華中科技大學(xué)計算機(jī)組成原理課件

第一章、計算機(jī)系統(tǒng)概述2011版權(quán)1第一章、計算機(jī)系統(tǒng)概述2011版權(quán)1本章主要內(nèi)容計算機(jī)分類、應(yīng)用計算機(jī)發(fā)展簡史計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2本章主要內(nèi)容計算機(jī)分類、應(yīng)用2計算機(jī)分類電子計算機(jī)從總體上來說分為模擬計算機(jī)和數(shù)字計算機(jī)兩大類：電子模擬計算機(jī)?！澳M”就是相似的意思。模擬計算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運(yùn)算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計算機(jī)，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動計算。

3計算機(jī)分類電子計算機(jī)從總體上來說分為模擬計算機(jī)和數(shù)字計算機(jī)分類數(shù)字計算機(jī)與模擬計算機(jī)的主要區(qū)別

4計算機(jī)分類數(shù)字計算機(jī)與模擬計算機(jī)的主要區(qū)別

4計算機(jī)分類計算機(jī)電子模擬計算機(jī)電子數(shù)字計算機(jī)通用計算機(jī)專用計算機(jī)超級計算機(jī)大型機(jī)服務(wù)器工作站微型機(jī)單片機(jī)5計算機(jī)分類計算機(jī)電子模擬計算機(jī)電子數(shù)字計算機(jī)通用計算機(jī)專用計計算機(jī)的性能指標(biāo)(1)吞吐量:表征一臺計算機(jī)在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，單位是字節(jié)/秒（B/S）。響應(yīng)時間:表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（10-6S）、納秒（10-9S）。利用率:表示在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示。6計算機(jī)的性能指標(biāo)(1)吞吐量:表征一臺計算機(jī)在某一時間間計算機(jī)的性能指標(biāo)(2)處理機(jī)字長:指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長有8位、16位、32位、64位。

字長越長，表示計算的精度越高。總線寬度:一般指CPU中運(yùn)算器與存儲器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。

存儲器容量:存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。

其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1個字節(jié)）。存儲器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。

7計算機(jī)的性能指標(biāo)(2)處理機(jī)字長:指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能計算機(jī)的性能指標(biāo)(3)存儲器帶寬:存儲器的速度指標(biāo)，單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。

主頻/時鐘周期:CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。度量單位是MHz（兆赫茲）、GHz（吉赫茲）。例如Pentium系列機(jī)為60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

主頻的倒數(shù)稱為CPU時鐘周期（T），即T=1/f，度量單位是微秒、納秒。

8計算機(jī)的性能指標(biāo)(3)存儲器帶寬:存儲器的速度指標(biāo)，單計算機(jī)的性能指標(biāo)(4)CPU執(zhí)行時間:表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間，可用下式計算：

CPU執(zhí)行時間＝CPU時鐘周期數(shù)×CPU時鐘周期長CPI:表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。用下式計算：

CPI＝

執(zhí)行某段程序所需的CPU時鐘周期數(shù)

該程序包含的指令條數(shù)

9計算機(jī)的性能指標(biāo)(4)CPU執(zhí)行時間:表示CPU執(zhí)行一段計算機(jī)的性能指標(biāo)(5)MIPS:表示每秒百萬條指令數(shù)，用下式計算：

MIPS＝

指令條數(shù)

程序執(zhí)行時間×106

＝

時鐘頻率

CPI×106

MIPS是單位時間內(nèi)的執(zhí)行指令數(shù)，所以MIPS值越高說明機(jī)器速度越快。程序執(zhí)行時間Te為：

Te＝

指令條數(shù)

MIPS×106

10計算機(jī)的性能指標(biāo)(5)MIPS:表示每秒百萬條指令數(shù)，用計算機(jī)的性能指標(biāo)(6)FLOPS:floating-pointoperationspersecond

即“每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)”，“每秒峰值速度”FLOPS是基于操作而非指令的，只能用來衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，而不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能。

