不開計算機的科學計算。都離不開計算機的科學計算。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 2.數據處理數據處理(信息處理信息處理)在科學研究和工程技術中，會得到大量的原始數據，在科學研究和工程技術中，會得到大量的原始數據，其中包括大量圖片、文字、聲音等。信息處理就是對數據其中包括大量圖片、文字、聲音等。信息處理就是對數據進行收集、分類、排序、存儲、計算、傳輸和制表等操作。進行收集、分類、排序、存儲、計算、傳輸和制表等操作。目前計算機的信息處理應用已非常普遍，如人事

16、管理、庫目前計算機的信息處理應用已非常普遍，如人事管理、庫存管理、財務管理、圖書資料管理、商業數據交流、情報存管理、財務管理、圖書資料管理、商業數據交流、情報檢索和經濟管理等。檢索和經濟管理等。信息處理是當代計算機的主要任務，是現代化管理的信息處理是當代計算機的主要任務，是現代化管理的基礎。據統計，全世界計算機用于數據處理的工作量占全基礎。據統計，全世界計算機用于數據處理的工作量占全部計算機應用工作量的部計算機應用工作量的80%以上，大大提高了工作效率以上，大大提高了工作效率和管理水平。和管理水平。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 3.自動控制自動控制自動控制是指通過計算機對某一過程進行自

17、動操作，自動控制是指通過計算機對某一過程進行自動操作，它不需人工干預，能按人預定的目標和預定的狀態進行過它不需人工干預，能按人預定的目標和預定的狀態進行過程控制。所謂過程控制是指對操作數據進行實時采集、檢程控制。所謂過程控制是指對操作數據進行實時采集、檢測、處理和判斷，按最佳值進行調節的過程，目前被廣泛測、處理和判斷，按最佳值進行調節的過程，目前被廣泛用于鋼鐵、石油化工、醫藥工業等操作復雜的生產中。使用于鋼鐵、石油化工、醫藥工業等操作復雜的生產中。使用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準確性，用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準確性，提高勞動效率、產品質量，降低成本，縮短生產

18、周期。提高勞動效率、產品質量，降低成本，縮短生產周期。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 3.自動控制自動控制計算機自動控制還在國防和航空航天領域中計算機自動控制還在國防和航空航天領域中發揮著重要作用。例如，無人駕駛飛機、導彈、發揮著重要作用。例如，無人駕駛飛機、導彈、人造衛星和宇宙飛船等飛行器的控制都是靠計算人造衛星和宇宙飛船等飛行器的控制都是靠計算機實現的。可以說計算機是現代國防和航空航天機實現的。可以說計算機是現代國防和航空航天領域的神經中樞。領域的神經中樞。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 4.計算機輔助設計和輔助教學計算機輔助設計和輔助教學計算機輔助系統是指通過人機交互，使計算

19、機輔助人計算機輔助系統是指通過人機交互，使計算機輔助人們進行設計、加工、計劃和學習等工作。們進行設計、加工、計劃和學習等工作。計算機輔助設計計算機輔助設計(CAD，Computer Aided Design)是指借助計算機的幫助，自動或半自動地完成各是指借助計算機的幫助，自動或半自動地完成各類工程設計工作。目前，類工程設計工作。目前，CAD技術已應用于飛機設計、船技術已應用于飛機設計、船舶設計、建筑設計、機械設計和大規模集成電路設計等。舶設計、建筑設計、機械設計和大規模集成電路設計等。在京九鐵路的勘測設計中，使用計算機輔助設計系統繪制在京九鐵路的勘測設計中，使用計算機輔助設計系統繪制一張圖紙僅

20、需幾個小時，而過去人工完成同樣工作則需要一張圖紙僅需幾個小時，而過去人工完成同樣工作則需要一周甚至更長時間。可見，采用計算機輔助設計可縮短設一周甚至更長時間。可見，采用計算機輔助設計可縮短設計時間，提高工作效率，節省人力、物力和財力，更重要計時間，提高工作效率，節省人力、物力和財力，更重要的是提高了設計質量。的是提高了設計質量。CAD已得到各國工程技術人員的高已得到各國工程技術人員的高度重視。度重視。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 4.計算機輔助設計和輔助教學計算機輔助設計和輔助教學 有些國家已把有些國家已把CAD和計算機輔助制造和計算機輔助制造(CAM，Computer Aided M

