計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第01章課件

1、本章將論述信息與數(shù)字化的關(guān)系，本章將論述信息與數(shù)字化的關(guān)系，計(jì)算機(jī)硬件在數(shù)字化中的作用，計(jì)算計(jì)算機(jī)硬件在數(shù)字化中的作用，計(jì)算機(jī)硬件的歷史變革及其發(fā)展前景，總機(jī)硬件的歷史變革及其發(fā)展前景，總體概況，硬件與軟件的關(guān)系，計(jì)算機(jī)體概況，硬件與軟件的關(guān)系，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基本原則，硬件的設(shè)計(jì)內(nèi)硬件設(shè)計(jì)的基本原則，硬件的設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法，性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。容和設(shè)計(jì)方法，性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 信息是事物屬性的表征。信息活信息是事物屬性的表征。信息活動(dòng)存在于包括人類在內(nèi)的一切生物和社動(dòng)存在于包括人類在內(nèi)的一切生物和社會(huì)系統(tǒng)之中，也存在于人工創(chuàng)造的一些會(huì)系統(tǒng)之中，也存在于人工創(chuàng)造的一些機(jī)器系統(tǒng)中，信息在這些

2、系統(tǒng)中起著極機(jī)器系統(tǒng)中，信息在這些系統(tǒng)中起著極為重要的作用。為重要的作用。 為什么會(huì)出現(xiàn)數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)信息技術(shù)為什么會(huì)出現(xiàn)數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)信息技術(shù)天下的局面呢？關(guān)鍵就在于數(shù)字具有特別天下的局面呢？關(guān)鍵就在于數(shù)字具有特別強(qiáng)大的信息表達(dá)能力，而這種能力是任何強(qiáng)大的信息表達(dá)能力，而這種能力是任何其他信息媒介都難以企及的。主要理由有其他信息媒介都難以企及的。主要理由有以下幾點(diǎn)：第一，各種信息形式，如文字、以下幾點(diǎn)：第一，各種信息形式，如文字、符號(hào)、聲音和圖形圖像等眾多信息形式，符號(hào)、聲音和圖形圖像等眾多信息形式，都可以方便地轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，而以數(shù)字都可以方便地轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，而以數(shù)字形式保存的信息又可以方便

3、地轉(zhuǎn)換為上述形式保存的信息又可以方便地轉(zhuǎn)換為上述人能夠理解的各種信息形式；人能夠理解的各種信息形式；第二，數(shù)字能將人的思維活動(dòng)和人們第二，數(shù)字能將人的思維活動(dòng)和人們掌握的自然規(guī)律通過程序表達(dá)出來，這是掌握的自然規(guī)律通過程序表達(dá)出來，這是一種極為強(qiáng)大的能力，也是數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)一種極為強(qiáng)大的能力，也是數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)信息技術(shù)的關(guān)鍵所在；第三，數(shù)字能夠以信息技術(shù)的關(guān)鍵所在；第三，數(shù)字能夠以單一的形式來進(jìn)行處理、傳輸和存儲(chǔ)，具單一的形式來進(jìn)行處理、傳輸和存儲(chǔ)，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的統(tǒng)一性和簡單性；第四，有技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的統(tǒng)一性和簡單性；第四，數(shù)字技術(shù)具有精確、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是高質(zhì)數(shù)字技術(shù)具有精確、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是高質(zhì)量信

4、息的代名詞。量信息的代名詞。圖靈機(jī)是一個(gè)由磁頭和無限長的帶子圖靈機(jī)是一個(gè)由磁頭和無限長的帶子構(gòu)成的理論模型機(jī)。只要按一定的步驟對(duì)構(gòu)成的理論模型機(jī)。只要按一定的步驟對(duì)磁帶進(jìn)行左移、右移，并寫磁帶進(jìn)行左移、右移，并寫0、寫、寫1或者保或者保持不變，任何數(shù)學(xué)計(jì)算問題都可以得到解持不變，任何數(shù)學(xué)計(jì)算問題都可以得到解決。這里的意思是指理論上存在著解決信決。這里的意思是指理論上存在著解決信息問題的可能性?，F(xiàn)在很多問題不能解決，息問題的可能性。現(xiàn)在很多問題不能解決，是因?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件對(duì)數(shù)字的處理和傳輸?shù)氖且驗(yàn)橛?jì)算機(jī)硬件對(duì)數(shù)字的處理和傳輸?shù)乃俣冗€不夠快，存儲(chǔ)容量還不夠大，一旦速度還不夠快，存儲(chǔ)容量還不夠大，一旦