一個MFLOPS(megaFLOPS)等於每秒100萬(=106)次的浮點(diǎn)運(yùn)算，一個GFLOPS(gigaFLOPS)等於每秒10億(=109)次的浮點(diǎn)運(yùn)算，一個TFLOPS(teraFLOPS)等於每秒1萬億(=1012)次的浮點(diǎn)運(yùn)算，一個PFLOPS(petaFLOPS)等於每秒1千萬億(=1015)次的浮點(diǎn)運(yùn)算，一個EFLOPS(exascaleFLOPS)等於每秒100億億(=1018)次的浮點(diǎn)運(yùn)算。11計算機(jī)的性能指標(biāo)(6)FLOPS:floating-p本章主要內(nèi)容計算機(jī)分類、應(yīng)用計算機(jī)發(fā)展簡史計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)12本章主要內(nèi)容計算機(jī)分類、應(yīng)用12計算機(jī)發(fā)展簡史17世紀(jì)之前，中國人的智慧之光16世紀(jì)-17世紀(jì)初期，西方人的靈感17世紀(jì)中期-19世紀(jì)中期先驅(qū)的探索機(jī)械式計算機(jī)19世紀(jì)后期機(jī)械到電的飛躍機(jī)電式計算機(jī)20世紀(jì)電子文明的曙光電子計算機(jī)13計算機(jī)發(fā)展簡史17世紀(jì)之前，中國人的智慧之光1317世紀(jì)以前中國人的智慧之光1417世紀(jì)以前中國人的智慧之光14最古老的計算工具-算籌（算子）算籌：春秋時期出現(xiàn)?？v式和橫式表示自然數(shù)，可進(jìn)行加減乘除、開方及其它的代數(shù)計算。一縱十橫，百立千僵，“運(yùn)籌帷幄”負(fù)數(shù)出現(xiàn)后，算籌分紅黑兩種，紅籌表示正數(shù)，黑籌表示負(fù)數(shù)。這種運(yùn)算工具和運(yùn)算方法，在當(dāng)時世界上是獨(dú)一無二的。祖沖之用15年時間計算圓周率，精確到小數(shù)點(diǎn)后7位15最古老的計算工具-算籌（算子）算籌：春秋時期出現(xiàn)?？v式和橫式最古老的計算器-算盤算盤被譽(yù)作中國“第五大發(fā)明”，陜西歧山西周宮室遺址中出土了90粒青黃兩色陶丸，青色20粒，黃色70粒，將算盤的發(fā)明時間提前到二千多年前的西周時期?！皟r格低廉，絕無故障，節(jié)約能源，十年中無需任何保養(yǎng)”16最古老的計算器-算盤算盤被譽(yù)作中國“第五大發(fā)明”，1616世紀(jì)-17世紀(jì)初期西方人的靈感1716世紀(jì)-17世紀(jì)初期西方人的靈感171621年-岡特計算尺在發(fā)明計算機(jī)之前，計算尺是科學(xué)研究、工程設(shè)計和生產(chǎn)實踐中使用最廣泛、應(yīng)用最便捷、最有價值的計算工具。在三百余年的輝煌歷史時間內(nèi)，計算尺為人類進(jìn)步、世界文明作出了無法估量的偉大貢獻(xiàn)。181621年-岡特計算尺在發(fā)明計算機(jī)之前，計算尺是科學(xué)研究、工達(dá)芬奇機(jī)械式計算機(jī)1500年達(dá)芬奇手稿關(guān)于機(jī)械式計算工具的描述后人根據(jù)達(dá)芬奇手稿仿制的機(jī)械式計算機(jī)

19達(dá)芬奇機(jī)械式計算機(jī)1917世紀(jì)中期-19世紀(jì)中期先驅(qū)的探索機(jī)械式計算機(jī)2017世紀(jì)中期-19世紀(jì)中期先驅(qū)的探索機(jī)械式計算機(jī)201642年-PASCAL(1623)加法機(jī)法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和思想家人類史上第一臺機(jī)械式計算機(jī)，其原理對后續(xù)計算機(jī)產(chǎn)生了持久的影響。采用齒輪傳動設(shè)備完成運(yùn)算。pascal從加法機(jī)的成功中得出結(jié)論：人的某些思維過程與機(jī)械過程沒有差別，因此可以用機(jī)械模擬人的思維。1971年瑞典人沃斯發(fā)明PASCAL高級語言向其表示敬意211642年-PASCAL(1623)加法機(jī)法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)Pascal機(jī)械加法機(jī)1642史上第一臺機(jī)械計算機(jī)十進(jìn)制運(yùn)算齒輪旋轉(zhuǎn)完成加法齒輪傳動完成進(jìn)位6543210987+786+543219-8-7-6-5-4-3-2-1-922Pascal機(jī)械加法機(jī)1642史上第一臺機(jī)械計算機(jī)65431673年-G.Leibnitz乘法機(jī)器1673年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲發(fā)明乘法機(jī)，步進(jìn)輪可利用多次加法完成乘法可以運(yùn)行完整四則運(yùn)算。萊布尼茲同時還提出了“可以用機(jī)械代替人進(jìn)行繁瑣重復(fù)的計算工作”的偉大思想，這一思想至今鼓舞著人們探求新的計算機(jī)。231673年-G.Leibnitz乘法機(jī)器1673年，德國數(shù)學(xué)編程序？？？1805-Jacquard自動提花機(jī)24編程序？？？1805-Jacquard自動提花機(jī)24程序控制思想的萌芽如何將人的思想傳送給機(jī)器，讓機(jī)器按人的意志自動執(zhí)行。1725年，法國紡織機(jī)械師B.Bouchon發(fā)明利用穿孔紙帶控制印花的方法1805J.Jacquard發(fā)明采用穿孔卡片的自動提花機(jī)編程序＝編織花布25程序控制思想的萌芽如何將人的思想傳送給機(jī)器，讓機(jī)器按人的意志1805Jacquard261805Jacquard2627271821年-Babbage差分機(jī)1821年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇發(fā)明差分機(jī)，專門用于航海和天文計算?？商幚?個5位數(shù)，計算精度達(dá)到6位小數(shù)?！安罘帧笔前押瘮?shù)表的復(fù)雜算式轉(zhuǎn)化為差分運(yùn)算，用簡單的加法代替平方運(yùn)算。20歲的巴貝奇從法國人杰卡德發(fā)明的提花編織機(jī)上獲得了靈感，差分機(jī)設(shè)計閃爍出了程序控制的靈光──它能夠按照設(shè)計者的旨意，自動處理不同函數(shù)的計算過程。