21、anufacturing)、計算、計算機輔助測試機輔助測試(CAT，Computer Aided Test)及計算機輔助工程及計算機輔助工程(CAE，Computer Aided Engineering)組成一個集成系統，使設計、制組成一個集成系統，使設計、制造、測試和管理有機地成為一體，形成高度的自造、測試和管理有機地成為一體，形成高度的自動化系統，因此產生了自動化生產線和動化系統，因此產生了自動化生產線和“無人工無人工廠廠”。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 4.計算機輔助設計和輔助教學計算機輔助設計和輔助教學計算機輔助教學計算機輔助教學(CAI，Computer Aided Inst

22、ruction)是指用計算機來輔助完成教學計劃是指用計算機來輔助完成教學計劃或模擬某個實驗過程。計算機可按不同要求，分或模擬某個實驗過程。計算機可按不同要求，分別提供所需教材內容，還可以進行個別教學，及別提供所需教材內容，還可以進行個別教學，及時指出該學生在學習中出現的錯誤，根據計算機時指出該學生在學習中出現的錯誤，根據計算機對該生的測試成績決定該生的學習從一個階段進對該生的測試成績決定該生的學習從一個階段進入另一個階段。入另一個階段。CAI不僅能減輕教師的負擔，還不僅能減輕教師的負擔，還能激發學生的學習興趣，提高教學質量，為培養能激發學生的學習興趣，提高教學質量，為培養現代化高質量人才提供了

23、有效途徑。現代化高質量人才提供了有效途徑。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 5.人工智能方面的研究和應用人工智能方面的研究和應用人工智能人工智能(AI，Artificial Intelligence)是指計算是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術和應用。人工智能機模擬人類某些智力行為的理論、技術和應用。人工智能是計算機應用的一個新領域，這方面的研究和應用正處于是計算機應用的一個新領域，這方面的研究和應用正處于發展階段，在醫療診斷、定理證明、語言翻譯和機器人等發展階段，在醫療診斷、定理證明、語言翻譯和機器人等方面已有了顯著的成效。例如，用計算機模擬人腦的部分方面已有了顯著的成效。例如，用

24、計算機模擬人腦的部分功能進行思維學習、推理、聯想和決策，使計算機具有一功能進行思維學習、推理、聯想和決策，使計算機具有一定定“思維能力思維能力”。我國已開發成功的一些中醫專家診斷系。我國已開發成功的一些中醫專家診斷系統，可以模擬名醫給患者診病開方。統，可以模擬名醫給患者診病開方。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 5.人工智能方面的研究和應用人工智能方面的研究和應用機器人是計算機人工智能的典型例子。機器人的核心是機器人是計算機人工智能的典型例子。機器人的核心是計算機。第一代機器人是機械手；第二代機器人對外界信息計算機。第一代機器人是機械手；第二代機器人對外界信息能夠反饋，有一定的觸覺、視覺、

25、聽覺；第三代機器人是智能夠反饋，有一定的觸覺、視覺、聽覺；第三代機器人是智能機器人，具有感知和理解周圍環境，使用語言、推理、規能機器人，具有感知和理解周圍環境，使用語言、推理、規劃和操縱工具的技能，模仿人完成某些動作。機器人不怕疲劃和操縱工具的技能，模仿人完成某些動作。機器人不怕疲勞，精確度高，適應力強，現已開始用于搬運、噴漆、焊接、勞，精確度高，適應力強，現已開始用于搬運、噴漆、焊接、裝配等工作中。機器人還能代替人在危險環境中進行繁重的裝配等工作中。機器人還能代替人在危險環境中進行繁重的勞動，如在有放射線、污染、有毒、高溫、低溫、高壓、水勞動，如在有放射線、污染、有毒、高溫、低溫、高壓、水下

26、等環境中工作。下等環境中工作。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 6.多媒體技術應用多媒體技術應用隨著通信和計算機技術的發展，人們已經有隨著通信和計算機技術的發展，人們已經有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構成一種全新的媒體各種媒體綜合起來，構成一種全新的媒體“多多媒體媒體”(Multimedia)。在醫療、教育、商業、。在醫療、教育、商業、銀行、保險、行政管理、軍事、工業、廣播和出銀行、保險、行政管理、軍事、工業、廣播和出版等領域中，多媒體的應用發展很快。有關多媒版等領域中，多媒體的應用發展很快。有關多媒體應用的其他內容