5、硬件技術(shù)發(fā)展到了所需要的速度與容量，硬件技術(shù)發(fā)展到了所需要的速度與容量，這些信息問題一定能夠解決。這些信息問題一定能夠解決。 其一是軟件層面：軟件是計(jì)算機(jī)的靈魂，它其一是軟件層面：軟件是計(jì)算機(jī)的靈魂，它將人們的思想、辦法、自然規(guī)律以及各種形式的將人們的思想、辦法、自然規(guī)律以及各種形式的信息和數(shù)據(jù)數(shù)字化，它決定了按什么樣的步驟來信息和數(shù)據(jù)數(shù)字化，它決定了按什么樣的步驟來對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作，即如何編寫程序才能達(dá)到目的；對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作，即如何編寫程序才能達(dá)到目的；其二是硬件層面：硬件是對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作的機(jī)器其二是硬件層面：硬件是對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作的機(jī)器系統(tǒng)，它決定執(zhí)行操作的機(jī)器系統(tǒng)一共有哪些基系統(tǒng)，它決定執(zhí)行

6、操作的機(jī)器系統(tǒng)一共有哪些基本操作以及這些操作是如何實(shí)現(xiàn)的，以及保證這本操作以及這些操作是如何實(shí)現(xiàn)的，以及保證這些操作有足夠的處理速度、足夠的存儲(chǔ)容量和足些操作有足夠的處理速度、足夠的存儲(chǔ)容量和足夠的傳輸帶寬。夠的傳輸帶寬。 計(jì)算機(jī)硬件的定義如下：計(jì)算機(jī)硬件的定義如下： 計(jì)算機(jī)硬件是在指令的控制下自動(dòng)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件是在指令的控制下自動(dòng)對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作，并將數(shù)字信息與其他形式數(shù)字進(jìn)行操作，并將數(shù)字信息與其他形式信息進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的機(jī)器系統(tǒng)。信息進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的機(jī)器系統(tǒng)。 當(dāng)信息被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式后，計(jì)算機(jī)當(dāng)信息被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式后，計(jì)算機(jī)硬件對(duì)數(shù)字有三類操作：數(shù)字的處理、數(shù)硬件對(duì)數(shù)字有三類操作：數(shù)字的處理、數(shù)

7、字的存儲(chǔ)和數(shù)字的傳輸。字的存儲(chǔ)和數(shù)字的傳輸。 此外，計(jì)算機(jī)還要完成將各種形式的此外，計(jì)算機(jī)還要完成將各種形式的信息（圖形圖像、聲音、文本等）與數(shù)字信息（圖形圖像、聲音、文本等）與數(shù)字域信息相互轉(zhuǎn)換的操作，這種操作往往由域信息相互轉(zhuǎn)換的操作，這種操作往往由稱之為計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備的部分來完成。稱之為計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備的部分來完成。將計(jì)算機(jī)分為將計(jì)算機(jī)分為5代：第一代計(jì)算機(jī)采代：第一代計(jì)算機(jī)采用電子真空管做處理部件，繼電器做存儲(chǔ)用電子真空管做處理部件，繼電器做存儲(chǔ)器，用絕緣導(dǎo)線互聯(lián)，采用機(jī)器語言或匯器，用絕緣導(dǎo)線互聯(lián)，采用機(jī)器語言或匯編語言編程；第二代計(jì)算機(jī)采用分離式的編語言編程；第二代計(jì)算機(jī)采用

8、分離式的晶體管做處理部件，用鐵氧體磁芯做存儲(chǔ)晶體管做處理部件，用鐵氧體磁芯做存儲(chǔ)器，用印刷電路板互連，出現(xiàn)了有編譯程器，用印刷電路板互連，出現(xiàn)了有編譯程序的高級(jí)語言和批處理監(jiān)控程序；序的高級(jí)語言和批處理監(jiān)控程序；第三代計(jì)算機(jī)采用中小規(guī)模集成電路第三代計(jì)算機(jī)采用中小規(guī)模集成電路做處理部件，用多層印制板互連，采用了做處理部件，用多層印制板互連，采用了微程序控制技術(shù)，并出現(xiàn)了多道程序設(shè)計(jì)微程序控制技術(shù)，并出現(xiàn)了多道程序設(shè)計(jì)和分時(shí)操作系統(tǒng)；第四代計(jì)算機(jī)采用大規(guī)和分時(shí)操作系統(tǒng)；第四代計(jì)算機(jī)采用大規(guī)模模(LSI)和超大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路(VLSI)做處理做處理部件，采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；第五代計(jì)算

