第2章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

主要解決的問(wèn)題馮氏機(jī)馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)

MEMORY？BUS？PORT?摩爾定律？未來(lái)的計(jì)算機(jī)？巨型計(jì)算機(jī)？微機(jī)的主件？工作原理？目錄第2章現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的“史前”時(shí)代p40對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)明做出杰出貢獻(xiàn)的人物和事件p41：1674年德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨，提出了“二進(jìn)制”數(shù)的概念。1847年英國(guó)科學(xué)家喬治·布爾創(chuàng)立了邏輯代數(shù)（布爾代數(shù)）。用“0”和“1”表示信號(hào)的有/無(wú)、電路的通/斷。布爾代數(shù)為計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和制造奠定了理論基礎(chǔ)。1936年英國(guó)科學(xué)家圖靈，提出了可計(jì)算計(jì)算機(jī)的概念，后來(lái)人們將他描述的計(jì)算機(jī)稱之為“圖靈機(jī)”。圖靈機(jī)（即，現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型）為計(jì)算機(jī)的硬件和軟件作了理論上的準(zhǔn)備，對(duì)計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)、可實(shí)現(xiàn)型和局限性研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響p23倒第1段。馮氏機(jī)馮·諾依曼多次說(shuō)到“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想來(lái)源于圖靈”第2章馮氏機(jī)的基本結(jié)構(gòu)-p42工作原理：程序存儲(chǔ)，順序控制基本思想：1.二進(jìn)制2.指令和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)（原來(lái)只存數(shù)據(jù)）計(jì)算機(jī)組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器及I/O設(shè)備倒數(shù)第2段以“圖靈機(jī)”為理論基礎(chǔ)，馮·諾依曼提出了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的工作原理及體系結(jié)構(gòu)（實(shí)用圖靈機(jī)）：馮提出的原理導(dǎo)致現(xiàn)代意義的電子計(jì)算機(jī)的誕生，其卓越的思想為電子計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，已成為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則。故許多人推舉他為“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”，將具有上述原理和體系的機(jī)稱為馮氏機(jī)(4代主要為馮機(jī))。史前四代計(jì)算機(jī)第2章計(jì)算機(jī)的歷史-p40(只講邏輯元件，和第4代其余學(xué)生自學(xué))史前計(jì)算機(jī)p40-42第一代p44第二代p45第三代p46第四代*p47劃分標(biāo)志*構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的邏輯元件電子管1946~1957晶體管1958~1964中小集成電路1965~1970超大集成電路1971~馮氏體系超級(jí)計(jì)算機(jī)按第2章全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)評(píng)選始自1993年，每半年評(píng)選1次。評(píng)選由美國(guó)能源部勞倫斯.伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、田納西大學(xué)和德國(guó)曼海姆大學(xué)共同完成。巨型/超級(jí)計(jì)算機(jī)列表（201106）p48名次名稱峰值速度Petaflop/s千萬(wàn)億次/s1KCOMPUTER8.16日本2天河一號(hào)國(guó)防科技大學(xué)2.57

中國(guó)3JAGUAR

1.76

美國(guó)

由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機(jī)）組成的、能計(jì)算普通PC機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題的計(jì)算機(jī)。(天河一號(hào)，就用了逾7000個(gè)Intel處理器）2014年6月：第1名-天河2號(hào)-5.49億億次。計(jì)算速度>=1T次/s第2章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)p49:=軟件+硬件超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成第2章微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)-p49—重點(diǎn)講授控制器運(yùn)算器主（內(nèi)）存儲(chǔ)器輸入設(shè)備外存儲(chǔ)器

主機(jī)：

CPU：CPU+主/內(nèi)存儲(chǔ)器微處理器(控制+運(yùn)算+寄存)p50

外設(shè):I/O+輔/外存儲(chǔ)器硬件系統(tǒng)工作原理寄存器輸出設(shè)備下面根據(jù)該程序，介紹各器件和工作原理voidmain(){inta,b,c;scanf("%d%d",&a,&b);c=a+b;printf("c=%d\n",c);}