27、詳見本書第體應用的其他內容詳見本書第8章。章。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 7.計算機網絡與通信計算機網絡與通信隨著網絡技術的發展，計算機的應用進一步深入隨著網絡技術的發展，計算機的應用進一步深入到社會的各行各業，通過高速的網絡實現數據與到社會的各行各業，通過高速的網絡實現數據與信息的查詢，高速通信服務信息的查詢，高速通信服務(電子郵件、電視電話、電子郵件、電視電話、電視會議、文檔傳輸電視會議、文檔傳輸)，電子教育，電子娛樂，電，電子教育，電子娛樂，電子購物子購物(通過網絡選看商品、辦理購物手續、質量通過網絡選看商品、辦理購物手續、質量投訴等投訴等)，遠程醫療和會診以及交通信息管理等。

28、，遠程醫療和會診以及交通信息管理等。計算機的應用將推動信息社會更快地向前發展。計算機的應用將推動信息社會更快地向前發展。2.1.4 計算機的應用計算機的應用 7.計算機網絡與通信計算機網絡與通信 利用通訊技術，可以將不同地理位置的計算機利用通訊技術，可以將不同地理位置的計算機互聯，可以實現世界范圍內的信息資源共享，并互聯，可以實現世界范圍內的信息資源共享，并能交互式地交流信息，這是傳統通信手段難以達能交互式地交流信息，這是傳統通信手段難以達到的。到的。Internet的建立和應用使世界變成了一個的建立和應用使世界變成了一個“地球村地球村”，它正在深刻地改變著我們的生活、，它正在深刻地改變著我們

29、的生活、學習和工作方式。學習和工作方式。2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢 1.巨型化巨型化由于多處理機結構和并行處理技術的采用，由于多處理機結構和并行處理技術的采用，具有超強功能的巨型機也取得了穩步發展。巨型具有超強功能的巨型機也取得了穩步發展。巨型化是指發展高速的、大存儲量和強大功能的巨型化是指發展高速的、大存儲量和強大功能的巨型計算機。巨型計算機主要應用于天文、氣象、地計算機。巨型計算機主要應用于天文、氣象、地質、核技術、航天飛機和衛星軌道計算等尖端科質、核技術、航天飛機和衛星軌道計算等尖端科學技術領域。巨型計算機的技術水平是一個國家學技術領域。巨型計算機的技術水平是一個國家科

30、學技術和工業發展水平的重要標志。科學技術和工業發展水平的重要標志。2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢 2.微型化微型化微型化是指利用微電子技術和超大規模集成電路技術，微型化是指利用微電子技術和超大規模集成電路技術，把計算機的體積進一步縮小，價格進一步降低。計算機的把計算機的體積進一步縮小，價格進一步降低。計算機的微型化已成為計算機發展的重要方向。各種筆記本式計算微型化已成為計算機發展的重要方向。各種筆記本式計算機和掌上計算機的大量面世和使用，是計算機微型化的一機和掌上計算機的大量面世和使用，是計算機微型化的一個標志。嵌入式系統通常將微小的計算機系統植入宿主設個標志。嵌入式系統通常將微

31、小的計算機系統植入宿主設備，此類計算機一般不被設備使用者注意。這是計算機的備，此類計算機一般不被設備使用者注意。這是計算機的微型化應用最多的領域，典型機型如微控制器、微處理器微型化應用最多的領域，典型機型如微控制器、微處理器和和DSP等。等。2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢 2.微型化微型化微型計算機也進入了大量的儀器、儀表、家微型計算機也進入了大量的儀器、儀表、家用電器等小型儀器設備中，同時也作為工業控制用電器等小型儀器設備中，同時也作為工業控制過程的心臟，使儀器設備實現過程的心臟，使儀器設備實現“智能化智能化”。隨著。隨著微電子技術的進一步發展，筆記本型、掌上型等微電子技術的進