9、機(jī)部件，采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；第五代計(jì)算機(jī)采用工藝更完善的超大規(guī)模和甚大規(guī)模集采用工藝更完善的超大規(guī)模和甚大規(guī)模集成電路（成電路（ULSI）做處理部件，采用更高密）做處理部件，采用更高密度的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。度的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，得益于器件制造技術(shù)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，得益于器件制造技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)專家為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展總結(jié)了的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)專家為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展總結(jié)了下列幾個(gè)規(guī)律：下列幾個(gè)規(guī)律： Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管集成度定律：微處理器內(nèi)晶體管集成度每每18個(gè)月翻一番；個(gè)月翻一番； Bell定律：如果保持計(jì)算能力不變，微定律：如果保持計(jì)算能力不變，微處理器的價(jià)格每處理器的價(jià)格每

10、18個(gè)月減少一半；個(gè)月減少一半； Gilder定律：未來定律：未來25年（年（1996年預(yù)言）年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個(gè)月增加一倍；個(gè)月增加一倍； Metcalfe定律：網(wǎng)絡(luò)價(jià)值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)定律：網(wǎng)絡(luò)價(jià)值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。的平方成正比。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展規(guī)律：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展規(guī)律：DRAM的密的密度每年增加度每年增加60%，每，每3年翻年翻4倍。時(shí)鐘周期倍。時(shí)鐘周期改進(jìn)相對(duì)較慢，大約改進(jìn)相對(duì)較慢，大約10年降低三分之一。年降低三分之一。硬盤存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展規(guī)律：硬盤存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展規(guī)律：20世紀(jì)世紀(jì)90年年代，硬盤的密度每年增加代，硬盤的密度每年增加50%，最近每年，最

11、近每年增加約一倍。存取時(shí)間改進(jìn)較慢，大約增加約一倍。存取時(shí)間改進(jìn)較慢，大約10年降低三分之一。年降低三分之一。計(jì)算機(jī)將主要圍繞著提供信息服務(wù)這計(jì)算機(jī)將主要圍繞著提供信息服務(wù)這個(gè)目的向兩個(gè)方向發(fā)展：一是發(fā)展以各種個(gè)目的向兩個(gè)方向發(fā)展：一是發(fā)展以各種無線移動(dòng)裝置為代表的用戶智能終端設(shè)備，無線移動(dòng)裝置為代表的用戶智能終端設(shè)備，二是發(fā)展為這些終端提供服務(wù)支持的高性二是發(fā)展為這些終端提供服務(wù)支持的高性能服務(wù)器和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。前者將促進(jìn)能服務(wù)器和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。前者將促進(jìn)嵌入式處理器和高密度微型化存儲(chǔ)技術(shù)的嵌入式處理器和高密度微型化存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，后者將進(jìn)一步推動(dòng)高性能計(jì)算機(jī)體發(fā)展，后者將進(jìn)一步推動(dòng)高性

12、能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和海量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和海量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。 計(jì)算機(jī)硬件分為兩類：一是轉(zhuǎn)換硬計(jì)算機(jī)硬件分為兩類：一是轉(zhuǎn)換硬件，二是數(shù)字域硬件。前者完成將現(xiàn)實(shí)件，二是數(shù)字域硬件。前者完成將現(xiàn)實(shí)中各種信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式或者將中各種信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式或者將數(shù)字形式的信息轉(zhuǎn)換為人們所需要的各數(shù)字形式的信息轉(zhuǎn)換為人們所需要的各種信息形式；后者則完成對(duì)數(shù)字進(jìn)行各種信息形式；后者則完成對(duì)數(shù)字進(jìn)行各種操作（處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)龋┑娜蝿?wù)。種操作（處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)龋┑娜蝿?wù)。轉(zhuǎn)換硬件包括計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備，但轉(zhuǎn)換硬件包括計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備，但含義更廣；數(shù)字域硬件則是計(jì)算機(jī)的核含義更廣；數(shù)字

