第一章 计算机硬件组成基础知识

第一章  计算机硬件组成基础知识 【学习要点】 ● 计算机发展史、分类与特点 ● 计算机的运算基础 ● 计算机的硬件组成 【学习目标】 ● 了解计算机发展史、分类与特点 ● 了解计算机的特点及分类 ● 了解计算机的硬件组成 第一节  计算机发展史、分类与特点 一、从微电子器件的发展看电子计算机发展史 （一）微电子器件的发展 1、电子管 1904年英国电气工程师弗莱明（J.Fleming）研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡——“热离子阀”，从而催生了世界上第一只电子管，也就是人们所说的真空二极管。 1906年，为了提高真空二极管检波灵敏度，德·福雷斯特在弗莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网，形成第三个极。这个“栅极”就像百叶窗那样，能控制阴极与屏极之间的电子流；只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致，标志着这是一种能够起放大作用的真空三极管器件。直到真空三极管的发明后，电子管才成为实用的器件。它的诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。人们不久还发现，真空三极管除了可以处于放大状态外，还可充当开关器件，其速度要比继电器快成千上万倍。电子管很快受到计算机研制者的青睐，计算机的历史也由此跨进电子的纪元。 2、晶体管 二战结束后，贝尔实验室的科学家肖克利（W.Shockley） 、布拉顿（W. Brattain）和巴丁（J.Bardeen） 把目光集中在具有半导体特性的晶体。肖克利提出了研究框架，巴丁熟知固体物理学理论，布拉顿最擅长实验操作，三位科学家珠联璧合。1947年12月23日，布拉顿和巴丁用实验证明，只要两根金属丝在半导体上的接触点距离小于0.4毫米， 就可能引起放大效果。当他们用一些金箔、一些半导体材料和一个弯曲的别针来展示他们的新发现时，代表数字化革命的一种新的器件诞生了。这种器件被他们命名为“晶体管”。不久，各种型号的晶体管纷纷涌现，不仅能替代电子管整流、检波和放大，而且比电子管体积小、寿命长、不发热、耗电省。为此，肖克利、布拉顿和巴丁分享了1956年诺贝尔物理奖。 3、集成电路 1959年，以诺依斯为首的仙童（Fairchild）半导体公司，提出了利用他们已成熟的半导体平面处理技术在硅芯片上集成几百个，乃至成千上万个晶体管这一闪光的设想。 几乎在同一时期，德克萨斯仪器公司（TI）的青年研究人员基尔比（J. kilby）也想到了类似的技术创意。他成功地把晶体管、电阻和电容等集成在微小的平板上，用热焊方式把元件以极细的导线互连，在不超过4平方毫米的面积上，大约集成了20余个元件。1959年2月6日， 基尔比向美国专利局申报专利，这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此被命名为“集成电路”（IC）。 1959年7月30日， 仙童公司采用先进的平面处理技术研制出集成电路，也申请到一项发明专利。 基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年，美国联邦法院最后从法律上承认了集成电路是一项“同时的发明”。至此而后，集成电路迅速把计算机推上高速成长的快车道。 （二）计算机的发展史 1、电子管计算机时代（从1946年第一台计算机研制成功到50年代后期） 电子计算机的主要特点是使用电子管作为逻辑元件。它的五个基本部分为运算器，控制器，存储器，输入器和输出器。运算器和控制器采用电子管，存储器采用电子管和延迟线，这一代计算机的一切操作，包括输入，输出在内，都由中央处理机集中控制。这种计算机主要用于科学技术方面的计算。 IBM 700系列计算机 从1953年起，美国的IBM公司开始批量生产应用于科研的大型计算机IBM 700系列，从此电子计算机走上了工业生产阶段。 2、晶体管计算机时代（从50年代中期到60年代后期） 在20世纪50年代之前，计算机都采用电子管作元件。电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小，重量轻，寿命长，效率高，发热少，功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易实现了。 用晶体管制造的计算机标志着计算机发展进入了第二代。 3、中、小规模集成电路计算机时代（从60年代中期到70年代前期） 集成电路的发明和应用标志着计算机进入了第三代，由于采用集成电路，计算速度提高到几十万次，甚至上千万次，内存容量达几百K，结构实现了积木化，磁芯存储器被大规模集成电路的半导体存储器取代。因而一台大型机就成为一个计算中心，中间为中央处理机，左边为打印机，右边是内存储器和外存储器，桌上的终端设备可对存储器的信息作检查或更改，并有控制整个计算机系统的功能。 计算机开始普及到商业管理领域，自动控制行业和科学单位等。 4、大、超大规模集成电路（LSI、VLSI）计算机时代（70年代初到至今） 进入20世纪60年代后，微电子技术发展迅猛。在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路，并立即在电子计算机上得到了应用。