主板:最大一塊電路板,各部件的連接平臺(tái)第2章馮機(jī)2：程序存儲(chǔ)。自動(dòng)執(zhí)行指令集合

（取分析執(zhí)行指令，指令即2進(jìn)制編碼）voidmain(){inta=5,b=4,c;c=a+b;printf("c=%d\n",c);}CPUp50計(jì)算機(jī)工作原理5+4p50倒數(shù)第3段：取指令-執(zhí)行指令、cpu內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)控制器運(yùn)算器寄存器內(nèi)部總線運(yùn)算器:算術(shù)(+-*/)和邏輯(邏輯加/乘/非)控制器:讀取指令/分析/發(fā)出控制指令寄存器:直接參與運(yùn)算/存放中間結(jié)果9?+?存儲(chǔ)器ALUCUO設(shè)備指令順序指令內(nèi)容執(zhí)行操作操作碼操作數(shù)1取數(shù)-01005-01012取數(shù)-01004-01003加法-00105，44存數(shù)-01019-10015打印-100096停機(jī)-1111字長(zhǎng):單位時(shí)間內(nèi)能同時(shí)處理的比特?cái)?shù)總線:信息傳遞的高速公路按下頁(yè)，介紹總線結(jié)構(gòu)第2章計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)p51-圖2-15地址總線微機(jī)的組成微處理器存儲(chǔ)器I/O微處理器CPU存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線取數(shù)I/O接口I/O設(shè)備控制總線P8-圖1-2微型機(jī)組成框圖I+O設(shè)備+外存儲(chǔ)器=外設(shè)(簡(jiǎn)稱I/O設(shè)備)、運(yùn)算+控制+存儲(chǔ)=主機(jī)、接口外設(shè)與主機(jī)橋梁CPU多核按位置：內(nèi)部總線、外部總線按功能：數(shù)據(jù)(DataBus)、地址(AddressBus)、控制(ControlBus)特性：DB雙向的，寬度決定了CPU和其他設(shè)備間交換數(shù)據(jù)的位數(shù)，即運(yùn)算能力，通常與寄存器位數(shù)相同AB是單向的，傳送CPU發(fā)出的地址信息，其寬度決定了CPU的最大尋址能力，即主存容量。p64-計(jì)算題：11,2,4,5,6題。思考題：AB的寬度為4b，該機(jī)能尋址的范圍是（?）字節(jié)。第2章單晶硅棒經(jīng)過(guò)拋光、切片之后，就成為了大晶元片。直徑在3~12英寸。晶元越大，同一圓片上可生產(chǎn)的die就越多，可降低成本。多核處理器p51-圖2-16-在任務(wù)管理器上可見(jiàn)各核使用狀態(tài)CoreYonah65nm核心照片AMD的雙核：Intel的雙核（“雙芯”如左上圖）：雙核心分類：原生雙核（AMD）和封裝雙核（Intel）將兩個(gè)內(nèi)核做在一個(gè)Die（晶元）上，通過(guò)直連架構(gòu)連接起來(lái)，集成度更高。將在不同Die（晶元）上的兩個(gè)內(nèi)核封裝在一起。晶元：小格，許多die大的是指在一個(gè)處理器上集成多個(gè)運(yùn)算核心，從而提高計(jì)算能力?？偩€結(jié)構(gòu)主存第2章存儲(chǔ)器系統(tǒng)—p52-重點(diǎn)講授主存儲(chǔ)器主存(內(nèi)存）：多核輔存存放CPU正在、即將處理或處理完畢的數(shù)據(jù)，是CPU可直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器。主要材料半導(dǎo)體。存放數(shù)據(jù)和程序的部件稱為存儲(chǔ)器，主存和輔存。存儲(chǔ)器的組成：由許多存儲(chǔ)單元組成(存放2進(jìn)制位的電路)

，一典型的存儲(chǔ)單元的容量是8位(即由8個(gè)2進(jìn)制位組成8bit)，1B。每個(gè)單元的唯一標(biāo)識(shí)稱為地址。地址不變，內(nèi)容可變0000111100110000000000000101101001234567891011121314012345個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元及其地址例,ASCII碼p28