13、域硬件則是計(jì)算機(jī)的核心部分，是本書的重點(diǎn)。心部分，是本書的重點(diǎn)。 數(shù)字域硬件的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)字進(jìn)行數(shù)字域硬件的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作。對(duì)數(shù)字的操作可分為三類：處理操操作。對(duì)數(shù)字的操作可分為三類：處理操作、傳輸操作和存儲(chǔ)操作。處理操作是對(duì)作、傳輸操作和存儲(chǔ)操作。處理操作是對(duì)數(shù)字進(jìn)行某種有目的的改變性操作，如簡數(shù)字進(jìn)行某種有目的的改變性操作，如簡單的加、減、乘、除、移位和邏輯運(yùn)算，單的加、減、乘、除、移位和邏輯運(yùn)算，或者是較復(fù)雜的矩陣和向量計(jì)算等；傳輸或者是較復(fù)雜的矩陣和向量計(jì)算等；傳輸操作是將數(shù)字從一個(gè)空間位置移動(dòng)到另一操作是將數(shù)字從一個(gè)空間位置移動(dòng)到另一個(gè)空間位置；存儲(chǔ)操作是將數(shù)字保存在某個(gè)

14、空間位置；存儲(chǔ)操作是將數(shù)字保存在某個(gè)空間位置一段任意長的時(shí)間，需要時(shí)即個(gè)空間位置一段任意長的時(shí)間，需要時(shí)即可從這個(gè)空間取出，存儲(chǔ)設(shè)備是數(shù)字的所可從這個(gè)空間取出，存儲(chǔ)設(shè)備是數(shù)字的所在地。在地。擔(dān)任處理部件的常用形式有通用處理擔(dān)任處理部件的常用形式有通用處理器、專用處理器、專用芯片等。器、專用處理器、專用芯片等。擔(dān)任傳輸部件的常有形式有總線、通擔(dān)任傳輸部件的常有形式有總線、通道、接口和網(wǎng)絡(luò)等。道、接口和網(wǎng)絡(luò)等。擔(dān)任存儲(chǔ)部件的常用形式有半導(dǎo)體存擔(dān)任存儲(chǔ)部件的常用形式有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（儲(chǔ)器（ROM、SRAM、DRAM、Flash等），磁表面存儲(chǔ)器（硬盤、軟盤、磁帶等），磁表面存儲(chǔ)器（硬盤、軟盤、磁帶等）

15、和光存儲(chǔ)器（等）和光存儲(chǔ)器（CD-ROM、CD-R/W、DVD、MO等）。等）。包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的一切數(shù)字化信息設(shè)包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的一切數(shù)字化信息設(shè)備在數(shù)字域都是上述三類部件的組合。備在數(shù)字域都是上述三類部件的組合。 處理操作目前主要是由通用處理器來處理操作目前主要是由通用處理器來完成的，專用處理器（如用于數(shù)字信號(hào)處完成的，專用處理器（如用于數(shù)字信號(hào)處理的理的DSP芯片以及用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)處芯片以及用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)處理器）和專用芯片（如用于視頻壓縮解壓理器）和專用芯片（如用于視頻壓縮解壓的芯片以及各種的芯片以及各種ASIC等）都可以完成處理等）都可以完成處理操作任務(wù)。操作任務(wù)。 處理器的主要任

16、務(wù)就是執(zhí)行指令。指令是處理器的主要任務(wù)就是執(zhí)行指令。指令是某個(gè)機(jī)器系統(tǒng)能夠識(shí)別和執(zhí)行的命令，它規(guī)定了某個(gè)機(jī)器系統(tǒng)能夠識(shí)別和執(zhí)行的命令，它規(guī)定了對(duì)數(shù)字進(jìn)行何種操作并指出被操作數(shù)的所在。一對(duì)數(shù)字進(jìn)行何種操作并指出被操作數(shù)的所在。一個(gè)機(jī)器一共能執(zhí)行的指令的集合叫指令系統(tǒng)。一個(gè)機(jī)器一共能執(zhí)行的指令的集合叫指令系統(tǒng)。一個(gè)特定的機(jī)器能夠執(zhí)行的指令的數(shù)目是固定的。個(gè)特定的機(jī)器能夠執(zhí)行的指令的數(shù)目是固定的。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟硬件的分界面。指令指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟硬件的分界面。指令系統(tǒng)之上是各個(gè)層次的軟件，如編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)之上是各個(gè)層次的軟件，如編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用軟件。無論多么復(fù)雜的軟件，最系統(tǒng)和各