281821年-Babbage差分機(jī)1821年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇DifferenceEngine三個具有現(xiàn)代意義的裝置保存數(shù)據(jù)的寄存器（齒輪式裝置）；從寄存器取出數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的裝置，機(jī)器的乘法以累次加法來實現(xiàn)；控制操作順序、選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置；最早采用寄存器來存儲數(shù)據(jù)的計算機(jī)，體現(xiàn)了早期程序設(shè)計思想的萌芽。29DifferenceEngine三個具有現(xiàn)代意義的裝置29ThefirstprogrammerAdaAugustaada描述了差分機(jī)如何進(jìn)行編程，最早給出計算機(jī)程序設(shè)計的許多想法。討論預(yù)言了通用計算機(jī)的作用，控制卡、數(shù)據(jù)卡、操作卡提出了存儲位置或地址的想法“循環(huán)”(looping)的概念三角函數(shù)和級數(shù)相乘程序、貝努利函數(shù)程序30ThefirstprogrammerAdaAuguAnalyticalEngine31AnalyticalEngine31AnalyticalEngine32AnalyticalEngine32AnalyticalEngine33AnalyticalEngine331940MechanicalanalogmachinesdesignedbyLordKelvin

341940Mechanicalanalogmachin機(jī)電式計算機(jī)19世紀(jì)后期機(jī)械到電的飛躍35機(jī)電式計算機(jī)19世紀(jì)后期機(jī)械到電的飛躍35赫爾曼·霍勒斯制表機(jī)赫爾曼·霍勒斯博士發(fā)明穿孔卡片，是電腦軟件的雛形1888年赫爾曼發(fā)明了制表機(jī)，它采用穿孔卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并用電氣控制技術(shù)取代了純機(jī)械裝置。36赫爾曼·霍勒斯制表機(jī)赫爾曼·霍勒斯博士發(fā)明穿孔卡片，是電腦軟Punchedtape/cardPunchedcardsacceleratedthedevelopmentoftwentiethcenturycommerceandindustry.37Punchedtape/cardPunchedcardsPunchedcardThecapacitywas2000cards,orinmodernparlance20KBytes.Itweighed6.6Kg.

