計(jì)算機(jī)硬件(第1章概述)

第一章計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)概述

本章王要內(nèi)容

I/-

-n1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

JI

wv(＞微電子器件的發(fā)展和摩爾定律

^\＞計(jì)算機(jī)的發(fā)展、特點(diǎn)、分類(lèi)和

c/-

-m發(fā)展趨勢(shì)

I「1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

＞計(jì)算機(jī)的硬件和軟件

X/~

-u＞計(jì)算機(jī)的硬件

I

\/習(xí)題與思考題

\^

^11頁(yè)：4、5、6、7

^/~

-n

第1頁(yè)

1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展史

1.微電子器件的發(fā)展

計(jì)

＞電子管

機(jī)特點(diǎn)：體積大、功耗高、壽命短、速度慢、

W?可靠性差。早?期的電子管

硬

就I\Iy＞半導(dǎo)體晶體管

I特點(diǎn)：體積小、功耗低、可靠性高。

我

-o包括雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

彳利集成電路芯片

基

(IC:IntegratedCircuits)特點(diǎn):速度

砒快、體積更小、功耗更低、可靠性更高等。

-OJ

7y±

第2頁(yè)

1.1.1從微電子器件的發(fā)展看電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

IC集成度分類(lèi):

介SSI（小規(guī)模集成電路）

M晶體管數(shù)100個(gè)以下

機(jī)MSI（中規(guī)模集成電路）

硬晶體管數(shù)100?3000個(gè)

「件［LSI（大規(guī)模集成電路）

及晶體管數(shù)3000?105個(gè)

東VLSI（超大規(guī)模集成電路）

二晶體管數(shù)105?1。8個(gè)

砒ULSI（甚大規(guī)模集成電路）

晶體管數(shù)以上

X-T目前的P4集成度超過(guò)108

才〃第3頁(yè)

JX

1.1.1從微電子器件的發(fā)展看電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

jA電子管計(jì)算機(jī)（1946年到50年代后期）

一：■存儲(chǔ)器：延遲線、磁芯

平■無(wú)高級(jí)語(yǔ)言，甚至沒(méi)有匯編器

■科學(xué)計(jì)算、為軍事與國(guó)防尖端科技服務(wù)

；明.沒(méi)有商業(yè)化

<A晶體管計(jì)算機(jī)（50年代中期到60年代后期）

■磁芯存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)量從幾千提高到10萬(wàn)單元以上

:翦■運(yùn)算速度從每秒幾千次提高到幾十萬(wàn)次

■軍事與尖端技術(shù)、氣象、工程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理以及其

他科學(xué)研究等領(lǐng)域

1/JA

二“才」第4頁(yè)

1.1.1從微電子器件的發(fā)展看電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

-/f

/

\

Q

\A中、小規(guī)模集成電路集成電路計(jì)算機(jī)（從60年代

^

~

/中期到70年代前期）

I

n

-■功耗、體積、價(jià)格等進(jìn)一步下降。

I■速度及可靠性相應(yīng)的提高

-范圍進(jìn)一步擴(kuò)大

^

7

?

1

1

"?大、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（70年代初到至今）

「

I■20世紀(jì)60年代后，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器取代了磁芯存儲(chǔ)器，

并不斷向大容量、高集成度、高速度發(fā)展。

~

/

X

I■70年代初，出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)（PC）——以微處理器

—

-（MPU,單片IC的CPU）為核心的電子計(jì)算機(jī)。

I

■計(jì)算機(jī)進(jìn)入了幾乎所有的行業(yè)。

-

/

1

1

1

第5頁(yè)

1.1.2摩爾定律

1965年，乙

Intel的創(chuàng)辦人uitnmilU

■

1獷

之一摩爾發(fā)現(xiàn):1tnliuml*n>ntII

“在相等面積單Pi

片

晶8叫

I戶(hù)

（制作成本）上，/

CPU上的晶體體

管sow*,

管數(shù)量以每18數(shù)