17、種應(yīng)用軟件。無論多么復(fù)雜的軟件，最終都要轉(zhuǎn)化為由這些基本指令按一定順序排列而終都要轉(zhuǎn)化為由這些基本指令按一定順序排列而構(gòu)成的指令流。指令系統(tǒng)之下是硬件。指令通過構(gòu)成的指令流。指令系統(tǒng)之下是硬件。指令通過譯碼，啟動(dòng)各個(gè)不同的硬件電路完成指令規(guī)定的譯碼，啟動(dòng)各個(gè)不同的硬件電路完成指令規(guī)定的操作數(shù)據(jù)的任務(wù)。操作數(shù)據(jù)的任務(wù)。 處理器的發(fā)展歷史，就是一個(gè)不斷提處理器的發(fā)展歷史，就是一個(gè)不斷提高指令執(zhí)行速度的歷史。提高指令執(zhí)行的高指令執(zhí)行速度的歷史。提高指令執(zhí)行的速度主要的手段有兩個(gè)：其一是提高半導(dǎo)速度主要的手段有兩個(gè)：其一是提高半導(dǎo)體器件的工作速度，即提高主頻；其二是體器件的工作速度，即提高主頻；其二是

18、按照摩爾定律增加越來越多的晶體管，在按照摩爾定律增加越來越多的晶體管，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用并行技術(shù)來提高指令執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用并行技術(shù)來提高指令執(zhí)行速度。處理器中采用的并行技術(shù)叫指令級(jí)速度。處理器中采用的并行技術(shù)叫指令級(jí)并行技術(shù)，主要有流水線和超標(biāo)量兩種。并行技術(shù)，主要有流水線和超標(biāo)量兩種。 隨著信息技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)字隨著信息技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)字化信息爆炸性增長。數(shù)字化的信息最終都化信息爆炸性增長。數(shù)字化的信息最終都轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)硬轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)硬件中。理想的存儲(chǔ)器要滿足下列要求：件中。理想的存儲(chǔ)器要滿足下列要求： 足夠大的容量；足夠大的容量； 與

19、與CPU相匹配的速度；相匹配的速度； 低廉的價(jià)格；低廉的價(jià)格； 所保存的數(shù)據(jù)安全可靠。所保存的數(shù)據(jù)安全可靠。 與與CPU直接配合、由直接配合、由CPU直接存取的直接存取的存儲(chǔ)系統(tǒng)是內(nèi)存，它的主體部分是動(dòng)態(tài)存存儲(chǔ)系統(tǒng)是內(nèi)存，它的主體部分是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（儲(chǔ)器（DARM）。）。它容量較大，價(jià)格較低，它容量較大，價(jià)格較低，可被可被CPU直接尋址。它采用電容保持電荷直接尋址。它采用電容保持電荷的原理存儲(chǔ)信息，需要不斷地刷新來維持的原理存儲(chǔ)信息，需要不斷地刷新來維持信息，斷電后信息會(huì)消失。信息，斷電后信息會(huì)消失。 需要長久保存的數(shù)據(jù)放在硬盤、軟盤需要長久保存的數(shù)據(jù)放在硬盤、軟盤和光盤這些外存儲(chǔ)設(shè)備上。硬盤是

20、高速的和光盤這些外存儲(chǔ)設(shè)備上。硬盤是高速的在線外存儲(chǔ)設(shè)備，它容量大，速度快，發(fā)在線外存儲(chǔ)設(shè)備，它容量大，速度快，發(fā)展十分迅速。一個(gè)計(jì)算機(jī)上幾乎所有的信展十分迅速。一個(gè)計(jì)算機(jī)上幾乎所有的信息（操作系統(tǒng)、文件、數(shù)據(jù)庫等）都要存息（操作系統(tǒng)、文件、數(shù)據(jù)庫等）都要存放在硬盤之中，以便隨時(shí)調(diào)用。硬盤是最放在硬盤之中，以便隨時(shí)調(diào)用。硬盤是最重要的外存儲(chǔ)設(shè)備。重要的外存儲(chǔ)設(shè)備。軟盤一般用于數(shù)據(jù)拷貝、備份和數(shù)據(jù)軟盤一般用于數(shù)據(jù)拷貝、備份和數(shù)據(jù)交換，只讀光盤用于軟件的發(fā)布和交換，交換，只讀光盤用于軟件的發(fā)布和交換，可擦寫光盤的用途與軟盤相同，只是容量可擦寫光盤的用途與軟盤相同，只是容量大得多而已。在移動(dòng)式設(shè)備上