由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，就被称为第四代电子计算机。 （三）摩尔定律 1965年，Intel公司的创办人之一摩尔发现了一个具有历史意义的现象（摩尔定律）：“在相等面积（制作成本）上，CPU上的晶体管数量以每12-18个月倍增的趋势增加，执行性能的提升大体也符合这个趋势。” 当摩尔提出摩尔定律时，集成电路问世刚刚6年。他所在的实验室也只能将50个晶体管和电阻集成在一个芯片上。摩尔当时的预测非常具有前瞻性。在计算机的发展过程中，在摩尔定律提出后的40年中，不断有专家认为芯片集成的速度已经达到极限。不过事实证明，摩尔的预言总是准确的。尽管翻一番的周期已经从最初的12个月增加到了如今的18个月，但“摩尔定律”依然有效。 “摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。这40年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。 二、计算机发展过程中的重要里程碑 （一）第一台电子数字计算机ENIAC  举世公认的第一台电子计算机ENIAC， 诞生在战火纷飞的二次世界大战，它的“出生地”是美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场。 当时弹道表由人工计算，不仅效率低还经常出错。参加试验的宾夕法尼亚大学莫尔学院的两位青年学者——36岁 副教授莫契利（J. Mauchiy）和24岁的工程师埃克特（P.Eckert），向负责试验的军官戈德斯坦提交了一份研制电子计算机的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ——“高速电子管计算装置的使用”，他们建议用电子管作为主要元件，制造一台前所未有的计算机，把弹道计算的效率提高成百上千倍。他们的建议被军方采纳并建立了一个包括30余名物理学家、数学家和工程师的莫尔学院研制小组，莫契利是总设计师，主持机器的总体设计； 埃克特是总工程师，负责解决复杂而困难的工程技术问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ；勃克斯则作为逻辑学家，为计算机设计乘法器等大型逻辑元件。 直到1946年2月14日，世界上第一台电子计算机才研制成功。 这台机器的名字叫“ENIAC”（埃尼阿克），即“电子数值积分和计算机” 的英文缩写。埃尼阿克共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。这台耗电量为140千瓦的计算机，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法，比机械式的继电器计算机快1000倍。当“埃尼阿克”公开展出时，一条炮弹的轨道用20秒种就能算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。 “埃尼阿克”的成功，是计算机发展史上的一座纪念碑，是人类在发展计算技术的历程中，到达的一个新的起点。 标志着电子计算机的创世，人类社会从此大步迈进了电脑时代的门槛。 （二）存储程序概念的提出 美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John Von Naumann）提出了“存储程序控制计算机结构”，奠定了现代计算机的体系结构。 从1940年起，冯·诺依曼就是阿贝丁试炮场的顾问，当莫尔学院开始研制ENIAC机器不久，冯· 诺依曼就成为了莫尔小组的实际顾问，与小组成员频繁地交换意见。年轻人机敏地提出各种设想，冯·诺依曼则运用他渊博的学识，把讨论引向深入，并逐步形成电子计算机的系统设计思想。在ENIAC尚未投入运行前，冯·诺依曼就看出这台机器致命的缺陷，主要弊端是程序与计算两分离。程序指令存放在机器的外部电路里，需要计算某个题目，必须首先用人工接通数百条线路，需要几十人干好几天之后，才可进行几分钟运算。冯·诺依曼决定起草一份新的设计报告，对电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”，英文缩写是“EDVAC”。1945年6月，冯 ·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人，联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件，并用二进制替代十进制运算。EDVAC方案的革命意义在于“存储程序”，以便电脑自动依次执行指令。人们后来把这种“存储程序”体系结构的机器统称为“诺依曼机”。 （三）第一台带有存储程序结构的电子计算机 最早问世的内储程序式计算机却不是EDVAC，英国剑桥大学威尔克斯（M.Wilkes）教授，抢在冯·诺依曼之前捷足先登。 威尔克斯1946年曾到宾夕法尼亚大学参加冯·诺依曼主持的 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 班，完全接受了冯· 诺依曼内储程序的设计思想。回国后，他立即抓紧时间，主持新型电脑的研制，并于1949 年5月，制成了一台由3000只电子管为主要元件的计算机，命名为“EDSAC”（电子储存程序计算机）。威尔克斯后来还摘取了1967年度计算机世界最高奖——“图林奖”。 