32、一步發展，筆記本型、掌上型等微型計算機必將以更高的性能價格比受到人們的微型計算機必將以更高的性能價格比受到人們的歡迎。歡迎。2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢 3.網絡化網絡化網絡化是計算機發展的又一個趨勢。從單機網絡化是計算機發展的又一個趨勢。從單機走向聯網是計算機應用發展的必然結果。所謂計走向聯網是計算機應用發展的必然結果。所謂計算機網絡化，是指用現代通信技術和計算機技術算機網絡化，是指用現代通信技術和計算機技術把分布在不同地點的計算機互聯起來，組成一個把分布在不同地點的計算機互聯起來，組成一個規模更大、功能更強的可以互相通信的網絡結構。規模更大、功能更強的可以互相通信的網絡結構

33、。網絡化的目的是使網絡中的軟、硬件和數據等資網絡化的目的是使網絡中的軟、硬件和數據等資源能被網絡上的用戶所共享。源能被網絡上的用戶所共享。2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢 3.網絡化網絡化云是網絡、互聯網的一種比喻說法，是分布式計算、云是網絡、互聯網的一種比喻說法，是分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物。統計算機和網絡技術發展融合的產物。云計算云計算(Cloud Computing)作為一種新興的資源作為一種新興的資源使用和交付模式逐漸為學界和產業界所認知。中國云發展使用和交

34、付模式逐漸為學界和產業界所認知。中國云發展創新產業聯盟評價云計算為創新產業聯盟評價云計算為“信息時代商業模式上的創信息時代商業模式上的創新新”。繼個人計算機變革、互聯網變革之后，云計算被看。繼個人計算機變革、互聯網變革之后，云計算被看作第三次作第三次IT浪潮。浪潮。2.1.5 計算機的發展趨勢計算機的發展趨勢 4.智能化智能化智能化是指使計算機具有模擬人的感覺和思智能化是指使計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。智能計算機是目前正在研制的新維過程的能力。智能計算機是目前正在研制的新一代計算機之一。對智能化的研究包括模擬識別、一代計算機之一。對智能化的研究包括模擬識別、物形分析、自然語言的生成

35、和理解、博弈、定理物形分析、自然語言的生成和理解、博弈、定理自動證明、自動程序設計、專家系統、學習系統自動證明、自動程序設計、專家系統、學習系統和智能機器人等。目前已研制出多種具有人的部和智能機器人等。目前已研制出多種具有人的部分智能的機器人，可以代替人在一些特定的工作分智能的機器人，可以代替人在一些特定的工作崗位上工作。崗位上工作。2.2 計算機的工作原理計算機的工作原理2.2.1 馮馮諾依曼結構諾依曼結構2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU2.2.3 存儲器存儲器2.2.4 計算機的工作過程計算機的工作過程2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構 半個多世紀前，著名數學家、計

36、算機科學理半個多世紀前，著名數學家、計算機科學理論的奠基人之一馮論的奠基人之一馮諾依曼，對計算機的各個部諾依曼，對計算機的各個部件及其功能進行了明確的定義，并提出了以下三件及其功能進行了明確的定義，并提出了以下三條思想：由運算器、存儲器、控制器、輸入裝置條思想：由運算器、存儲器、控制器、輸入裝置和輸出裝置構成計算機系統；采用二進制表示數和輸出裝置構成計算機系統；采用二進制表示數據和命令；采用存儲程序方式，即將數據和命令據和命令；采用存儲程序方式，即將數據和命令存入存儲器中。存入存儲器中。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構1.計算機的基本結構計算機的基本結構計算機硬件應該包括運算器

37、、存儲器、控制計算機硬件應該包括運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五個基本部分。器、輸入設備和輸出設備五個基本部分。馮馮諾依曼計算機的基本組成諾依曼計算機的基本組成2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構1）輸入設備）輸入設備輸入設備的主要功能是把原始數據和處理這輸入設備的主要功能是把原始數據和處理這些數據的程序轉換為計算機能夠識別的二進制代些數據的程序轉換為計算機能夠識別的二進制代碼，通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中，供碼，通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中，供CPU調用和處理。常用的輸入設備有鼠標、鍵盤、調用和處理。常用的輸入設備有鼠標、鍵盤、掃描儀、數字化儀、數碼攝像機