21、，近年來采大得多而已。在移動(dòng)式設(shè)備上，近年來采用閃存芯片（用閃存芯片（Flash Memory）做存儲(chǔ)體的）做存儲(chǔ)體的越來越多，它體積小，斷電后信息還可長越來越多，它體積小，斷電后信息還可長期保存，使用和攜帶特別方便。但目前的期保存，使用和攜帶特別方便。但目前的單位容量價(jià)格仍比硬盤和軟盤貴很多。單位容量價(jià)格仍比硬盤和軟盤貴很多。 一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線可分為下列一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線可分為下列4層。層。 片內(nèi)總線：微處理器內(nèi)部各功能單片內(nèi)總線：微處理器內(nèi)部各功能單元的連線，又稱元的連線，又稱CPU總線；總線； 片總線：計(jì)算機(jī)主板上以微處理器片總線：計(jì)算機(jī)主板上以微處理器為核心與各部件之間的直接連線

22、；為核心與各部件之間的直接連線； 系統(tǒng)總線：主板上擴(kuò)展卡與擴(kuò)展卡系統(tǒng)總線：主板上擴(kuò)展卡與擴(kuò)展卡間連接的總線；間連接的總線； 外總線：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或其它外總線：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或其它計(jì)算機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)線。計(jì)算機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)線。計(jì)算機(jī)總線分為并行總線和串行總線。計(jì)算機(jī)總線分為并行總線和串行總線。并行總線由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總并行總線由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三部分組成，由于多路并行傳輸，在距線三部分組成，由于多路并行傳輸，在距離短的條件下有較大的速度優(yōu)勢。離短的條件下有較大的速度優(yōu)勢。 無論何種總線，都應(yīng)包括連線、驅(qū)動(dòng)無論何種總線，都應(yīng)包括連線、驅(qū)動(dòng)電路、協(xié)議變換接口電路、中斷和

23、判優(yōu)幾電路、協(xié)議變換接口電路、中斷和判優(yōu)幾個(gè)基本部分。個(gè)基本部分。 常見的輸入設(shè)備有鍵盤（將文本和符號(hào)信常見的輸入設(shè)備有鍵盤（將文本和符號(hào)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息）、鼠標(biāo)（將位置信息轉(zhuǎn)化為息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息）、鼠標(biāo)（將位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息）、掃描儀（將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信數(shù)字信息）、掃描儀（將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息）等。有些設(shè)備沒有被稱為輸入設(shè)備，但本質(zhì)息）等。有些設(shè)備沒有被稱為輸入設(shè)備，但本質(zhì)上都是將各種現(xiàn)實(shí)的信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。上都是將各種現(xiàn)實(shí)的信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。如數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，就是將圖像和視頻如數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，就是將圖像和視頻信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；話筒加上聲卡將聲音信

24、息信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；話筒加上聲卡將聲音信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；攝像頭加上視頻采集卡也可將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；攝像頭加上視頻采集卡也可將視頻信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。這些都可稱之為正向視頻信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。這些都可稱之為正向轉(zhuǎn)換硬件。轉(zhuǎn)換硬件。 常見的輸出設(shè)備有顯示器（這是最重常見的輸出設(shè)備有顯示器（這是最重要的輸出設(shè)備，它可將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為圖要的輸出設(shè)備，它可將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為圖形、圖像、視頻和文本等多種可視信息）、形、圖像、視頻和文本等多種可視信息）、打印機(jī)（有針打、噴墨、激光等種類，將打印機(jī)（有針打、噴墨、激光等種類，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙張上的文本、圖形、圖數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙張上的文本、圖形、圖像形式）、