38PunchedcardThecapacitywas2PunchedcardProcess39PunchedcardProcess391890年，美國人口普查全部采用了霍勒斯制表機(jī)。1900年美國人口普查由于采用了制表機(jī)，全部統(tǒng)計處理工作只用了1年零7個月時間?；衾账褂?896年創(chuàng)立了制表機(jī)公司，1911年該公司并入CTR（計算制表記錄）公司1924年IBM成立赫爾曼·霍勒斯制表機(jī)401890年，美國人口普查全部采用了霍勒斯制表機(jī)。1900年美1904年弗萊明發(fā)明真空電子二極管1904年，英國人弗萊明發(fā)明真空電子二極管。電子管的誕生，是人類電子文明的起點(diǎn)。411904年弗萊明發(fā)明真空電子二極管1904年，英國人弗萊明發(fā)1906年弗雷斯特發(fā)明真空電子三極管1906年，美國人德弗雷斯特發(fā)明電子三極管。在研究中發(fā)現(xiàn)，三極管可以通過級聯(lián)使放大倍數(shù)大增。這使得三極管的實用價值大大提高，從而促成了無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展。421906年弗雷斯特發(fā)明真空電子三極管1906年，美國人德弗雷現(xiàn)代真空電子管43現(xiàn)代真空電子管431938年朱斯的Z系列計算機(jī)1938年，德國科學(xué)家朱斯制造出Z-1計算機(jī)第一臺采用二進(jìn)制和真空電子管的計算機(jī)。朱斯先后研制出采用繼電器的Z-2、Z-3和Z-4。Z-3使用了2600個繼電器，在1944年美軍對柏林進(jìn)行的空襲中被炸毀。441938年朱斯的Z系列計算機(jī)1938年，德國科學(xué)家朱斯制造出1943年英國“巨人”計算機(jī)Colossus1943年英國科學(xué)家研制成功第一臺“巨人”計算機(jī)，專門用于破譯德軍Enigma密碼。第一臺“巨人”有1500個電子管，5個處理器并行工作，每個處理器每秒處理5000個字母。二戰(zhàn)期間共有10臺“巨人”在英軍服役，平均每小時破譯11份德軍情報451943年英國“巨人”計算機(jī)Colossus1943年英國科艾肯的MARK—I1944年，美國科學(xué)家艾肯在IBM的支持下，研制成功機(jī)電式計算機(jī)MARK-I。世界上最早的通用型自動機(jī)電式計算機(jī)之一，它取消了齒輪傳動裝置，以穿孔紙帶傳送指令。MARK-1外殼用鋼和玻璃制成，長15米，高2.4米，自重31.5噸，使用了15萬個元件和800公里電線，每分鐘進(jìn)行200次運(yùn)算。46艾肯的MARK—I1944年，美國科學(xué)家艾肯在IBM的支持下電子計算機(jī)的誕生47電子計算機(jī)的誕生47世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，美國賓夕法尼亞大學(xué)1946年研制成功。18000多個電子管，1500多個繼電器，耗電150千瓦，重30噸，占地150平方米，運(yùn)算速度5000次/秒左右。盡管從今天的眼光來看，這臺計算機(jī)性能低且耗費(fèi)巨大，但它卻是科學(xué)史上的一次劃時代的創(chuàng)新，它奠定了電子計算機(jī)的基礎(chǔ)。宣告人類進(jìn)入電子計算機(jī)時代。擔(dān)任開發(fā)任務(wù)的“莫爾小組”由四位科學(xué)家和工程師?？颂?、莫克利、戈爾斯坦、博克斯組成，總工程師?？颂禺?dāng)時年僅24歲。48世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC(ElectronicENIAC49ENIAC49ENIAC50ENIAC50VacuumtubeinENIAC51VacuumtubeinENIAC51InputPannel(42)52InputPannel(42)52Cable53Cable53Programing54Programing54Debug(線路檢查)55Debug(線路檢查)55ENIAC&VonNeumann56ENIAC&VonNeumann56ENIAC的問題十進(jìn)制計算機(jī)每一位數(shù)由一圈共10個真空管表示通過開關(guān)和插拔電纜進(jìn)行手動編程輸入程序和數(shù)據(jù)可能需要半天時間能否將程序和數(shù)據(jù)存在存儲器中？存儲程序？？EVDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)57ENIAC的問題十進(jìn)制計算機(jī)57現(xiàn)代電子計算機(jī)之父1944~1945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾伊曼在第一臺現(xiàn)代計算機(jī)ENIAC尚未問世時注意到其弱點(diǎn)，并提出一個新機(jī)型EDVAC的設(shè)計方案，其中提到了兩個設(shè)想：采用二進(jìn)制和“存儲程序”。這兩個設(shè)想對于現(xiàn)代計算機(jī)至關(guān)重要，也使馮·諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計算機(jī)之父”，馮·諾伊曼機(jī)體系延續(xù)至今。58現(xiàn)代電子計算機(jī)之父1944~1945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮現(xiàn)代計算機(jī)理論基礎(chǔ)布爾代數(shù)計算機(jī)三原則圖林機(jī)維納現(xiàn)代計算機(jī)五大原則計算機(jī)開關(guān)電路馮諾依曼計算機(jī)原理59現(xiàn)代計算機(jī)理論基礎(chǔ)布爾代數(shù)59布爾代數(shù)1847和1854年，英國數(shù)學(xué)家布爾發(fā)表了兩部重要著作《邏輯的數(shù)學(xué)分析》和《思維規(guī)律的研究》，創(chuàng)立了邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)系統(tǒng)采用二進(jìn)制，是現(xiàn)代電子計算機(jī)的數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)。60布爾代數(shù)1847和1854年，英國數(shù)學(xué)家布爾發(fā)表了兩部重要著阿塔納索夫計算機(jī)三原則阿塔納索夫三原則；采用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算；采用電子技術(shù)來實現(xiàn)控制和運(yùn)算；采用把計算功能和存儲功能相分離的結(jié)構(gòu)。1939年，阿塔納索夫還設(shè)計并試制數(shù)字電子計算機(jī)的樣機(jī)“ABC機(jī)”，但未能完工。其設(shè)計方案啟發(fā)了ENIAC開發(fā)小組的莫克利，并直接影響到ENIAC的誕生。1972年美國法院判決ENIAC的專利權(quán)無效，阿塔納索夫擁有作為第一個電子計算機(jī)方案提出者的優(yōu)先權(quán)。61阿塔納索夫計算機(jī)三原則阿塔納索夫三原則；61圖林機(jī)1936年，24歲的英國數(shù)學(xué)家圖林發(fā)表著名論文《論可計算數(shù)及其在密碼問題的應(yīng)用》，提出了“理想計算機(jī)”，后人稱之為“圖林機(jī)”。圖林通過數(shù)學(xué)證明得出理論上存在“通用圖林機(jī)”，這為可計算性的概念提供了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，圖林機(jī)成為現(xiàn)代通用數(shù)字計算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它證明通用數(shù)字計算機(jī)是可以制造出來的?，F(xiàn)代通用數(shù)字計算機(jī)的數(shù)學(xué)模型。圖林發(fā)表于1940年的另一篇著名論文《計算機(jī)能思考嗎？》，對計算機(jī)的人工智能進(jìn)行了探索，并設(shè)計了著名的“圖林測驗”。1954年圖林英年早逝，年僅42歲。62圖林機(jī)1936年，24歲的英國數(shù)學(xué)家圖林發(fā)表著名論文《論可計TuringMachine,1936Anabstractmodelofacomputingmachine-afinitestatemachine-aread/writehead-aninfinitescannabletapeofsymbols(e.g.,0sand1s)AnyconceivablealgorithmcanbereducedtoaTuringmachineAuniversalmachine:canemulateanyconceivablecomputingmechanism63TuringMachine,1936Anabstrac1940年維納現(xiàn)代計算機(jī)五原則1940年美國科學(xué)家維納闡述了對現(xiàn)代計算機(jī)的五點(diǎn)設(shè)計原則數(shù)字式而不是模擬式；以電子元件構(gòu)成并盡量減少機(jī)械裝置；采用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制；內(nèi)部存放計算表；內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)。維納在1948年完成了著作《控制論》，這不僅使維納成為控制論的創(chuàng)始人，而且對計算機(jī)后來的發(fā)展和人工智能的研究產(chǎn)生了深刻的影響。641940年維納現(xiàn)代計算機(jī)五原則1940年美國科學(xué)家維納闡述了計算機(jī)開關(guān)電路1938年，信息論的創(chuàng)始人、美國科學(xué)家香農(nóng)發(fā)表論文《繼電器和開關(guān)電路的符號分析》首次闡述了如何將布爾代數(shù)運(yùn)用于邏輯電路，奠定了現(xiàn)代電子計算機(jī)開關(guān)電路的理論基礎(chǔ)。65計算機(jī)開關(guān)電路1938年，信息論的創(chuàng)始人、美國科學(xué)家香農(nóng)發(fā)表采樣定理（samplingtheorem）又稱香農(nóng)采樣定理或者奈奎斯特采樣定理或者奈奎斯特-香農(nóng)定理。采樣定理指出:

如果信號是帶限的，并且采樣頻率高于信號帶寬的一倍，那么，原來的連續(xù)信號可以從采樣樣本中完全重建出來。從采樣定理中，我們可以得出以下結(jié)論：如果已知信號的最高頻率fH，采樣定理給出了保證完全重建信號的最低采樣頻率。這一最低采樣頻率稱為臨界頻率或奈奎斯特頻率，通常表示為fN；相反，如果已知采樣頻率，采樣定理給出了保證完全重建信號所允許的最高信號頻率。66采樣定理（samplingtheorem）又稱香農(nóng)采樣定

比如聲音信號（音頻信號20Hz～20kHz），由人類發(fā)出的聲音信號中，頻率超過5kHz的成分通常非常小，因此以10kHz的頻率來采樣這樣的音頻信號就足夠了。在第二種情況下，我們得假設(shè)信號中頻率高于采樣頻率一半的頻率成分可忽略不計。這通常是用一個低通濾波器來實現(xiàn)的。

比如圖像信號（模擬視頻信號DC～4.5MHz），問題：一般視頻AD和DA中的采用頻率是多少？？為什么要幾十MHz，甚至上百M(fèi)Hz？

采樣定理（samplingtheorem）67比如聲音信號（音頻信號20Hz～20kHz），由人類發(fā)香農(nóng)定理（Shannon'sTheorem）奈奎斯特定理：Cmax=2×B×log2L這里Cmax指的是信道的最大容量，B是信道的帶寬，L還是信號電平的個數(shù)。奈奎斯特定理適用的情況是無噪聲信道，用來計算理論值。沒有噪聲的信道在現(xiàn)實中是不存在的。香農(nóng)定理：

Cmax=B×log2（1+（S/N））其中C是鏈路速度；B是鏈路帶寬；S是平均信號功率,N是平均噪聲功率，S/N指的是信道的信噪比信噪比，常用分貝（dB）表示，分貝數(shù)=10×log10（S/N）。68香農(nóng)定理（Shannon'sTheorem）奈奎斯特定理：計算機(jī)的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計算機(jī)：數(shù)據(jù)處理；第二代為1958—1964年，晶體管計算機(jī)：工業(yè)控制第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計算機(jī)：小型計算機(jī)第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機(jī)：微型計算機(jī)；第五代為1991年-至今，巨大規(guī)模集成電路計算機(jī),單片計算機(jī)開始出現(xiàn)。69計算機(jī)的五代變化第一代為1946—1957年，電子管計算機(jī)：1946-1957第一代電子管計算機(jī)時代UNIVAC?？颂睾湍死谝粋€進(jìn)行批量生產(chǎn)的計算機(jī)。1951年，電腦開始走出實驗室服務(wù)于社會與公眾。1952年，UNIVAC因準(zhǔn)確地預(yù)測美國總統(tǒng)大選結(jié)果而名聲大噪。EDVAC馮諾依曼

1950問世的第一臺并行計算機(jī)EDVAC，首次實現(xiàn)了馮·諾依曼的兩個重要設(shè)想：存儲程序和采用二進(jìn)制。IBM701

1952年IBM公司推出的IBM701在商戰(zhàn)中擊敗UNIVAC，不僅使IBM實現(xiàn)了全面的轉(zhuǎn)型，更奠定了IBM產(chǎn)業(yè)霸主地位701946-1957第一代電子管計算機(jī)時代UNIVAC存儲器的出現(xiàn)1951年，中國移民王安發(fā)明了磁芯存儲器，IBM于1956年購買了這項技術(shù)專利。71存儲器的出現(xiàn)1951年，中國移民王安發(fā)明了磁芯存儲器，IBM比爾·蓋茨曾說過如果在80年代那位“眼光遠(yuǎn)大的工程師”沒有貽誤戰(zhàn)機(jī)的話，今天可能就沒有什么微軟公司了。“我可能就在某個地方成了一位數(shù)學(xué)家，或一位律師，而我少年時代在個人計算機(jī)方面的迷戀只會成為我個人的某種遙遠(yuǎn)的回憶?！?/p>

