第一章计算机硬件基础
2007-02-25 17:00:37
1946 年 冯·诺依曼
思考题： 1.计算机由哪五部分组成？各部分的基础功能是什么？
计算机的硬件系统一般有五大部分组成:输入装置、输出装置、存储器、运算器、控制器。如下图所示。
 输入装置（Input Unit）
输入装置的功能是将输入的程序、数据等信息转换成相应的电信号，以便计算机能够进行接收和处理。输入装置主要有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、图形板、外存储器等。
输出装置（Output Unit）
输出装置的功能是将计算机处理的结果信息转换成电信号，以便这些信息能够显示在屏幕上，或存储在外存储器内，或进行打印输出。一句话，就是将计算机内部信息传递出来。
存储器（Memory Unit）计算机在处理数据时有必要把程序和数据存储起来，为此使用的装置就是存储器。存储器是具有记忆功能的部件，分为主存储器和辅助存储器。
主存储器（Main Memory） 因为与中央处理器组装在一起构成主机，直接受CPU控制，因此也被称为内存储器，简称主存或内存。由随机存取存储器RAM和只读存储器ROM组成，386以上规格的微机还有高速缓冲存储器（Cache）。目前的计算机内存大都是半导体存储器，采用大规模或超大规模集成器件。计算机存储器的作用就像人类的大脑。 主存有两个不足：一是存储量总嫌不够大，二是一旦关机，在RAM中所存储的程序和数据就会全部丢失。
辅助存储器（Auxiliary Memory） 也称外存储器，简称辅存或外存。它隶属于主存，是主存的补充和后援，用来存储当前不在中央处理器处理的程序和数据。当要用到外存中的程序和数据时，才将它们从外存调入内存。因此，外存只同内存交换信息。外存分为磁表面存储器和光存储器两大类。 磁表面存储器是将磁性材料涂在盘片上形成的记录介质，并以磁头与磁盘表面的相对运动来存取信息。现代计算机系统中使用的磁表面存储器主要有磁盘和磁带两种。
用于计算机系统的光存储器主要是光盘(Optical disk)。光盘的记录原理与磁盘不同，它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息的。其容量要远大于磁盘。
运算器（Arithmetic Unit）运算器是计算机的核心部件，是对信息进行加工和处理（主要功能是对二进制编码进行算术运算和逻辑运算）的部件。运算器由加法器（Adder）和补码器（Complement）组成。进行加法是，要把这两个加数送入加法器，在加法器中进行加法运算，从而求和。如下图。
 控制器（Control Unit）控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，它控制和指挥着计算机的全部动作。
运算器和控制器一起合称为中央处理器（CPU）。主存储器、运算器和控制器（通常都安放在一个机柜里）统称为主机。输入装置和输出装置统称为输入输出装置。有人把输入输出装置和辅助存储器一起称为外围设备。
 辅助存储器，既是输入设备，又是输出设备。
2.计算机系统中提高并行处理的措施有哪些？
计算机系统中提高并行性的措施多种多样，就其基本思想而言，可归纳为如下3条途径：
（1）时间重叠。在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转时间而赢得速度。因此时间重叠可称为时间并行技术。
（2）资源重复。在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。随着硬件价格的降低，这种方式在单处理机中广泛使用，而多处理机本身就是实施“资源重复”原理的结果。因此资源重复可称为空间并行技术。
（3）资源共享。这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。例如多道程序、分时系统就是遵循“资源共享”原理而产生的。资源共享既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率。
3.CISC/RISC指令系统的区别与联系
CISC指令集
CISC指令集，也称为复杂指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的缩写）。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。其实它是英特尔生产的x86系列（也就是IA-32架构）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64（也被成AMD64）都是属于CISC的范畴。 要知道什么是指令集还要从当今的X86架构的CPU说起。X86指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的，IBM1981年推出的世界第一台PC机中的CPU—i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令，同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加了X87芯片，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。 虽然随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到过去的PII至强、PIII至强、Pentium 3，最后到今天的Pentium 4系列、至强（不包括至强Nocona），但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集，所以它的CPU仍属于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU（如AMD Athlon MP、）都使用X86指令集，所以就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。x86CPU目前主要有intel的服务器CPU和AMD的服务器CPU两类。 RISC指令集 RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的缩写，中文意思是“精简指令集”。它是在CISC指令系统基础上发展起来的，有人对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。基于上述原因，20世纪80年代RISC型CPU诞生了，相对于CISC型CPU ,RISC型CPU不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”，大大增加了并行处理能力。RISC指令集是高性能CPU的发展方向。它与传统的CISC(复杂指令集)相对。相比而言，RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高很多了。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。RISC指令系统更加适合高档服务器的操作系统UNIX，现在Linux也属于类似UNIX的操作系统。RISC型CPU与Intel和AMD的CPU在软件和硬件上都不兼容。 目前，在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有以下几类：PowerPC处理器、SPARC处理器、PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器。
4.计算机存储层次结构及其目的？
所谓存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起，程序和数据按不同的层次存放在各级存储器中，而整个存储系统由九号的速度、容量和价格等方面的综合性能指标。  5.计算机的主要应用领域包括哪些？
1.科学计算(或数值计算)
科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。 例如，建筑设计中为了确定构件尺寸，通过弹性力学导出一系列复杂方程，长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解。而计算机不但能求解这类方程，并且引起弹性理论上的一次突破，出现了有限单元法。 2.数据处理(或信息处理) 数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80％以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。 数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是： ①电子数据处理(Electronic Data Processing,简称EDP),它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。 ②管理信息系统(Management Information System,简称MIS),它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。 ③决策支持系统(Decision Support System,简称DSS),它是以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。 目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等等各行各业。信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，也有声情并茂的声音和图像信息。 3.辅助技术(或计算机辅助设计与制造) 计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。 ⑴计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD) 计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计过程中，可以利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。 ⑵计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,简称CAM) 计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。 将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统(CIMS)。它的实现将真正做到无人化工厂(或车间)。 ⑶计算机辅助教学(Computer Aided Instruction,简称CAI) 计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。 4.过程控制(或实时控制) 过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。 例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化。 5.人工智能(或智能模拟) 人工智能(Artificial Intelligence)是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等等。 6.网络应用 计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。 |
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