計算機發(fā)展歷史及原理

1、12作用：作用：1 1、更好地理解和用好作為工具的計算機。、更好地理解和用好作為工具的計算機。 （快速、正確理解所使用的系統(tǒng)）（快速、正確理解所使用的系統(tǒng)）2 2、在本職工作中提供新的計算機系統(tǒng)解決方案。、在本職工作中提供新的計算機系統(tǒng)解決方案。 ( (合作合作軟硬結合軟硬結合系統(tǒng)的開發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)) )課程內容：課程內容：計算機計算機硬件硬件技術的基礎知識、基本思想技術的基礎知識、基本思想 和基本方法和基本方法. . （部件及之間的關系、工作原理與邏輯實現(xiàn)）（部件及之間的關系、工作原理與邏輯實現(xiàn)）3第1章 計算機系統(tǒng)概論41. 計算機的發(fā)展簡史類型類型時期時期主要器件主要器件重重 要要 特特

2、征征第一代第一代1946-1958電子管電子管機器語言，匯編語言，速度低，體機器語言，匯編語言，速度低，體積大，價格昂貴，可靠性差，用于積大，價格昂貴，可靠性差，用于科學計算科學計算第二代第二代1958-1964晶體管晶體管算法語言，操作系統(tǒng)，體積縮小，算法語言，操作系統(tǒng)，體積縮小，可靠性提高，從科學計算擴大到數(shù)可靠性提高，從科學計算擴大到數(shù)據(jù)處理據(jù)處理第三代第三代1964-1971中、小規(guī)模中、小規(guī)模集成電路集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達體積小，可靠性大大提高，速度達幾幾MIPS，軟件技術和外設發(fā)展迅軟件技術和外設發(fā)展迅速應用領域不斷擴大速應用領域不斷擴大第四代第四代1971-中、大

3、及超中、大及超大規(guī)模集成大規(guī)模集成電路電路速度提高至速度提高至GIPS乃至乃至TIPS水平，多水平，多機并行處理和計算機網(wǎng)絡迅速發(fā)展。機并行處理和計算機網(wǎng)絡迅速發(fā)展。 “微型計算機微型計算機” 出現(xiàn)出現(xiàn)5 各時代代表機型各時代代表機型時代機型產地產地一ENIAC 1946 十進制EDSAC 1949 二進制和“存儲程序”103（M-3） 195759美美.賓州大學賓州大學英英.劍橋大學劍橋大學中科院計算所中科院計算所二IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441B IBM中國中國三IBM360/370系列CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1NOVA,PDP

4、-11DJS-130/200IBMCDC美美中國中國四微型機微型機 APPLE, IBM-PCVAX系列系列長城長城0520, .APPLE ， IBMDEC長城計算機長城計算機6789第四代計算機中微處理器的發(fā)展：Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位芯片Intel 4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統(tǒng)（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）104004 1180081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理

5、器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。 12 1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。 主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。 13Intel 8086 第三代微處理器 1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術的晶體管，售價360美元。 14Z80微處理

6、器 Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機和工業(yè)自動控制設備。當時，zilog、Motorola和Intel在微處理器領域三足鼎立。15第一臺第一臺微型計算機微型計算機：Altair 8800 1975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair 8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。 Altair定位在青年電腦迷市場 Paul Allen和Bill Gates在三周內為Altair開發(fā)出BASIC語言，MITS成為兩個未來富翁的第一個客戶 16Apple 1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs開發(fā)出微型計

7、算機Apple I，4月1日愚人節(jié)這天，兩個Steve成立了Apple計算機公司。 Apple II是第一個帶有彩色圖形的個人計算機，售價為1300美元。Apple II及其系列改進機型風靡一時，這使Apple成為微型機時代最成功的計算機公司。 171981-PC元年 早在1980年7月，一個負責“跳棋計劃”的13人小組秘密來到佛羅里達州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心，開始開發(fā)后來被稱為IBM PC的產品。一年后的8月12日，IBM公司在紐約宣布第一臺IBM PC誕生，這個開創(chuàng)計算機歷史新篇章的時刻。 第一臺IBM PC采用了主頻為4.77MHz的Intel 8088 操作系統(tǒng)是Microso

8、ft提供的MS-DOS IBM將其命名為“個人電腦（Personal Computer）18計算機的發(fā)展日新月異 1920我國計算機技術的發(fā)展 1953年開始研究，年開始研究，1958年研究出第一臺計算機，年研究出第一臺計算機，103型型通用計算機通用計算機 50年來相繼研究出了第二代，第三代計算機。年來相繼研究出了第二代，第三代計算機。 80年代研究出了每秒億次的巨型機，銀河年代研究出了每秒億次的巨型機，銀河I,II,其他如曙其他如曙光天演光天演(清華清華BBS,學校高性能計算中心學校高性能計算中心)。1985年年6月，中月，中國第一臺自行研制的微機長城國第一臺自行研制的微機長城0520研制