72比爾·蓋茨曾說過如果在80年代那位“眼光遠(yuǎn)大的工程師”沒有貽高級語言的出現(xiàn)1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一個高級程序語言FORTRAN，它被廣泛用于科學(xué)計算。73高級語言的出現(xiàn)1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一個高1958-1964晶體管造就第二代計算機(jī)1947年，貝爾實驗室肖克萊、巴丁、布拉頓發(fā)明點(diǎn)觸型晶體管；1950年又發(fā)明了面結(jié)型晶體管。晶體管體積小、重量輕、壽命長、發(fā)熱少、功耗低，電子線路結(jié)構(gòu)大大改觀，運(yùn)算速度大幅提高。肖克萊（左）、巴丁（中）、布拉頓（右）于1956年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。741958-1964晶體管造就第二代計算機(jī)1947年，貝爾實驗1955年，在美國原子能委員會的支持下，IBM和生產(chǎn)UNIVAC的蘭德公司分別開始實施Stretch計劃和LARC計劃，希望設(shè)計更快速的計算機(jī)。美國貝爾實驗室于1954年研制成功第一臺使用晶體管的第二代計算機(jī)TRADIC。相比采用定點(diǎn)運(yùn)算的第一代計算機(jī)，第二代計算機(jī)普遍增加了浮點(diǎn)運(yùn)算，計算能力實現(xiàn)了一次飛躍。IBM公司于1958年制成的1401及后續(xù)的1410/1440系列計算機(jī)，是第二代計算機(jī)中的代表。751955年，在美國原子能委員會的支持下，IBM和生產(chǎn)UNIV計算機(jī)商務(wù)處理的開始第二代計算機(jī)除了大量用于科學(xué)計算，還逐漸被工商企業(yè)用來進(jìn)行商務(wù)處理，高級語言FORTRAN和COBOL因此也得到了廣泛應(yīng)用。76計算機(jī)商務(wù)處理的開始761965-1971第三代計算機(jī)1958年，美國物理學(xué)家基爾比和諾伊斯同時發(fā)明集成電路。集成電路的出現(xiàn)使得計算機(jī)脫胎換骨771965-1971第三代計算機(jī)1958年，美國物理學(xué)家基世紀(jì)豪賭IBMS/360S/360極強(qiáng)的通用性適用于各方面的用戶，它具有360度”全方位的特點(diǎn)，因此得名。IBM投入了50億美元的研發(fā)費(fèi)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)過制造原子彈的“曼哈頓計劃”的20億美元。78世紀(jì)豪賭IBMS/360S/360極強(qiáng)的通用性適用于各方1972-1990年第四代計算機(jī)從1970年至今的計算機(jī)基本上都屬于第四代計算機(jī)，它們都采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。791972-1990年第四代計算機(jī)從1970年至今的計算機(jī)霍夫和Intel40041971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機(jī)時代從此開始。1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機(jī)系統(tǒng)其包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器。80霍夫和Intel40041971年1月，Intel公司的Intel4004包含2300個晶體管，計算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，最初售價為200美元。

81Intel4004包含2300個晶體管，計算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)Intel80081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel8008。8008采用的是P溝道MOS微處理器，屬第一代微處理器。82Intel80081972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位8080第二代微處理器1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel8080，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(yùn)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(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。838080第二代微處理器1973年8月，霍夫等人研制出8位微Intel8086第三代微處理器1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)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(shù)的晶體管，售價360美元。

84Intel8086第三代微處理器1978年6月，IntZ80微處理器Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機(jī)和工業(yè)自動控制設(shè)備。當(dāng)時，zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。85Z80微處理器Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理第一臺微型計算機(jī)：Altair88001975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機(jī)。Altair定位在青年電腦迷市場PaulAllen和BillGates在三周內(nèi)為Altair開發(fā)出BASIC語言，MITS成為兩個未來富翁的第一個客戶86第一臺微型計算機(jī)：Altair88001975年4月，MApple1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs開發(fā)出微型計算機(jī)AppleI，愚人節(jié)這天，兩個Steve成立了Apple計算機(jī)公司。AppleII是第一個帶有彩色圖形的個人計算機(jī)，售價為1300美元。AppleII及其系列改進(jìn)機(jī)型風(fēng)靡一時，使Apple成為微型機(jī)時代最成功的計算機(jī)公司。87Apple1976年3月，SteveWozniak和Ste1981-PC元年1980年7月，“跳棋計劃”的13人小組秘密來到佛羅里達(dá)州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心，次年8月12日，IBM公司宣布IBMPC誕生。IBM將其命名為PersonalComputerCPU為主頻4.77MHz的Intel8088OS：MicrosoftMS-DOS881981-PC元年1980年7月，“跳棋計劃”的13人小組秘1991-至今第五代計算機(jī)巨大規(guī)模集成電路計算機(jī),單片計算機(jī)開始出現(xiàn)891991-至今第五代計算機(jī)巨大規(guī)模集成電路計算機(jī),單片計計算機(jī)的發(fā)展日新月異從CPU的發(fā)展來看4004－>8008->8086->8088->80186->80286->80386->80486-586->pentium->PII->PIII->P4從計算機(jī)的規(guī)模，運(yùn)算速度上看，巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)90計算機(jī)的發(fā)展日新月異從CPU的發(fā)展來看909191計算機(jī)的發(fā)展日新月異92計算機(jī)的發(fā)展日新月異92