25、繪圖儀（將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙像形式）、繪圖儀（將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙張上的圖形信息）。聲卡加上音箱可將數(shù)張上的圖形信息）。聲卡加上音箱可將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為聲音信息。這些都可以稱為字信息轉(zhuǎn)換為聲音信息。這些都可以稱為反向變換設(shè)備。反向變換設(shè)備。 本節(jié)論述軟硬件關(guān)系的兩個(gè)原理：等本節(jié)論述軟硬件關(guān)系的兩個(gè)原理：等效原理與互動(dòng)原理。效原理與互動(dòng)原理。數(shù)字技術(shù)是硬件和軟件的結(jié)合體，從數(shù)字技術(shù)是硬件和軟件的結(jié)合體，從最底層的角度看，軟硬件所產(chǎn)生的結(jié)果就最底層的角度看，軟硬件所產(chǎn)生的結(jié)果就是按某種次序?qū)?shù)字進(jìn)行了一系列操作。是按某種次序?qū)?shù)字進(jìn)行了一系列操作。雖然說軟件的運(yùn)行是不可能離開硬件的，雖然說軟件的運(yùn)行是不

26、可能離開硬件的，但是硬件平臺(tái)的性能和復(fù)雜程度卻相差十但是硬件平臺(tái)的性能和復(fù)雜程度卻相差十分巨大。分巨大。有人證明，即使用字長為一位、只有有人證明，即使用字長為一位、只有幾條最簡單指令的極為簡單的計(jì)算機(jī)，如幾條最簡單指令的極為簡單的計(jì)算機(jī)，如果不考慮運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間，也能完成果不考慮運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間，也能完成最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)所能完成的所有任務(wù)。一最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)所能完成的所有任務(wù)。一個(gè)計(jì)算任務(wù)，可以在復(fù)雜的計(jì)算機(jī)上用一個(gè)計(jì)算任務(wù)，可以在復(fù)雜的計(jì)算機(jī)上用一條指令指揮復(fù)雜的硬件電路來完成，也可條指令指揮復(fù)雜的硬件電路來完成，也可以在簡單的計(jì)算機(jī)上通過一段軟件子程序以在簡單的計(jì)算機(jī)上通過一段軟件子程序

27、來完成，最終的結(jié)果完全一樣，所不同的來完成，最終的結(jié)果完全一樣，所不同的只是完成任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間。只是完成任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間。打一個(gè)形象的比喻，你可以用一輛載打一個(gè)形象的比喻，你可以用一輛載重卡車將河邊的一堆鵝卵石一次性地運(yùn)到重卡車將河邊的一堆鵝卵石一次性地運(yùn)到建筑工地，也可以用一個(gè)人一擔(dān)一擔(dān)地用建筑工地，也可以用一個(gè)人一擔(dān)一擔(dān)地用籮筐挑過去，結(jié)果是一樣的，只是效率不籮筐挑過去，結(jié)果是一樣的，只是效率不一樣。我們將這個(gè)原理稱為軟硬件結(jié)果等一樣。我們將這個(gè)原理稱為軟硬件結(jié)果等效原理：效原理： 要達(dá)到對(duì)數(shù)字操作的某種結(jié)果，可以要達(dá)到對(duì)數(shù)字操作的某種結(jié)果，可以用復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)，也可以在簡單的硬件用復(fù)雜

28、的硬件實(shí)現(xiàn)，也可以在簡單的硬件上用軟件實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果是等效的，不同的上用軟件實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果是等效的，不同的是兩者的速度。是兩者的速度。 使用硬件實(shí)現(xiàn)或使用軟件實(shí)現(xiàn)的具體使用硬件實(shí)現(xiàn)或使用軟件實(shí)現(xiàn)的具體原則如下。原則如下。（1）速度要求高、功能單一的任務(wù)，）速度要求高、功能單一的任務(wù)，產(chǎn)品批量又較大，可以用邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品批量又較大，可以用邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。簡單的用邏輯門電路，復(fù)雜且批量小的可簡單的用邏輯門電路，復(fù)雜且批量小的可用用FPGA、CPLD等可編程邏輯器件，批量等可編程邏輯器件，批量生產(chǎn)可用專用集成電路來實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)可用專用集成電路來實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)單一功能的硬件電路可以看作為單一功