38、、條形碼閱讀器、掃描儀、數字化儀、數碼攝像機、條形碼閱讀器、數碼相機和模數碼相機和模/數轉換器數轉換器(A/D)等。等。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構2）輸出設備）輸出設備輸出設備是指從計算機中輸出信息的設備。輸出設備是指從計算機中輸出信息的設備。它的功能是將計算機處理的數據、計算結果等內它的功能是將計算機處理的數據、計算結果等內部二進制信息轉換成人們習慣接受的信息形式部二進制信息轉換成人們習慣接受的信息形式(如如字符、圖形、聲音等字符、圖形、聲音等)，然后將其輸出。最常用的，然后將其輸出。最常用的輸出設備是顯示器、打印機和繪圖儀等。輸出設備是顯示器、打印機和繪圖儀等。輸入設

39、備和輸出設備合起來稱為外部設輸入設備和輸出設備合起來稱為外部設(I/O設備設備)，簡稱外設。，簡稱外設。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構3）存儲器）存儲器存儲器是計算機中用于存放程序和數據的部存儲器是計算機中用于存放程序和數據的部件。存儲器分為內存儲器和外存儲器兩大類，件。存儲器分為內存儲器和外存儲器兩大類， 簡簡稱內存和外存。內存儲器又稱為主存儲器，外存稱內存和外存。內存儲器又稱為主存儲器，外存儲器又稱為輔助存儲器。內存是存取速度快而容儲器又稱為輔助存儲器。內存是存取速度快而容量相對較小的一類存儲器；外存是存取速度較慢量相對較小的一類存儲器；外存是存取速度較慢而容量相對較大的

40、一類存儲器。而容量相對較大的一類存儲器。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構4）運算器）運算器運算器包括算術邏輯單元運算器包括算術邏輯單元(ALU)、累加器、標、累加器、標志寄存器、寄存器組等。算術邏輯單元是運算器的志寄存器、寄存器組等。算術邏輯單元是運算器的主要部件，完成指令系統所規定的各種算術運算和主要部件，完成指令系統所規定的各種算術運算和邏輯運算。標志寄存器也稱為程序狀態字寄存器，邏輯運算。標志寄存器也稱為程序狀態字寄存器，存放反映運算結果的各種特征，如有無進位、是否存放反映運算結果的各種特征，如有無進位、是否溢出等。寄存器組包括通用寄存器組和專用寄存器溢出等。寄存器組包括

41、通用寄存器組和專用寄存器組，前者為組，前者為CPU內部的高速數據暫存器，后者包括內部的高速數據暫存器，后者包括程序計數器、堆棧指示器、變址寄存器等。程序計數器、堆棧指示器、變址寄存器等。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構運算器的工作過程如下：運算器的工作過程如下：（1）從）從RAM(隨機存取器隨機存取器)中取出數據，存儲到運中取出數據，存儲到運算器的寄存器中；算器的寄存器中；（2）從控制器發出控制信號，決定進行何種運算）從控制器發出控制信號，決定進行何種運算(算術運算或邏輯運算算術運算或邏輯運算)；（3）運算器執行相應操作，將結果存儲到累加器）運算器執行相應操作，將結果存儲到累加

42、器中；中；（4）將最終運算結果存儲到）將最終運算結果存儲到RAM中，以備輸出。中，以備輸出。運算器工作過程示意圖運算器工作過程示意圖2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構 5）控制器）控制器控制器是整個計算機系統的控制中心，它指控制器是整個計算機系統的控制中心，它指揮計算機各部分協調工作，保證計算機按照預先揮計算機各部分協調工作，保證計算機按照預先規定的目標和步驟進行操作及處理。規定的目標和步驟進行操作及處理。控制器主要包括指令計數器、指令寄存器、控制器主要包括指令計數器、指令寄存器、指令譯碼器和控制信號發生器，主要完成指令的指令譯碼器和控制信號發生器，主要完成指令的翻譯，并產生各種

43、控制信號，執行相應的指令。翻譯，并產生各種控制信號，執行相應的指令。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構 控制器的作用是使整個計算機能夠自動地執行程序，并控制器的作用是使整個計算機能夠自動地執行程序，并控制計算機各功能部件協調一致地工作。控制器是指揮和控控制計算機各功能部件協調一致地工作。控制器是指揮和控制計算機各部件進行工作的制計算機各部件進行工作的“神經中樞神經中樞”，其工作過程如下：，其工作過程如下：（1）控制器從主存中按順序取出程序中的一條指令，并存）控制器從主存中按順序取出程序中的一條指令，并存儲到指令寄存器中；儲到指令寄存器中；（2）指令計數器加）指令計數器加1，指向下