IP

個(gè)月倍增的趨

勢(shì)增加，執(zhí)行嬴86

性能的提升大

r

體也符合這個(gè)80^

X8008

趨勢(shì)。”4MM

19MoI9X5IW520002005

第6頁(yè)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

/

-If

B1.第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

/^

/1946年，ENIAC,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)

m

->＞18800個(gè)電子管、1500個(gè)繼電器，重達(dá)30噸，占地170平

/

J

(

^方米。耗電150千瓦。

o

\

^

/-

T＞運(yùn)算速度為每

H

J秒5000次十進(jìn)

-/

v

/nM加法運(yùn)算或

/

\、

^

a

\者400次乘法運(yùn)

^

/~算

i

l

l

-J＞至多只能存20

1個(gè)io彳立G勺牛進(jìn)

/

\、

^制數(shù)，無(wú)程序

\I

^T

>

-存儲(chǔ)器。

/

/

I

—J

-/

S

IENIAC計(jì)算機(jī)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

/

/

(

b

\

^2.存儲(chǔ)程序概念的提出

-

H/以美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮?諾依曼為首的研制小組與參與

-

--7研制ENIAC主要人員聯(lián)名發(fā)表了一篇長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)紙的報(bào)

n/

"告，即計(jì)算機(jī)史上著名的“101頁(yè)報(bào)告”，提出了“存

I

儲(chǔ)程序控制”的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)（即諾依曼機(jī)），奠定了現(xiàn)代

/~計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。

n

-⑴計(jì)算機(jī)（指硬件）由五大基本部件組成；

/

^{⑵計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)；

^\

/-

n⑶將編好的程序和原始數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，然后再執(zhí)

-

萬(wàn)

?行程序。

第

8頁(yè)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

3.第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)

1949年在英國(guó)劍橋大學(xué)問(wèn)世的EDSAC,由3000只電

子管為主要元件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。

1951年馮?諾

依曼的EDVAC問(wèn)

世，總共只采用

了2300個(gè)電子管,

但運(yùn)算速度卻比

擁有18000個(gè)電

子管的ENIAC提

埃迪薩克”

高了10倍。(BDSAC

第9頁(yè)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

I

4.晶體管計(jì)算機(jī)的誕生

/~

nA1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一臺(tái)使用晶體管線路的

-

計(jì)算機(jī)（TRADIC）,裝有800個(gè)晶體管。

~A1958年，舊M公司制成了第一臺(tái)全部使用晶體管的計(jì)算

n/

-機(jī)RCA501型。計(jì)算速度從每秒幾千次提高到幾十萬(wàn)次,

/I

v\主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)量，從幾千提高到10萬(wàn)以上。

^\

~

n/A1959年，舊M公司又生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計(jì)算機(jī)

-

IIBM7090o

/

JJX第10頁(yè)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

5.第三代計(jì)算機(jī)的的著名代表

/~

1?

?1964年，

I「第一個(gè)采用

集成電路的

/通用計(jì)算機(jī)

I/

.I

-系列IBM

/

/360系統(tǒng)研

\

o

\制成功，該

^

/~

nI系列有大、

-'中、小型，

I共6個(gè)型號(hào)。

IBM360系統(tǒng)

第11頁(yè)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

6.使用超大規(guī)模集成電路的第四代計(jì)算機(jī)

在1967年和

1977年，分別出

現(xiàn)了大規(guī)模集成電

路和超大規(guī)模集成

電路。美國(guó)的

ILLIACJV計(jì)算機(jī),

是第一臺(tái)全面使用

大規(guī)模集成電路作

為邏輯元件和存儲(chǔ)

器的計(jì)算機(jī)。

cray-2巨型林

第12頁(yè)

11.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

7.微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)

AIntel系列CPU的發(fā)展，

特別是1978年推出的

808616位CPU,為微機(jī)

的出現(xiàn)奠定了硬件基礎(chǔ)。

A1980年，舊M實(shí)行“開(kāi)

放”政策；采用Intel

8088MPU＞委托獨(dú)立軟

件公司為它配置各種軟

件。

A1981年8月12日，舊M在

紐約宣布舊MPC個(gè)人電IBMPC

腦出世。

第13頁(yè)