‘A’01000001‘B’01000010

‘a(chǎn)’01100001‘b’01100010后續(xù)介紹數(shù)制及編碼第2章軟盤外存儲(chǔ)器—p54--CPU不能直接訪問(wèn)光驅(qū)光盤“非易失性”指斷電后數(shù)據(jù)仍能保留的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。p57第一自然段。Flashmemory-閃存磁存儲(chǔ)-p55圖2-22、23光盤存儲(chǔ)-p56-圖2-25鋁合金圓盤主存輸入第2章輸入設(shè)備-p59掃描儀--輸入圖片鍵盤-輸入文字鼠標(biāo)-點(diǎn)選圖形界面麥克風(fēng)-輸入聲音攝像頭-輸入影象手寫板-文字輸入CCDp60-電荷耦合器件是圖像輸入設(shè)備的核心部件—俗稱“光眼”。高感光度的半導(dǎo)體成像器件，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)—2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)—2名美籍科學(xué)家—1969年發(fā)明。外存輸出第2章輸出設(shè)備-p61打印機(jī)繪圖儀顯示器輸入接口第2章外部設(shè)備接口-p62接口Portp62倒數(shù)第3段:按傳輸方式分類（傳統(tǒng)接口形式p62倒數(shù)第1段）：是設(shè)備與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的連接端口，是1組信號(hào)交換標(biāo)準(zhǔn)串行接口:單線(或1對(duì))、單列、慢、穩(wěn)定，長(zhǎng)距離并行接口:多線、多列、快、易錯(cuò)，適于短距離傳送高速、串口、可熱插拔。USB2.0-480MbpsUSB3.0>=4.8Gbps注意M、G、b的含義新型接口—USB(通用串行總線UniversalSerialBus)(1996年推出，取代串/并口。p63第2段)輸出ENDCOM第2章圖片來(lái)源：計(jì)算機(jī)的邏輯元件2006年集成度達(dá)1.51億個(gè)/片計(jì)算機(jī)的邏輯元件第1代的電子管Electrontube第3代的小規(guī)模集成電路IntegratedCircuits（芯片-2個(gè)晶體管）第2代的晶體管transistor一美分（一角硬幣）第4代的超大規(guī)模集成電（芯片-5百萬(wàn)個(gè)晶體管）第2章現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父--馮諾依曼p38在圖靈機(jī)的基礎(chǔ)上，馮·諾依曼提出了：前四代計(jì)算機(jī)具有該工作原理和結(jié)構(gòu)，即著名的“馮·諾依曼機(jī)”，其中心就是有存儲(chǔ)程序。計(jì)算機(jī)的工作原理—存儲(chǔ)程序、順序控制計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)—運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備第2章時(shí)間:1946年2月

地點(diǎn):美國(guó)賓州大學(xué)

設(shè)計(jì):莫克利,埃克特編程:接線、開(kāi)關(guān)速度:5,000次/秒器件:1.8萬(wàn)電子管占地:170平方米意義:揭開(kāi)首代電子計(jì)算機(jī)的序幕第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)－ENIAC-p39賓州大學(xué)彈道實(shí)驗(yàn)室2大缺點(diǎn)：(1)沒(méi)有存儲(chǔ)器；(2)它用布線接板進(jìn)行控制2秒運(yùn)算，2天輸入指令和數(shù)據(jù)馮·諾依曼加入提出："存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案"p391973年美國(guó)最高法院裁定第1臺(tái)計(jì)算機(jī)是1939年10月約翰·阿坦那索夫的“ABC“。莫克利1941年剽竊其研究成果。第2章第二代計(jì)算機(jī)-p40器件：800只晶體管存儲(chǔ)：磁心存儲(chǔ)器高級(jí)語(yǔ)言FORTRAN1957誕生第2章第三代計(jì)算機(jī)－system/360IBM公司的system/360第一個(gè)集成電路操作系統(tǒng)出現(xiàn)中小規(guī)模集成電路第2章時(shí)間：1974年地點(diǎn)：貝爾實(shí)驗(yàn)室速度：300兆次/秒器件：超大規(guī)模集成電路存儲(chǔ)：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器售價(jià)：$31,000,000位于美國(guó)NASAAmes研究中心

