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第2章计算机硬件系统计算机基础教程第2章计算机硬件系统•2.1计算机系统的特点、应用及分类•2.1.1计算机的发展历程•可以把计算机的发展划分为大型机时代和微型机时代。第2章计算机硬件系统•1．大型计算机时代•（1）第一

代计算机（1946年～1957年）•1）主要元器件是电子管。•2）运算速度为每秒几千次到几万次，内存容量仅为1000～4000字节。•3）主要用于军事和科学研究。•4）体积庞大，造价昂贵，速度低，存储容量小，可靠性差，不易掌握，维护困难。•

5）代表机型为UNIVAC-I。第2章计算机硬件系统•（2）第二代计算机（1958年～1964年）•1）主要元器件采用晶体管，内存储器主要采用磁芯，外存储器主要采用磁盘。•2）运算速度提高到每秒几十万次，内存容量扩大到几十万字节

。•3）应用已扩展到数据处理和事务处理。•4）体积减小，重量减轻，耗电量减小，速度加快，可靠性增强，工作稳定。•5）代表机型为IBM-7000系列机。第2章计算机硬件系统•（3）第三代计算机（1965年～1970年）

•1）主要逻辑元件采用小规模集成电路（SSI）和中规模集成电路（MSI）。•2）主要用于科学计算、数据处理以及过程控制；在程序设计技术方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。•3）功耗、体积、价格等进一步下降，而运算速度和可靠性相应地

提高。•4）代表机型为IBM-360系列机。第2章计算机硬件系统•（4）第四代计算机（1971年至今）•1）主要元器件采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI），使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。•2）运

算速度可达每秒几百万次至上亿次。•3）应用领域不断向社会各个方面渗透。•4）代表机型有：IBM4300、3080、3090和9000系列机。第2章计算机硬件系统•2．微型计算机时代•1971年世界上第一片4位微处理器4004在Intel公司诞生后，标志着计算机进入了微型机时代（1）第五

代智能计算机（2）第六代生物计算机第2章计算机硬件系统•2．微型计算机时代•1971年世界上第一片4位微处理器4004在Intel公司诞生后，标志着计算机进入了微型机时代（1）第五代智能计算机（2）第六代生物计算机3．我国计算机技术

的发展概况4．计算机的发展趋势第2章计算机硬件系统•2.1.2计算机的特点、应用及分类•1．计算机的特点•2．计算机的应用•（1）科学计算•（2）信息处理•（3）过程控制•（4）计算机辅助设计与辅助制造及计算机辅助

教学•（5）人工智能第2章计算机硬件系统•3．计算机的分类•依据不同的标准，计算机有多种分类方法。通常人们按照计算机的功能用途、工作原理和性能规模进行分类。•1）按功能用途，可以将计算机分为通用计算机和专用计算机两大类。•2）按工作原理，可将计算机分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机三大类。•3

）按性能和规模，可将计算机分为巨型计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机和工作站五类。第2章计算机硬件系统•2.2计算机系统组成简述•1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本功能部件组成。•2）程序和数据采用二进制代码表示。•3）按

预先设定的存储程序控制实现计算机的自动工作第2章计算机硬件系统•2.2.1计算机硬件系统•从原理的角度看，计算机硬件系统至少包括五个基本部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。如图2-1所示为微型计算机硬件系统。微型计算机硬件系统主机外部

设备中央处理器内存储器外存储器输入设备输出设备（简称CPU）运算器控制器（简称内存）只读存储器随机存储器（简称外存）硬盘、U盘光盘、磁盘键盘鼠标扫描仪显示器打印机绘图仪微型计算机硬件系统主机外部设备中央处理器内存储器外存储器输入设备输出设备（简称CPU）运算器控制器（简称内

存）只读存储器随机存储器（简称外存）硬盘、U盘光盘、磁盘键盘鼠标扫描仪显示器打印机绘图仪图2-1微型计算机硬件系统第2章计算机硬件系统•2.2.2微型计算机硬件系统•从微型计算机的组成部件看，它主要由主板、总线、微处理器（CPU）、内存、硬盘、

显示器、键盘、电源和机箱等设备构成。第2章计算机硬件系统•2.3CPU组成及功能•2.3.1CPU的功能•1）指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。•2）操作控制：由若干个电信号组成一条指令来完成其相应的功能。•3）时间控

制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。•4）数据加工：数据加工是计算机的根本任务，只有对原始数据进行加工和处理之后，数据转化为有用信息后才能被人们所使用。第2章计算机硬件系统•2.3.2CPU的基本组成•CPU内部结构分为控制

单元、运算单元和存储单元（Cache）三大部分。中央处理器结构简图如图2-4所示。状态寄存器程序计数器地址寄存器数据缓冲器ALU累加器时序控制指令译码器指令寄存器时钟信号控制信号…状态寄存器程序计数器地址