9、成功，其廣告詞研制成功，其廣告詞是：是：“一臺我們自己制造的能夠處理中文的電腦一臺我們自己制造的能夠處理中文的電腦”。 在高性能計算，并行計算上已緊跟國際先進水平，但計在高性能計算，并行計算上已緊跟國際先進水平，但計算機的核心部件算機的核心部件CPU技術還遠遠落后。技術還遠遠落后。 中科院研究開發(fā)的龍芯中科院研究開發(fā)的龍芯GODSON2122計算機發(fā)展的理論基礎和規(guī)律1、邏輯代數(shù)、邏輯代數(shù)2、圖靈機：、圖靈機：英國數(shù)學家圖靈證明理想的通用數(shù)字計算機是可以制造出英國數(shù)學家圖靈證明理想的通用數(shù)字計算機是可以制造出來的?，F(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學模型來的。現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學模型3、馮、馮.諾依曼

10、計算機原理：諾依曼計算機原理：二進制二進制存儲程序并按地址順序執(zhí)行存儲程序并按地址順序執(zhí)行(程序控程序控制）制）4、Moore定律：定律：微處理器內晶體管數(shù)每微處理器內晶體管數(shù)每18個月翻一番個月翻一番5、Bell定律：定律：如果保持計算能力不變，微處理器的價格每如果保持計算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半個月減少一半6、Gilder定律：定律： 未來未來25年（年（1996年預言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每年預言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加個月增加一倍一倍7、Metcalfe定律：定律： 網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)的平方成正比網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)的平方成正比8、半導體存儲器發(fā)展規(guī)律：、半導

11、體存儲器發(fā)展規(guī)律：DRAM密度每年增加密度每年增加60%，每三年翻四倍，每三年翻四倍9、硬盤存儲技術發(fā)展規(guī)律：、硬盤存儲技術發(fā)展規(guī)律： 硬盤的密度每年增加約一倍硬盤的密度每年增加約一倍23計算機發(fā)展的趨勢1、微型計算機已邁入、微型計算機已邁入64位的新時代位的新時代2、精減指令計算機（、精減指令計算機（RISC）正在逐步取代復雜指令計算機）正在逐步取代復雜指令計算機（CISC）3、多媒體計算機技術、網(wǎng)絡存儲技術正在推廣使用、多媒體計算機技術、網(wǎng)絡存儲技術正在推廣使用4、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（MPP）的處理速度已達到）的處理速度已達到TFLOPS（每秒（每秒1012條浮點指令

12、條浮點指令,萬億）級萬億）級5、超立方體計算機、神經網(wǎng)絡計算機等高性能計算機正在、超立方體計算機、神經網(wǎng)絡計算機等高性能計算機正在加緊研究、試制之中。加緊研究、試制之中。 隨著電子器件速度極限的逼近人們又開始了全新隨著電子器件速度極限的逼近人們又開始了全新時代計算機的研究時代計算機的研究 24二十一世紀的計算機二十一世紀的計算機 光計算機：光計算機： 光能夠像電一樣傳送信息，其抗干擾能力強，傳輸速度快，并且光光能夠像電一樣傳送信息，其抗干擾能力強，傳輸速度快，并且光學器件的能耗非常低。尤為重要的是，光的獨立性使得大規(guī)模的并行計學器件的能耗非常低。尤為重要的是，光的獨立性使得大規(guī)模的并行計算成為

13、可能。算成為可能。 生物計算機：生物計算機： 生物系統(tǒng)的信息處理過程是基于分子的計算與通訊過程，生物計算生物系統(tǒng)的信息處理過程是基于分子的計算與通訊過程，生物計算不是按照傳統(tǒng)的確定算法來解決問題，而是通過競爭優(yōu)化的方式來求解不是按照傳統(tǒng)的確定算法來解決問題，而是通過競爭優(yōu)化的方式來求解問題。生物計算的主要形式是學習和記憶問題。生物計算的主要形式是學習和記憶 。生物系統(tǒng)在解決復雜圖形和。生物系統(tǒng)在解決復雜圖形和多重模式判定方面有獨特的優(yōu)勢。多重模式判定方面有獨特的優(yōu)勢。 量子計算機：量子計算機： 量子計算的概念遠比光子計算和生物計算出現(xiàn)得晚，但卻具有更大量子計算的概念遠比光子計算和生物計算出現(xiàn)得

