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1、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、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，每秒 5000次 加法。 第一代 電子管時代 (1946-1958) 耗
2、電高，體積大，定點(diǎn)計(jì)算，機(jī)器語言，匯編 語言 第二代 晶體管時代 (1958-1965) 變集中處理為分級處理，浮點(diǎn)運(yùn)算、高級語言 第三代 中小規(guī)模集成電路時代 (1965-1970) 存儲容量大，運(yùn)算速度快，幾十至幾百萬次 /秒 第四代 大規(guī)模集成電路時代 (1971至今 ) 向大型機(jī)和微型機(jī)兩個方向發(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 1.4萬億次， 9千個 CPU組成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,國產(chǎn)銀河 I, 銀河 II, 銀河 III 小巨型機(jī) 功能同巨型機(jī)相近，價格相對便宜，發(fā)展十分迅速 美國
3、 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) 個人或家庭使用， PC機(jī) /個人計(jì)算機(jī)，價格低廉 計(jì)算機(jī)的六大分類 1.1 微電子器件的發(fā)展 代 發(fā)表 年份 字長 (bits) 型號 線寬 (m) 晶體管數(shù) (萬個 ) 時鐘頻率 (MHz) 速
4、度 (MIPS) 一 1971 1972 4 8 4004 8008 50 0.2 0.3 1 0.05 二 1974 8 8080 20 0.5 2-4 0.5 三 1978 1982 16 8086/8088 80286 2-3 2.9 13.4 4.77-10 8-16 300 七 2002 ？ 64 Itanium 0.13 CPU:2.5K Cache:30K 800(20條指令 /時鐘周期 ) 3000 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，美國化 學(xué)家戈登 摩爾提出每隔 18至 24個月，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候，
5、恐怕自己都想不到會對 現(xiàn)在這個時代產(chǎn)生如此大的影響，因?yàn)楦甑?摩爾所處的時代， 石油和煤炭依然是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動力，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年的時間冼禮，其間 它像一雙無形的臂膀，推動著 IT產(chǎn)業(yè)不斷地向前發(fā)展一一每個芯 片上集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)增長了 18000倍，由 1971年的 2300個 增長到了今天 Pellet 4芯片的 4200萬個。 一個高大的“陰影”始終彌漫在英特爾這家半導(dǎo)體領(lǐng) 域利潤最高的公司之中，籠罩著整個半導(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
6、印象是一個產(chǎn) 生興奮的地方，好萊塢只能把夢想做到銀幕上，而微軟和 intel的聯(lián)盟把銀幕上的夢變成了人們生活的一部分。于是， 在那個時候，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，不再是一個夢想的一部分，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)勢也要突出主頻優(yōu)勢，完全背離了用戶，背離了 應(yīng)用。 在科技界存在的一個眾所周知的事實(shí)，那就是任何試 圖突破“摩爾定律”的行動最終都以失敗告終。企業(yè)每年在 該領(lǐng)域的嘗試至少達(dá)到
7、 1000多次，如 rilogy Systems和 MicroUnity的超級芯片試驗(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，成千上萬家 追崇“摩爾定律”的企業(yè)最終都退出了這場“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?！澳?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， 網(wǎng)絡(luò)市場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?律的提出者戈登 摩爾是英特爾的創(chuàng)始人之一，更因?yàn)橛⑻?爾在芯片
8、技術(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，仍 然是用技術(shù)說話。 2004年 11月 26日，美國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：“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、同時不增加耗電量的芯片”。 對于這項(xiàng)技術(shù)所帶來的影響，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
9、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，父親是一個銀行家， 家境富裕，十分注意對孩子的教育。馮 諾依曼從小聰穎過人，興趣 廣泛，讀書過目不忘。據(jù)說他一生掌握了七種語言， 6歲時就能用 古希臘語同父親閑談，其中最擅長德語。他對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，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)克特老師的個別指導(dǎo)下，兩人合 作發(fā)表了第一篇數(shù)學(xué)論文，此時馮 諾依曼還不到 18歲。 1921年至
10、1923年在蘇黎世大學(xué)學(xué)習(xí)。在 1926年以優(yōu)異的成績獲得了布達(dá)佩斯 大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位，此時馮 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。，是美國國家科學(xué)院、秘魯國立自然科學(xué)院和意大利國立林 且學(xué)院等院的院土。 1954年他任美國原子能委員會委員； 1951年至 1953年任美國數(shù)學(xué)會主席。 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)
11、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，他們在共同討論的基礎(chǔ)上，發(fā)表 了一個全新的“存儲程序通用電子計(jì)算機(jī)方案” EDVAC （ ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer的縮寫） EDVAC方案明確奠定了新機(jī)器由五個部分組成，包括：運(yùn)算器、 邏輯控制裝置、存儲器、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 立了存儲程序，指令和數(shù)據(jù)便可一起放在存儲器里，并作同樣處 理簡化了計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，大大提高了計(jì)算機(jī)的速