44、一條指令的地址；，指向下一條指令的地址；（3）解釋該指令并形成數據地址，取出所需的數據；）解釋該指令并形成數據地址，取出所需的數據；（4）向其他功能部件發出執行該指令所需的各種時序控制）向其他功能部件發出執行該指令所需的各種時序控制信號；信號；（5）按順序從主存中取出下一條指令執行，如此循環，直）按順序從主存中取出下一條指令執行，如此循環，直到程序完成。到程序完成。控制器工作過程示意圖控制器工作過程示意圖2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構 通常把控制器和運算器合稱為中央處理器通常把控制器和運算器合稱為中央處理器(CPU，Central Processing Unit)，它是計，它

45、是計算機的核心部件，它的工作速度等性能對計算機的算機的核心部件，它的工作速度等性能對計算機的整體性能有決定性的影響。整體性能有決定性的影響。內存是內存是CPU可直接訪問的存儲器，是計算機中可直接訪問的存儲器，是計算機中的工作存儲器，即當前正在運行的程序與數據都必的工作存儲器，即當前正在運行的程序與數據都必須存放在內存中。計算機工作時，所執行的指令及須存放在內存中。計算機工作時，所執行的指令及操作數都是從內存中取出的，處理的結果也放在內操作數都是從內存中取出的，處理的結果也放在內存中。存中。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構2.采用二進制形式表示數據和指令采用二進制形式表示數據和指

46、令 在計算機中，所有數據都以二進制的形式表示。在計算機中，所有數據都以二進制的形式表示。二進制只有二進制只有“0”和和“1”兩個數字，便于用計算兩個數字，便于用計算機電子器件的截止和導通兩個狀態表示，實現比較機電子器件的截止和導通兩個狀態表示，實現比較容易。二進制運算規則簡單，可使計算機結構大為容易。二進制運算規則簡單，可使計算機結構大為簡化，運算速度大大提高。簡化，運算速度大大提高。 在計算機中，采用二進制數可以非常方便地實在計算機中，采用二進制數可以非常方便地實現各種算術運算和邏輯運算。現各種算術運算和邏輯運算。2.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構1）算術運算規則）算術運算規則

47、加法規則：加法規則：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10(向高位有進位向高位有進位)減法規則：減法規則：0-0=0；10-1=1(向高位借位向高位借位)；1-0=1；1-1=0乘法規則：乘法規則：00=0；01=0；10=0；11=1除法規則：除法規則：0/1=0；1/1=12.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構2）邏輯運算規則）邏輯運算規則邏輯與運算邏輯與運算(AND)：00=0；01=0；10=0；11=1邏輯或運算邏輯或運算(OR)：00=0；01=1；10=1；11=1邏輯非運算邏輯非運算(NOT)： =1 ； =0 邏輯異或運算邏輯異或運算(XOR)：0 0=0

48、；0 1=1；1 0=1；1 1=0邏輯異或運算即實現按位加的功能，只有當兩個邏輯值不邏輯異或運算即實現按位加的功能，只有當兩個邏輯值不相同時，結果才為相同時，結果才為1。012.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構3.采用存儲程序方式采用存儲程序方式所謂存儲程序原理，就是把程序和處理問題所所謂存儲程序原理，就是把程序和處理問題所需的數據都以二進制編碼形式預先按一定順序存放需的數據都以二進制編碼形式預先按一定順序存放到計算機存儲器里，計算機在運行程序時就能自動、到計算機存儲器里，計算機在運行程序時就能自動、連續地從存儲器中依次取出指令且執行，直到完成連續地從存儲器中依次取出指令且執行，

49、直到完成預定的任務。這是計算機能高速自動運行的基礎。預定的任務。這是計算機能高速自動運行的基礎。計算機的工作體現為執行程序，計算機功能的擴展計算機的工作體現為執行程序，計算機功能的擴展在很大程度上也體現為所存儲程序的擴展。計算機在很大程度上也體現為所存儲程序的擴展。計算機的許多具體工作方式也是由此派生的。的許多具體工作方式也是由此派生的。2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU1. CPU簡介簡介 CPU也稱中央處理器或微處理器。第一塊微也稱中央處理器或微處理器。第一塊微處理器是處理器是1971年由美國年由美國Intel公司生產的。在這公司生產的。在這之后，又出現了很多生產之后，又出現了很多