寄存器数据缓冲器ALU累加器时序控制指令译码器指令寄存器时钟信号控制信号…图2-4中央处理器结构图第2章计算机硬件系统•1）程序计数器•2）数据缓冲寄存器•缓冲寄存器的作用有：•①作为CPU和主存、外部设备之间的信息中转站。•

②对数据起缓冲作用，补偿CPU和主存、外部设备之间的操作时间差异。•③缓冲寄存器为算术逻辑单元提供一个操作数。•3）指令寄存器•4）地址寄存器•5）累加寄存器•6）状态条件寄存器第2章计算机硬件系统•2.4指令系

统•2.4.1指令格式•2.4.2寻址方式•（1）立即寻址•（2）直接寻址•（3）间接寻址第2章计算机硬件系统•2.4.3指令的类型•（1）数据传送指令•（2）算术运算指令•（3）逻辑运算•（4）程序控制指令•（5）除各种条件转移指令外，还有无条件转移指令、转子程序指令、返回

主程序指令、中断返回指令等。•（6）输入/输出指令•（7）数据处理类指令第2章计算机硬件系统•2.5存储系统•2.5.1存储器的分类及管理•1）按存储介质分，存储器有半导体存储器、磁表面存储器和光介质存储器。•2）按存取方式分，存储器有随机存储器、只读存储器和顺

序存取存储器。•3）按在计算机中的功能分，可分为主存储器（主存），如RAM、ROM等。高速缓冲存储器（Cache）、控制存储器和辅助存储器（外存储器）。第2章计算机硬件系统•2.5.2存储器及主要性能指标•1．内存储器•内存储器（主存）和CPU构成主机的最小系统，它是计算机

工作过程中主要使用的存储器。内存储器由ROM和RAM两部分构成。•2．外存储器•外存储器简称外存，它是计算机的辅助存储器。计算机中常用的外存储器有磁盘、磁带、光盘、闪盘等。•硬盘的存储容量柱面数盘面

数每面扇区数扇区字节数第2章计算机硬件系统•2.5.3虚拟存储器•虚拟存储器又称为虚拟存储系统，由主内存和辅助存储器共同组成。•如图2-12所示，把一台计算机中实际安装的内存称为物理存储器。虚拟存储器CPU中央处理器支撑虚拟存储的软硬设备主内存辅助存储器（如硬盘）虚拟存储器C

PU中央处理器支撑虚拟存储的软硬设备主内存辅助存储器（如硬盘）图2-12虚拟存储器简略示意图第2章计算机硬件系统•2.6总线及外部设备的信息交换•2.6.1总线•1．总线特性•1）机械特性：机械特性是指总线在机械方式上的一些性能。•2）

电气特性：电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。•3）功能特性：功能特性是指总线中每根传输线的功能。•4）时间特性：时间特性是指总线中的任意一根线在什么时间内有效。第2章计算机硬件系统•2．总线性

能指标•1）总线宽度•2）标准传输•3）时钟同步/异步•4）总线复用•5）信号线数•6）总线控制方式•7）其他指标：如负载能力问题等第2章计算机硬件系统•3．总线结构•1）单总线结构。单总线结构如图2-13所示•2）多总线结构。•①双总线结构：如图2-14

所示，双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。•②三总线结构：如图2-15所示的三总线结构•③四总线结构：如图2-17所示的四总线结构第2章计算机硬件系统外部设备1外部设备2外部设备nI/O接口

I/O接口I/O接口MMCPU……单总线（系统总线）外部设备1外部设备2外部设备nI/O接口I/O接口I/O接口MMCPU……单总线（系统总线）图2-13单总线结构第2章计算机硬件系统设备0设备nI/O接口I/O接

口I/O总线通道内存CPU主存总线设备0设备nI/O接口I/O接口I/O总线通道内存CPU主存总线图2-14双总线结构第2章计算机硬件系统高速外设设备1设备nI/O接口I/O接口I/O接口……I/O总线主存CPU主存总线DMA总线高速外设设备1

设备nI/O接口I/O接口I/O接口……I/O总线主存CPU主存总线DMA总线图2-15三总线结构（1）第2章计算机硬件系统CPUCache主存局部I/O控制器局部总线系统总线扩展总线接口SCSIModem串行接口局

域网扩展总线CPUCache主存局部I/O控制器局部总线系统总线扩展总线接口SCSIModem串行接口局域网扩展总线图2-16三总线结构（2第2章计算机硬件系统CPUCache/桥主存局部总线系统总线SCSIModem串行

接口局域网扩展总线多媒体FAX扩展总线接口图形高速总线CPUCache/桥主存局部总线系统总线SCSIModem串行接口局域网扩展总线多媒体FAX扩展总线接口图形高速总线图2-17四总线结构第2章计算机硬件系统•2.6.2外设及外设的信息交换方式•1．常用外部设备•1）键盘•2）鼠标（Mou

se）•3）显示器•4）打印机•2．外设的信息交换方式