HistoryofIntel?CPU19788086/80885-10MHz1982802866-12MHz1985Intel386?16-33MHz1989Intel486?DX25-50MHz1993Pentium?60-233MHz1997Pentium?II233-450MHz1999Pentium?III450M-1GHz2000Pentium?41.4-3.2GHz93

HistoryofIntel?CPU1978第一代計算機(jī)1946開始的電子管計算機(jī)時代運(yùn)算速度一般為每秒幾千次到幾萬次，體積龐大，功耗大，價格昂貴，成本很高，可靠性較低。存儲器：水銀延遲線

輔助存儲器：磁鼓、紙帶、卡片使用機(jī)器語言/匯編語言，應(yīng)用領(lǐng)域集中在科學(xué)計算第一代計算機(jī)奠定了計算機(jī)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)94第一代計算機(jī)1946開始的電子管計算機(jī)時代94第二代計算機(jī)1958開始的晶體管計算機(jī)時代運(yùn)算速度提高到每秒幾萬次到幾十萬次，可靠性提高，體積縮小，成本降低，功耗降低。主存儲器：磁芯

輔助存儲器：磁盤、磁帶

在軟件上出現(xiàn)了算法語言和操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域從科學(xué)計算擴(kuò)展到了數(shù)據(jù)處理。FORTRAN、ALGOL-60、COBOL95第二代計算機(jī)1958開始的晶體管計算機(jī)時代95第三代計算機(jī)1965開始的集成電路計算機(jī)時代運(yùn)算速度提高到每秒幾十萬次到幾百萬次，可靠性進(jìn)一步提高，體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步降低，功耗顯著降低。主存儲器：半導(dǎo)體在此期間，形成機(jī)種多樣化，生產(chǎn)系列化，使用系統(tǒng)化，“小型計算機(jī)”開始出現(xiàn)。軟件技術(shù)與計算機(jī)外圍設(shè)備發(fā)展迅速。96第三代計算機(jī)1965開始的集成電路計算機(jī)時代96第四代計算機(jī)1971年開始,大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代運(yùn)算速度提高到每秒幾百萬次到幾千萬次，MIPS->GIPS->TIPS,可靠性更進(jìn)一步提高，體積更進(jìn)一步縮小，成本更進(jìn)一步降低。在此期間，“微型計算機(jī)”開始出現(xiàn)。多機(jī)處理/網(wǎng)絡(luò)化成為第四代計算機(jī)的一個重要特征97第四代計算機(jī)1971年開始,大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計算機(jī)時計算機(jī)發(fā)展的趨勢速度越來越快體積越來越小成本越來越低功耗越來越低98計算機(jī)發(fā)展的趨勢速度越來越快98計算機(jī)發(fā)展的6個規(guī)律Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管數(shù)每十八個月翻一番；Bell定律：如保持計算能力不變，微處理器價格，每十八個月減少一半；Gilder定律：未來25年（1996年預(yù)言），主干網(wǎng)帶寬每6個月增加一倍；Metcalfe定律網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。半導(dǎo)體存儲器發(fā)展規(guī)律：DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍硬盤存儲技術(shù)發(fā)展規(guī)律：硬盤的密度每年增加約一倍99計算機(jī)發(fā)展的6個規(guī)律Moore定律：99新摩爾定理由于國際互聯(lián)網(wǎng)及電子商務(wù)的超高速的發(fā)展，從現(xiàn)在起，每18個月,新增的存儲量等于有史以來存儲量之和!