50、生產CPU芯片的廠家，產品芯片的廠家，產品性能也不斷提高，主要表現在：字長由最初的性能也不斷提高，主要表現在：字長由最初的4位位發展到今天的發展到今天的32位、位、64位；速度越來越快，主頻位；速度越來越快，主頻由不到由不到1MHz增加到現在的數增加到現在的數GHz；集成度越來；集成度越來越高，第一塊芯片集成了越高，第一塊芯片集成了2 200個晶體管，而現個晶體管，而現在集成在集成71億個晶體管的芯片已經問世。億個晶體管的芯片已經問世。2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU1993年，年，Intel公司推出了公司推出了32位微處理器芯片位微處理器芯片Pentium，它的外部數據總線為，它的

51、外部數據總線為64位，工作頻率為位，工作頻率為66200MHz，以后的，以后的Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium 和和Pentium 芯片也都是芯片也都是32位微處理器芯位微處理器芯片。片。CPU內核逐漸由單核向雙核、多核發展，主頻最高達內核逐漸由單核向雙核、多核發展，主頻最高達到到3 GHz以上。目前以上。目前Intel公司的主流產品有酷睿系列、公司的主流產品有酷睿系列、賽揚系列產品等，賽揚系列產品等，AMD公司目前的主流產品有羿龍、閃龍公司目前的主流產品有羿龍、閃龍和速龍系列等，上述產品占據了和速龍系列等，上述產品占據了85% 以上的市場份額。以上的市場份額。2

52、.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU 近幾年，我國也開始了微處理器的研發，目近幾年，我國也開始了微處理器的研發，目前研制成功的龍芯前研制成功的龍芯3主頻達到了主頻達到了1 GHz，具有低，具有低能耗、多核心等特點，已經應用于桌面網絡終端、能耗、多核心等特點，已經應用于桌面網絡終端、低端服務器、網絡防火墻、路由器、交換機、多低端服務器、網絡防火墻、路由器、交換機、多媒體網絡終端機等領域，并計劃以此構建高性能媒體網絡終端機等領域，并計劃以此構建高性能計算機集群系統。圖計算機集群系統。圖2-4 所示是一款所示是一款Intel酷睿酷睿i5四核四核CPU。Intel酷睿酷睿i5四核四核CPU2.2.

53、2 計算機的心臟計算機的心臟CPU2.高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（Cache）隨著隨著CPU主頻的不斷提高，主頻的不斷提高，CPU對對RAM的的存取速度變快了，而存取速度變快了，而RAM的響應速度相對而言變的響應速度相對而言變慢了，所以慢了，所以CPU大部分時間都在等待從大部分時間都在等待從RAM中獲中獲得數據，這樣就大大浪費了得數據，這樣就大大浪費了CPU資源。為協調二資源。為協調二者之間的速度差，引入了者之間的速度差，引入了Cache技術。技術。2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU Cache通常采用與通常采用與CPU速度較接近的速度較接近的RAM。其。其實現方法是：當用戶啟動一

54、個任務時，計算機預測實現方法是：當用戶啟動一個任務時，計算機預測CPU可能需要執行哪些程序或要處理哪些數據，并將可能需要執行哪些程序或要處理哪些數據，并將當前要執行的程序和要處理的數據復制到當前要執行的程序和要處理的數據復制到Cache中；中；CPU在讀寫時，首先訪問在讀寫時，首先訪問Cache，如果，如果Cache中有中有數據，數據，CPU就從就從Cache中取而不再到中取而不再到RAM中去取。中去取。從這一點可以看出，從這一點可以看出，Cache越大，處理的速度越快。越大，處理的速度越快。因此，因此，Cache相當于內存與相當于內存與CPU之間的適配器。之間的適配器。2.2.2 計算機的心