12、度 1946年 7， 8月間，馮 諾依曼和戈?duì)柕滤雇ⅰ⒉怂乖?EDVAC方案的基礎(chǔ)上， 為普林斯頓大學(xué)高級研究所研制 IAS計(jì)算機(jī)時，又提出了一個更 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 心就是有存儲程序。 輸 入 設(shè) 備 控制器 輸 出 設(shè) 備 CPU 存儲器 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. 先將程序存入存儲器中，再由控制器自動讀取并執(zhí)行 1.3 基本原理和工作過程
13、 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)一起存儲在存儲器中 ， 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 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 /輸出接口簡稱 I/O接口 ) 各部
14、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 用來實(shí)現(xiàn)指令的自動裝入和自動執(zhí)行， 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身的自動化。 地址信號 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 控制信號 ALU ALU 控制器 總線 總線是連接多個功能部件的一組公共信號線 微機(jī)中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸 總線 BUS 存 儲 器 I/O 接 口 輸 入 設(shè) 備 I/O 接 口 輸 出 設(shè) 備 CPU 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
15、息的不同，總線可分為 ： （ 1）數(shù)據(jù)總線（ DB）：用來傳送數(shù)據(jù)信息， 它主要連接了 CPU與各個部件，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器。 通常地址總線是單向的。 （ 3）控制總線（ CB）：用來傳送控制信號，以 協(xié)調(diào)各部件之間的操作。 內(nèi)存 內(nèi)存是存儲程序和數(shù)據(jù)的部件 ， 由地址譯碼器 、 內(nèi)存單元等構(gòu)成 。 n根 C P U 地址線 AB 數(shù)據(jù)線 DB 控制線 CB 地 址 譯 碼 器 11001100 00110011 10101010 1111
16、0000 10001000 地址 00.0000 地址 00.0001 地址 00.0010 地址 00.0011 地址 111111 內(nèi)存結(jié)構(gòu)示意圖 外設(shè)和輸入 /輸出接口 （ I/O接口 ） 外設(shè)的電信號 、 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
17、印機(jī) 并行接口 音箱、麥可風(fēng) 聲卡 IDE2 Pentium III 北橋 440BX 南橋 PIIX4E CMOS & RTC USB 超級 I/O IDE1 COM1 COM2 LPT1 L1Cache L2 Cache PCI 插槽 ISA 插槽 內(nèi)存條 ROM BIOS 顯 示 器 硬盤 光驅(qū) 軟驅(qū) 鍵盤鼠標(biāo) 打印機(jī) MODEM 顯卡 表 1.2 PC機(jī)系列發(fā)展表 1.2.1 微型計(jì)算機(jī)的基本配置 表 1.2 PC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)器語言 機(jī)器語言是指機(jī)器能直接識別的語言，它是由 “ 1” 和 “ 0”組成的一組代碼指令。例如， 01001001，作為機(jī)器
18、 語言指令，可能表示將某兩個數(shù)相加。由于機(jī)器語言比較 難記，所以基本上不能用來編寫程序。 匯編語言 匯 編語言是由一組與機(jī)器語言指令一一對應(yīng)的符號指 令和簡單語法組成的。例如， “ ADD A， B”可能表示將 A 與 B相加后存入 B中，它可能與上例機(jī)器語言指令 01001001 直接對應(yīng)。匯編語言程序要由一種 “ 翻譯 ” 程序來將它翻 譯為機(jī)器語言程序，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。 高級語言 高級語言比較接近日常用語，對機(jī)器依賴性低，是適 用于各種機(jī)器的計(jì)算機(jī)
19、語言。目前，高級語言已發(fā)明出數(shù) 十種，下面介紹常用的幾種，如表 名 稱 功 能 BASIC語言 一種最簡單易學(xué)的計(jì)算機(jī)高級語言，許多人學(xué)習(xí)基本的程序 設(shè)計(jì)就是從它開始的。新開發(fā)的 Visual Basic具有很強(qiáng)的可 視化設(shè)計(jì)功能，是重要的多媒體編程工具語言 FORTRAN語言 一種非常適合于工程設(shè)計(jì)計(jì)算的語言，它已經(jīng)具有相當(dāng)完善的工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序庫和工程應(yīng)用軟件 C語言 一種具有很高靈活性的高級語言，它適合于各種應(yīng)用場合，所以應(yīng)用非常廣泛 Java語言 這是近幾年才發(fā)展起來的一種新的高級語言。它適應(yīng)了當(dāng)前 高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，非常適合用作交互式多媒體應(yīng)用的編 程。它簡單、性能高、安全性好、可
20、移植性強(qiáng) 微型計(jì)算機(jī)的工作過程 CPU進(jìn)行簡單的算術(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作 ， 也稱為 CPU的操作 。 用微型計(jì)算機(jī)求解 “ 7+10=?”這樣一個極 為簡單的問題 ， 必須利用指令告訴計(jì)算機(jī)該做 的每一個步驟 ， 先做什么 ， 后做什么 。 具體步 驟就是： 7AL AL+10AL 其含義就是把 7這個數(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) 能夠直接識別并執(zhí)行的程序如下： 10110000 00000111 第一條指令 00000100 00001010 第二條指令 11110100 第三條指令 利用助記符加上操作數(shù)來表示指令 就方便得多了 。 上面的程序可寫成： MOVAL， 7 ADDAL， 10 HLT 程序中第一條指令將 7放在 AL中； 第二條指令將 AL中 7加上 10并將相加之 和放在 AL中；第三條指令是停機(jī)指令 。 當(dāng)順序執(zhí)行完上述指令時 ， AL中就存放 著要求的結(jié)果 。 1.2.3 微型計(jì)算機(jī)的指令流程 1 程序計(jì)數(shù)器 地址寄存器 地 址 譯 碼 器 00111110 存儲器單元 11010011 地址寄存器 地址寄存器 地址寄存器 地址寄存器 算術(shù)邏輯 運(yùn)算單元 讀寫控制線 控制總線
計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)