———1998年圖靈獎獲得者JimGray100新摩爾定理由于國際互聯(lián)網(wǎng)及電子商務(wù)的超高速的發(fā)展，Moore’sLaw101Moore’sLaw101近100年技術(shù)的變革機(jī)械計算機(jī),19世紀(jì)齒輪,鏈條,滑輪,蒸汽機(jī)穿孔卡片機(jī)電計算機(jī),20世紀(jì)早期開關(guān),繼電器水銀延遲線電子計算機(jī),20世紀(jì)中期開始至今線路連接板,真空管,CRT,晶體管DRAM,磁存儲102近100年技術(shù)的變革機(jī)械計算機(jī),19世紀(jì)102Proliferationin40sand50sFromMooreSchoolofEngineering,UofPennsylvania-ENIAC,Eckert&Mauchly,1946-EDVAC,vonNeumann,1944~1952-EDSAC,Wilkes,1949(firststoredprogrambuilt)-IAS,Bigelow,1952-ORDVAC,SEAC,MANIAC,JOHNIAC,ILLIAC...Theyarenotalone:-ABC,AtanasoffandBerry,39~42-Z3,Z4,KonradZuselate30’searly40’s-Colossus,AlanTuring,1943-HarvardMarkI....,AikenDon’tforgetsoftwareadvances---Fortranwasalreadydonein1954103Proliferationin40sand50sFrCommercializationinthe50sUNIVAC,1951,thefirstcommercialcomputercontractprice$400K,actualcost~$1M,sold48copiesIBM701,1952,shipped20copies()leasedat$15KpermonthIBM650,1953,massproduced~2000units$200K~400KIBMSystem/360,1964afamilyofbinarycompatiblecomputerRedefinesIndustry!beforethis,IBMhad4non-compatiblelinesofcomputers19combinationsofvaryingspeedandmemorycapacityfrom$200K~$2Mstilllivesontodayasthe“highly-profitable”IBMz900series104Commercializationinthe50sUNCheaperandFasterin60sand70sMinicomputersDECPDP-8,1965,$20K,sizeoflargerefrigeratorslesspowerfulthan“mainframes”,10xcheaperDepartmentalcomputers,timesharing---PDP-11andVAXsenjoyedextremepopularityinthe70sand80sSupercomputersperformanceatallcost!!(ECL,liquid-cooling,hand-built,...)Biggestcustomers:nationalsecurity,nuclearweapons,cryptography,(alsoaerospace,petroleum,automotive,pharmaceutical,sciences)checkoutSeymourCray,1925~1996workedforUNIVACinitiallylaterCDC6600and7600,thefirstsupersandpioneeredmanyofthehigh-performancetechniquesinusetodayCrayResearchInc.andlaterCrayComputerCorp105CheaperandFasterin60sandThe“KillerMicros”from70sandonIntel4004,firstsinglechipCPU4-bitprocessorforacalculator.1Kdatamemory4Kprogrammemory2,300transistors16-pinDIPpackage740kHz(eightclockcyclesperCPUcycleof10.8microseconds)~100KOPspersecond106The“KillerMicros”from70saIntelItanium2,2002Performanceleaderinfloating-pointapps-64-bitprocessor-3MByteincache!!-221milliontransistors-1GHz,issueupto8instructionspercycleIn~30years,about100,000foldgrowthintransistorcountandperformance!107IntelItanium2,2002PerformanEvolutionofSingle-ChipMicros108EvolutionofSingle-ChipMicro我國計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展1953年開始，1958年研究出第一臺計算機(jī)103型通用計算機(jī)。50年來相繼研究出了第二代，第三代計算機(jī)。80年代研究出了每秒１億次的巨型機(jī)，銀河I,II,其他如曙光天演(清華BBS,學(xué)校高性能計算中心)。1985年6月，中國第一臺自行研制的微機(jī)長城0520研制成功，其廣告詞是：“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(jìn)水平，但計算機(jī)的核心部件CPU技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。中科院研究開發(fā)的龍芯／GODSON109我國計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展1953年開始，1958年研究出第一臺計110110計算機(jī)分類、應(yīng)用計算機(jī)發(fā)展簡史計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)111計算機(jī)分類、應(yīng)用111計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)硬件：一切構(gòu)成計算機(jī)的物理實體計算機(jī)的基礎(chǔ)理論大部分已經(jīng)有50年。但是計算機(jī)的關(guān)鍵部件沒有大的改變112計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)硬件：一切構(gòu)成計算機(jī)的物理實體112

Whatisacomputer?Components:input(mouse,keyboard)output(display,printer)memory(diskdrives,DRAM,SRAM,CD)NetworkRapidlychangingfield:vacuumtube->transistor->IC->VLSIdoublingevery1.5years:memorycapacityprocessorspeedDuetoadvancesintechnologyandorganization113

Whatisacomputer?ComponentWhatisaComputer?User’sViewApplicationProgramsOSUtilitiesHardwarePeripheralsProgrammer’sViewHLL(e.g.C,C++,Pascal)MachineindependentAssemblyLanguageInstructionsMemoryRegistersArchitect’sViewDatapathRegisters,ALU,etc.ControlUnitExternalsMemorySystemI/OSystemLogicDesigner’sView32IR

2..0

31..0

31

DecoderBus543321100=0

0

0<

0CONinDQQCON114WhatisaComputer?User’sView馮諾依曼思想存儲程序程序控制計算機(jī)五大功能部件115馮諾依曼思想存儲程序115外圍設(shè)備HOST存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU運(yùn)算器控制器計算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成運(yùn)算器完成算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算控制器控制指令的執(zhí)行序列，根據(jù)指令的功能給出實現(xiàn)指令功能所需的控制信號主存儲器存放程序及數(shù)據(jù)輸入設(shè)備輸出設(shè)備BUS116外圍設(shè)備HOST存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU運(yùn)算器控制器計算VonNeumann117VonNeumann117輕松一哈118輕松一哈118硬件：對數(shù)字操作的機(jī)器系統(tǒng)數(shù)字硬件：

對數(shù)字進(jìn)行處理、傳輸、和存儲的硬件轉(zhuǎn)換硬件：

將各種形式的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，或者將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為各種形式的硬件（圖像、聲音、文字輸入輸出設(shè)備，目前重要的設(shè)備是顯示器）119硬件：對數(shù)字操作的機(jī)器系統(tǒng)數(shù)字硬件：119數(shù)字技術(shù)的三分天下處理：CPU,DSP,計算機(jī)，服務(wù)器傳輸：總線(CPU內(nèi)部、系統(tǒng)總線,I/O總線),網(wǎng)絡(luò)（機(jī)器內(nèi)部網(wǎng)，LAN，WAN，INTERNET,無線網(wǎng)）存儲：RAM，ROM，F(xiàn)LASH，硬盤，光盤，存儲系統(tǒng)（RAID，NAS，SAN）120數(shù)字技術(shù)的三分天下處