1.1.3計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的重要里程碑

—Intelx86CPU系列部分芯片主要性能表

Intelx86CPU系列部分芯片主要性能表

字長(zhǎng)集成度時(shí)鐘速率運(yùn)算速度

代年份型號(hào)工藝(萬(wàn)個(gè))(MHz)(MIPS)

------7144004PMOS0.2<10.06

狒-----7488080NMOS0.52~40.4

蜜78168086HMOS2.94.7770<1

咻\1

1四853280386CMOS27.516-336~12

和五9332PentiumCMOS32060733100-200

Pentium

六9732IICMOS750233~400>300

Pentium1.3-3.6

秋七0132IVCMOS4200GHz

OJPentium3.2~3.6

八0464IVFCMOS16900GHz

第14頁(yè)

1.1.4現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及其類(lèi)型

-/

/

^\%B

^\

~計(jì)算機(jī)按用途可分為專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和通

n/券

?>用計(jì)算機(jī)

「

＞專(zhuān)用計(jì)算機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)、最快速的計(jì)算機(jī),

但是它的功能單一，適應(yīng)性很差。

/-

nJ＞通用計(jì)算機(jī)功能齊全，適應(yīng)性很強(qiáng)，但是犧牲了

"v/

Jn效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。

v(、

^\＞專(zhuān)用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、

/-

n運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分的。

-J

I現(xiàn)在一般意義上講的計(jì)算機(jī)都是指通用計(jì)算機(jī)。

/嬤

{、

\^

^>TI

i/-*

1J

^七/

.IS第15頁(yè)

1.1.4現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及其類(lèi)型

oK巨型機(jī)（GFLOPS二億次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒）

^\

-

/?指令速度每秒一億次以上，最高運(yùn)算速度達(dá)到32GFL0PS。

n

-＞在結(jié)構(gòu)上一般采用并行多處理器。

?應(yīng)用于尖端科學(xué)、軍事領(lǐng)域，標(biāo)志國(guó)家計(jì)算機(jī)技術(shù)水平。

中、大型機(jī)：

^

/

n＞運(yùn)算速度為每秒100萬(wàn)次至數(shù)千萬(wàn)次。

-

I

/?一般最為大學(xué)、大型企業(yè)、金融等行業(yè)或單位。

\

^

\?高可靠性。

^

/-

1小型機(jī)

?

-?規(guī)模小、結(jié)構(gòu)緊湊、容易維護(hù)。

?一般用于企業(yè)管理、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等

J?也可以作為大型與巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助計(jì)算機(jī)。

第

6頁(yè)

1.1.4現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及其類(lèi)型

/>

v?

^\微型機(jī)

/-＞體積桌面化--掌上化

m

-?通用化

?維護(hù)簡(jiǎn)單化，操作簡(jiǎn)單化，用戶(hù)平民化

~

n/＞價(jià)格低廉化

-?多媒體化、網(wǎng)絡(luò)化

i

^(/

^\a

~

n/

-

/

^{

^\

~

n/

-

.7

1.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展是向“兩極”（多級(jí)）分化

/^.A微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、通用化。

nI

?A巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展。

/I

o\>關(guān)于計(jì)算機(jī)的大小——速度、容量。

^\

l?/?未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

lv

-?計(jì)算能力進(jìn)一步提高——預(yù)計(jì)21世紀(jì)初期，將出現(xiàn)每

/

/

(秒100萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

b

\

^?計(jì)算機(jī)將進(jìn)入人工智能時(shí)代——具備學(xué)習(xí)、判斷、推

/

i

l

?,理及自然語(yǔ)言能力。

?將出現(xiàn)新型材料計(jì)算機(jī)——超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、

-7/,

^\光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)。

^\

/4~

n第18頁(yè)

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——硬件與軟件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的結(jié)合的整體。

/~?硬件：計(jì)算機(jī)的物質(zhì)存在的實(shí)體，軟件的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。

n

-?軟件：計(jì)算機(jī)功能和數(shù)據(jù)的二進(jìn)制表示信息。

I例：計(jì)算機(jī)通信

/-

m

判

-電信號(hào).字節(jié)字節(jié).幀信息幀.包信息包.

決二進(jìn)制.

I