55、臟計算機的心臟CPU2.高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（Cache）緩存容量的大小對計算機性能有著很大的影響，高速緩緩存容量的大小對計算機性能有著很大的影響，高速緩存一般分為一級緩存（即存一般分為一級緩存（即L1 Cache）和二級緩存（即）和二級緩存（即L2 Cache）。）。CPU在運行時首先從一級緩存讀取數據，其在運行時首先從一級緩存讀取數據，其次從二級緩存讀取數據，然后從內存和虛擬內存讀取數據，次從二級緩存讀取數據，然后從內存和虛擬內存讀取數據，因此，高速緩存的容量和速度直接影響到因此，高速緩存的容量和速度直接影響到CPU的工作性能。的工作性能。 目前，一級緩存一般為目前，一級緩存一般

56、為64128 KB，二級緩存為，二級緩存為13 MB。面向高端服務器的。面向高端服務器的CPU還可能設有三級緩存，還可能設有三級緩存，其容量大小一般為其容量大小一般為816 MB。2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU3.CPU執行的指令執行的指令1）指令）指令計算機執行某種操作的命令稱為指令。計算機按照一計算機執行某種操作的命令稱為指令。計算機按照一定的指令序列去工作，通常一條指令對應一種基本操作。定的指令序列去工作，通常一條指令對應一種基本操作。 指令的操作碼表示該指令應進行什么性質的操作，組成指令的操作碼表示該指令應進行什么性質的操作，組成操作碼的位數一般取決于計算機指令系統的規模。

57、地址碼給操作碼的位數一般取決于計算機指令系統的規模。地址碼給出了需要處理的數據或數據的地址。出了需要處理的數據或數據的地址。2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU3.CPU執行的指令執行的指令2）指令集）指令集一臺計算機中所有機器指令的集合稱為這臺計算機的一臺計算機中所有機器指令的集合稱為這臺計算機的指令集，也稱指令系統。指令系統是表征一臺計算機性能指令集，也稱指令系統。指令系統是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接與機器的硬件結構的重要因素，它的格式與功能不僅直接與機器的硬件結構關聯，而且直接影響到系統軟件，也影響到機器的使用范關聯，而且直接影響到系統軟件，也影響到機器的

58、使用范圍。圍。系列計算機是指基本指令系統相同、基本體系結構相系列計算機是指基本指令系統相同、基本體系結構相同的計算機。同一系列的各機型有共同的指令集，而且新同的計算機。同一系列的各機型有共同的指令集，而且新推出的機型的指令系統一定包含所有舊機型的全部指令，推出的機型的指令系統一定包含所有舊機型的全部指令，即實現向下兼容。即實現向下兼容。2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU3.CPU執行的指令執行的指令 3）指令集的風格）指令集的風格 基于復雜指令集基于復雜指令集CPU的計算機被稱為復雜指的計算機被稱為復雜指令集計算機令集計算機(CISC，Complex Instruction Set C

59、omputer)， 基于精簡指令集基于精簡指令集CPU的計算機被稱為精簡指的計算機被稱為精簡指令集計算機令集計算機(RISC，Reduced Instruction Set Computer)。RISC的主要優點的主要優點優優 點點說說 明明快快提高處理器運算速度提高處理器運算速度省省降低設計成本降低設計成本可靠可靠提高處理器的可靠性和可測試性提高處理器的可靠性和可測試性易實現易實現使控制器簡單，從而使集成電路的設計和驗證更使控制器簡單，從而使集成電路的設計和驗證更容易容易好優化好優化能與編譯技術較好匹配，有效支持高級語言實現，能與編譯技術較好匹配，有效支持高級語言實現，易于實現優化編譯易于實

60、現優化編譯2.2.2 計算機的心臟計算機的心臟CPU3.CPU執行的指令執行的指令4）指令周期）指令周期指令周期是取出并執行一條指令的時間。由于各種指指令周期是取出并執行一條指令的時間。由于各種指令的操作功能不同，有的簡單，有的復雜，因此，各種指令的操作功能不同，有的簡單，有的復雜，因此，各種指令的指令周期是不盡相同的。令的指令周期是不盡相同的。指令周期常常用若干個指令周期常常用若干個CPU周期數來表示。周期數來表示。CPU周期周期也稱為機器周期。通常用從內存中讀取一個指令字的最短也稱為機器周期。通常用從內存中讀取一個指令字的最短時間來規定時間來規定CPU周期。一個周期。一個CPU周期又包含若