14、晚，但卻具有更大的革命潛力的革命潛力 。 信息存儲器信息存儲器 目前，在室溫下能夠制造出單電子內存，在大約目前，在室溫下能夠制造出單電子內存，在大約7平方納米大小的平方納米大小的位元上，位元上，每一平方納米就能存儲每一平方納米就能存儲250GB的信息的信息。 25計算機電子模擬計算機電子數(shù)字計算機通用計算機專用計算機巨型機大型機中型機小型機微型機單片機2、計算機的分類 263、計算機硬件系統(tǒng) 計算機硬件計算機硬件：一切構成計算機的物理實體一切構成計算機的物理實體硬件系統(tǒng)構成思想：計算機的基礎理論（硬件系統(tǒng)構成思想：計算機的基礎理論（馮諾依曼思想：馮諾依曼思想： 存儲程序，程序控制等，大部分已經

15、有存儲程序，程序控制等，大部分已經有50年）未變年）未變 因此，計算機的關鍵部件沒有大的改變因此，計算機的關鍵部件沒有大的改變 即：即：計算機五大功能部件計算機五大功能部件27計算機硬件系統(tǒng)的組成 運算器運算器（完成算術運算，邏輯運算）（完成算術運算，邏輯運算） 主存儲器主存儲器（存放程序以及數(shù)據(jù)）（存放程序以及數(shù)據(jù)） 控制器控制器（控制指令的執(zhí)行序列，根據(jù)指令的功能（控制指令的執(zhí)行序列，根據(jù)指令的功能給出實現(xiàn)指令功能所需要的控制信號）給出實現(xiàn)指令功能所需要的控制信號） 輸入設備輸入設備，能將人能夠識別的信息形式轉換為機，能將人能夠識別的信息形式轉換為機器能夠識別的形式器能夠識別的形式 輸出設

16、備輸出設備28計算機硬件組成框圖主機外圍設備CPU運算器控制器存儲器接口輸入設備接口輸出設備系統(tǒng)總線29CPU的組成的組成示意圖示意圖 1. 控制器控制器 從內存取出一條從內存取出一條指令指令,并指出下條指并指出下條指令的地址令的地址; 對指令進行譯碼對指令進行譯碼,產生相應的控制信號產生相應的控制信號; 指揮并控制指揮并控制CPU,內存和內存和I/O設備之間設備之間的數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)傳送. 2.運算器運算器 加工信息加工信息.包括包括:算術運算，算術運算， 邏輯運算邏輯運算注意：注意：寄存器、總線的位寄存器、總線的位寬寬/字長字長30對計算機硬件的理解 硬件：硬件：對數(shù)字操作的機器系統(tǒng)對數(shù)字操

17、作的機器系統(tǒng) 數(shù)字硬件：數(shù)字硬件： 對數(shù)字進行處理、傳輸、和存儲的硬件對數(shù)字進行處理、傳輸、和存儲的硬件 轉換硬件轉換硬件： 將各種形式的信息轉換為數(shù)字信息，或者將數(shù)將各種形式的信息轉換為數(shù)字信息，或者將數(shù)字信息轉換為各種形式的硬件（圖像、聲音、文字信息轉換為各種形式的硬件（圖像、聲音、文字輸入輸出設備，目前重要的設備是顯示器）字輸入輸出設備，目前重要的設備是顯示器）31數(shù)字技術的三分天下數(shù)字技術的三分天下處理處理： CPU, DSP, ASIC傳輸傳輸： 總線總線(CPU內部、系統(tǒng)總線內部、系統(tǒng)總線, I/O總線總線), 網(wǎng)絡（網(wǎng)絡（LAN，WAN，INTERNET,無線網(wǎng)）無線網(wǎng)）存儲存儲

18、： RAM，ROM，F(xiàn)LASH，硬盤，光盤，硬盤，光盤， 存儲系統(tǒng)（存儲系統(tǒng)（RAID ，SAN ，NAS）324 4、計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)，計算機硬件是載體，軟件系統(tǒng)，計算機硬件是載體， 軟件是靈魂。軟件是靈魂。 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 、 應用軟件應用軟件 一切程序的集合一切程序的集合 固件：具有軟件功能，具有硬件形態(tài)的固件：具有軟件功能，具有硬件形態(tài)的 部件部件33對軟件的理解 可運行的思想和內容的數(shù)字化可運行的思想和內容的數(shù)字化 思想：算法、規(guī)律、辦法思想：算法、規(guī)律、辦法-程序表達程序表達 內容：圖形、圖像、數(shù)據(jù)、聲音、文字等內容：圖形、圖像、數(shù)據(jù)、聲音、文字等 歸結為程序和數(shù)據(jù)（統(tǒng)稱二進制表示的信息）歸結為程序和數(shù)據(jù)（統(tǒng)稱二進制表示的信息） 軟件的核心軟件的核心: 算法算法 (一個好的算法可以代替大量的硬件一個好的算法可以代替大量的硬件: FFT, MPEG) 34硬件是相似的，硬件是相似的，軟件則各有各的不同軟件則各有各的不同 各種硬件在數(shù)字域都有相同或相似的內臟（只有各種硬件在數(shù)字域都有相同或相似的內臟（只有三個部分：