随后，在1952年1月，由冯·诺伊曼设计的IAS电子计算机问世。终于使诺伊曼的设想在这台机器上得到了圆满的体现。这台IAS计算机总共只采用了2300个电子管，但运算速度却比拥有18000个电子管的ENIAC“埃尼阿克”提高了10倍。 （四）晶体管计算机的诞生 1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。 1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。由于第 二代计算机采用晶体管逻辑元件，及快速磁芯存储器，计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千提高到10万以上。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM 7090。1958~1964年，晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程。从印刷电路板到单元电路和随机存储器，从运算理论到程序设计语言，不断的革新使晶体管电子计算机日臻完善。 （五）第三代计算机的的标志性产品IBM360系列计算机（图1-1） 图1-1  IBM360系列计算机 360系统主设计师是年仅40岁的吉恩·阿姆达尔（G. Amdahl），才华横溢，曾出色地主持过IBM704和IBM709等机器的设计工程。阿姆达尔提出了一种全新的思路：IBM360必须是一种“兼容性”的产品，意味着大中小型360系统电脑， 都能用相同方式处理相同的指令，享用相同的软件，配置相同的外部设备，而且能够相互连接在一起工作。“兼容性”是一个伟大的观念变革，它给现代电脑发展带来的技术进步，至今还在发挥巨大作用。 IBM360共有6个型号的大、中、小型电脑和44种新式的配套设备， 从功能较弱的360/51型小型机，到功能超过51型500倍的360/91型大型机，都是清一色的“兼容机”。360系列取得了难以置信的成功，成为第三代电脑的标志性产品。5年之内，IBM360系统共售出32300台，创造了电脑销售的奇迹。不久，与360电脑兼容的IBM370接踵而至，其中最高档的370/168机型，运算速度已达到每秒250万次。 （六）使用超大规模集成电路的第四代计算机 美国ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。IBM公司的370系列、43XX、30XX、ES-9000系列、克雷公司的Cray系列巨型机、日本富士通公司生产出M系列，是比较有代表性的第四代计算机。  （七）第一只微处理器的出现 1971年1月，世界上第一只微处理器，即芯片4004问世。它的发明人是Intel公司年仅34岁的霍夫，4004处理器一次可对4个二进制数进行运算，它的功能相当于一台“埃尼阿克”计算机，与1950年时像房子那样大的电路板功能差不多。4004芯片上集成了2250个晶体管。人们首次实现了这样一种设想：仅用一块芯片来承担中央处理器的全部功能。 此后不久，以微处理器为核心的电子计算机——微型计算机随之出现，形成了计算机技术发展史上的又一次革命。 （八）个人计算机的新纪元 如果要把计算机短暂的历史划分为两个不同的阶段，那么，1981年无疑是个分界线。这一年，IBM公司推出了它的个人电脑，人类社会从此跨进个人电脑新纪元。 1980年IBM公司在迈阿密附近的海滨小镇博卡雷顿， 建立一个“国际象棋”专案小组，“国际象棋”（Chess）是IBM个人电脑研制项目的秘密代号。博卡雷顿实验室13名思想活跃的精干员工组成设计小组，技术负责人是唐·埃斯特奇（D.Estridge）。埃斯特奇小组认识到， 要在一年内开发出能迅速普及的微型电脑，IBM必须实行“开放”政策。他们决定采用英特尔8088微处理器作为该电脑的中枢，同时委托独立软件公司为它配置各种软件。经反复斟酌，IBM公司决定把新机器命名为“个人电脑”，即IBM PC。 在整整一年时间里，埃斯特奇领导“国际象棋”13人小组奋力攻关，开发出影响电脑发展前途的IBM PC个人电脑， 并推出IBM PC/XT和IBM PC/AT等后续产品，使其成为个人电脑事实上的行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBM PC个人电脑出世，个人电脑以前所未有的广度和速度面向大众普及。 小结： 世界上第一台电子数字式计算机ENIAC于1946年2月15日诞生在美国宾夕法尼亚大学。它奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元，标志着人类第三次产业革命的开始。 ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。 在推动计算机发展的众多因素中，电子元器件的发展起着决定性的作用，计算机系统结构和计算机软件技术的发展也起了重大的作用。从生产计算机的主要技术来看，计算机的发展过程可以划分为四个阶段，如表1-1所示。 