29、能的硬件電路可以看作為“只有一只有一條指令的計(jì)算機(jī)條指令的計(jì)算機(jī)”。（2）開發(fā)周期短、功能變化多的任）開發(fā)周期短、功能變化多的任務(wù)，宜在通用的計(jì)算機(jī)或通用的微處理器務(wù)，宜在通用的計(jì)算機(jī)或通用的微處理器上用軟件實(shí)現(xiàn)。上用軟件實(shí)現(xiàn)。（3）對(duì)一些重要而量大面廣的領(lǐng)域，）對(duì)一些重要而量大面廣的領(lǐng)域，可采用專用處理器來解決速度問題。如在可采用專用處理器來解決速度問題。如在數(shù)字化儀器領(lǐng)域和數(shù)字控制領(lǐng)域，大量采數(shù)字化儀器領(lǐng)域和數(shù)字控制領(lǐng)域，大量采用數(shù)字信號(hào)處理器（用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）；）；在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，大量采用網(wǎng)絡(luò)處理器。中，大量采用網(wǎng)絡(luò)處理器。（4）如果目前的通用處理器和專用）如果目前的通

30、用處理器和專用處理器都達(dá)不到所需要的速度，就只能用處理器都達(dá)不到所需要的速度，就只能用硬件來實(shí)現(xiàn)或者用硬件來輔助實(shí)現(xiàn)。但必硬件來實(shí)現(xiàn)或者用硬件來輔助實(shí)現(xiàn)。但必須認(rèn)識(shí)到，通用處理器的發(fā)展是很快的，須認(rèn)識(shí)到，通用處理器的發(fā)展是很快的，以前很多要用到硬件板卡的功能現(xiàn)在都可以前很多要用到硬件板卡的功能現(xiàn)在都可以用軟件來實(shí)現(xiàn)了。這樣的例子十分常見，以用軟件來實(shí)現(xiàn)了。這樣的例子十分常見，如以前的中文文字處理要用漢卡，視頻解如以前的中文文字處理要用漢卡，視頻解壓要用壓縮卡，現(xiàn)在都可以用軟件實(shí)現(xiàn)。壓要用壓縮卡，現(xiàn)在都可以用軟件實(shí)現(xiàn)。我們用軟件實(shí)際能夠?qū)崿F(xiàn)的、保證時(shí)我們用軟件實(shí)際能夠?qū)崿F(xiàn)的、保證時(shí)間要求的功能又

31、是受限于硬件平臺(tái)的性能間要求的功能又是受限于硬件平臺(tái)的性能的。這樣就得到下列軟硬件互動(dòng)原理：的。這樣就得到下列軟硬件互動(dòng)原理： 在有時(shí)間限制的條件下，軟件能夠?qū)嵲谟袝r(shí)間限制的條件下，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的功能受限于硬件的性能，硬件每發(fā)展現(xiàn)的功能受限于硬件的性能，硬件每發(fā)展一步，軟件所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用就能向前發(fā)展一步，軟件所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用就能向前發(fā)展一大步；反過來說，軟件可能實(shí)現(xiàn)的功能一大步；反過來說，軟件可能實(shí)現(xiàn)的功能要求更高性能的硬件平臺(tái)。要求更高性能的硬件平臺(tái)。 下面就是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)要遵循的最下面就是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)要遵循的最基本、最為廣泛采用的原則：基本、最為廣泛采用的原則： 加快經(jīng)常性事件加快經(jīng)常性

32、事件(Make The Common Case Fast)。 經(jīng)常性事件就是發(fā)生得最頻繁、占時(shí)經(jīng)常性事件就是發(fā)生得最頻繁、占時(shí)間最多的事件。間最多的事件。 加快經(jīng)常性事件可以由加快經(jīng)常性事件可以由Amdahl定定律來定量表達(dá)。律來定量表達(dá)。若用若用Sn表示加速比，表示加速比，To表示加速表示加速前的總時(shí)間，前的總時(shí)間，Tn表示采取加速措施后表示采取加速措施后的總時(shí)間，則的總時(shí)間，則Amdahl定律為：定律為：Sn= To/Tn若用若用Fe表示待加速部分的時(shí)間與加速表示待加速部分的時(shí)間與加速前的總時(shí)間（前的總時(shí)間（T0）之比（它反映了待加速之比（它反映了待加速部分是不是經(jīng)常性事件），部分是不是經(jīng)常性事件），Se表示加速的表示加速的倍數(shù)（它反映加快了多少），則有：倍數(shù)（它反映加快了多少），則有：Sn= To/Tn= 1/(1Fe)+Fe/Se 目前一般認(rèn)為下列內(nèi)容都屬于