1975年第1代PCs誕生，8bit-cup,256B-RAM，1982年普及1990微軟發(fā)布MPC，PC+CD-ROM+聲卡+Windows-OS1971年，第一臺(tái)微處理機(jī)4004由英特爾公司研制成功1994:開(kāi)辟了PC機(jī)游戲廣闊市場(chǎng)。1997年4月:IBM的深藍(lán)，戰(zhàn)勝國(guó)際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫2001年10月微軟推出WindowsXP，蓋茨宣布DOS時(shí)代結(jié)束第四代計(jì)算機(jī)－ILLIACIV微處理器的型號(hào)：8088-8b、80286-16b、Pentium-64bIntel、AMD、威盛-嵌入式(蘋果-IBM)第2章天河二號(hào)占地面積720平方米，內(nèi)存總?cè)萘?400萬(wàn)億字節(jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘?2400萬(wàn)億字節(jié)，最大運(yùn)行功耗17.8兆瓦。天河二號(hào)運(yùn)算1小時(shí)，相當(dāng)于13億人同時(shí)用計(jì)算器計(jì)算一千年，其存儲(chǔ)總?cè)萘肯喈?dāng)于存儲(chǔ)每?jī)?cè)10萬(wàn)字的圖書600億冊(cè)。電費(fèi)每年達(dá)1億人民幣。由280人兩年多研制完成研發(fā)耗資約1億美元(科技部+廣東省+廣州市政府共同出資)它已應(yīng)用于生物醫(yī)藥、新材料、工程設(shè)計(jì)與仿真分析、天氣預(yù)報(bào)、智慧城市、電子商務(wù)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體和動(dòng)漫設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)開(kāi)展了高精度外流場(chǎng)氣動(dòng)計(jì)算。阿凡達(dá)的電影中，超過(guò)三分之二的人物與景象都是通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)的?！鄙婕暗襟w系結(jié)構(gòu)、芯片技術(shù)、高速互連、存儲(chǔ)架構(gòu)、編程模型、能耗控制、系統(tǒng)管理、結(jié)構(gòu)工藝等諸多方面。第2章計(jì)算機(jī)工作原理:5+4=?p50倒數(shù)第3段：取指令-執(zhí)行指令存儲(chǔ)器ALUCUI設(shè)備O設(shè)備指令順序指令內(nèi)容執(zhí)行操作操作碼操作數(shù)1取數(shù)（0100）5（0101）2取數(shù)（0100）4（0100）3加法（0010）5，44存數(shù)（0101）9（1001）5打?。?000）96停機(jī)（1111）voidmain(){inta=5,b=4,c;c=a+b;printf("c=%d\n",c);}000100000101（5-a）001000000100（4-b）001100001001（9-c）…（程序區(qū)中前4位為操作碼，后4位為地址碼）010101000001011001000010011100100001100001010011….……內(nèi)存內(nèi)容內(nèi)存地址數(shù)據(jù)區(qū)程序區(qū)從程序首地址開(kāi)始啟動(dòng)，在CU控制下完成取-分析-執(zhí)行指令從0010地址開(kāi)始依次取2個(gè)操作數(shù)寄存器控制器運(yùn)算器第2章計(jì)算機(jī)的主板第2章8008CPU和PentiumProCPU的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部放大圖摩爾定律

：?jiǎn)挝黄椒接⒋缧酒暇w管的數(shù)量每18個(gè)月將增加一倍第2章摩爾定律戈登·摩爾GordonMooreIntel創(chuàng)始人之一

1、1965年由戈登·摩爾提出—60個(gè)/片（當(dāng)時(shí)）芯片上晶體管的數(shù)量每18個(gè)月增加一倍專家認(rèn)為，按目前技術(shù)，集成度已接近物理極限。屆時(shí)，將是摩爾定律的終點(diǎn)—張首晟

？開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)：光學(xué)計(jì)算、生物計(jì)算、量子計(jì)算等。4、Intel將于05年底推出擁有17億個(gè)/片Montecito芯片2、1971年英特爾生產(chǎn)的第一個(gè)芯片2300個(gè)/片；3、英特爾的奔騰4芯片4200萬(wàn)個(gè)/片第2章張首晟--2014年諾貝爾獎(jiǎng)?lì)A(yù)測(cè)名單華裔科學(xué)家。祖籍江蘇高郵，1963年生于上海。1978年恢復(fù)高考時(shí)，初中畢業(yè)15歲張首晟直接考入復(fù)旦大學(xué),期間作為交流學(xué)生到德國(guó)柏林大學(xué)深造，1983年赴紐約州立大學(xué)師從楊振寧教授攻讀博士學(xué)位，1987年獲物理學(xué)博士學(xué)位，1993年任斯坦福大學(xué)物理系教授。2006年提出了“量子自旋霍爾效應(yīng)”概念，被納入《科學(xué)》雜志2007重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。業(yè)界普遍認(rèn)為，摩爾定律(Moore‘sLaw)將于2015年因