表1-1  计算机发展历程 发展阶段 时间 电子 元器件 存储器 内存 容量 运算速度 软件 第一代 1946年— 1958年 电子管 内存采用水银延迟线；外存采用磁鼓、纸带、卡片等 几千 字节 每秒几千次到几万次基本运算 机器语言、汇编语言 第二代 1958年— 1964年 晶体管 磁芯、磁盘、磁带等 几十万 字节 每秒几十万次基本运算 FORTRAN、 ALGOL-60、 COBOL 第三代 1964年— 1975年 集成电路 半导体存储器 几百K 字节 每秒几十万到几百万次基本运算 操作系统逐渐 成熟 第四代 1975年至今 大规模集 成电路 集成度很高的半导体 存储器 几百兆 字节 每秒几百万次甚至上亿次基本运算 数据库系统、分 布式操作系统等，应用软件的开发 三、计算机特点与分类 计算机技术的迅猛发展，促使人类走向丰富多彩的信息社会。信息时代的生产方式和生活方式具有数字化、集成化、智能化、移动化、个性化等特点。 （一）计算机的分类 按照1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法，计算机可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型计算机和网络计算机。 1、巨型机 巨型机又称超级计算机，是所有计算机类型中价格最贵、功能最强的一类计算机，其浮点运算速度已达每秒万亿次。用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等方面。这类计算机在技术上朝两个方向发展：一是开发高性能器件，特别是缩短时钟周期，提高单机性能；二是采用多处理器结构，构成超并行计算机，通常由100台以上的处理器组成超并行巨型计算机系统，它们同时解算一个课题，来达到高速运算的目的。美国、日本是生产巨型机的主要国家，俄罗斯及英国、法国、德国次之。我国在1983年、1992年、1997年分别推出了银河Ⅰ、银河Ⅱ和银河III，进入了生产巨型机的行列。 2、大型通用机 大型通用机相当于国内常说的大型机和中型机，国外习惯上称为主机。近年来大型机采用了多处理、并行处理等技术，其内存一般为1GB以上，运行速度可达300～750MIPC（每秒执行3亿至7.5亿条指令）。大型机具有很强的管理和处理数据的能力，一般在大企业、银行、高校和科研院所等单位使用。 3、小型机 小型机的机器规模小、结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。它们已广泛应用于工业自动控制、大型 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。近年来，小型机的发展也引人注目，特别是出现了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）体系结构。 RISC的思想是把那些很少使用的复杂指令用子程序来取代，将整个指令系统限制在数量甚少的基本指令范围内，并且绝大多数指令的执行都只占一个时钟周期，甚至更少，优化编译器，从而提高机器的整体性能。 4、微型机 微型机技术在近十年内发展迅猛，更新换代快。微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统，多媒体技术等领域，并且开始成为城镇家庭的一种常规电器。现在除了台式微型机外，还有膝上型、笔记本、掌上型、手表型等微型机。 5、工作站 工作站是一种高档微型机系统。它具有较高的运算速度，具有大型机或小型机的多任务、多用户能力，且兼有微型机的操作便利和良好的人机界面。其最突出的特点是具有很强的图形交互能力，因此在工程领域特别是计算机辅助设计领域得到迅速应用。典型产品有美国Sun公司的Sun系列工作站。 6、网络计算机 专为计算机网络作为客户机使用的计算机，简称NC，它是在互联网充分普及和Java语言推出的情况下提出的一种全新概念的计算机。根据IBM、Oracle和Sun公司共同制定的网络计算机参考标准，NC是一种使用基于Java技术的瘦客户机系统，它提供了一个混合系统，在这个混合系统中，根据不同的应用建立方式，某些应用在服务器上执行，某些应用在客户机上执行。 （二）计算机的发展趋势 未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。 1、巨型化 巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。目前正在研制的巨型计算机其运算速度可达每秒百亿次。 2、微型化 微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。 3、网络化 随着计算机应用的深入，特别是家用计算机越来越普及，一方面希望众多用户能共享信息资源，另一方面也希望各计算机之间能互相传递信息进行通信。 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。 4、智能化 计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上。智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机，将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。 现在，世界已进入了计算机时代。计算机的发展趋势是向“两极”分化。一极是微型机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。一极则是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。