計算機硬件(第1章概述)

第一章計算機硬件技術(shù)概述

本章王要內(nèi)容

I/-

-n1.1計算機的發(fā)展史

JI

wv(＞微電子器件的發(fā)展和摩爾定律

^\＞計算機的發(fā)展、特點、分類和

c/-

-m發(fā)展趨勢

I「1.2計算機系統(tǒng)

＞計算機的硬件和軟件

X/~

-u＞計算機的硬件

I

\/習題與思考題

\^

^11頁：4、5、6、7

^/~

-n

第1頁

1.1計算機發(fā)展史

1.微電子器件的發(fā)展

計

＞電子管

機特點：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＞半導體晶體管

I特點：體積小、功耗低、可靠性高。

我

-o包括雙極型晶體管和場效應晶體管。

彳利集成電路芯片

基

(IC:IntegratedCircuits)特點:速度

砒快、體積更小、功耗更低、可靠性更高等。

-OJ

7y±

第2頁

1.1.1從微電子器件的發(fā)展看電子計算機的發(fā)展史

IC集成度分類:

介SSI（小規(guī)模集成電路）

M晶體管數(shù)100個以下

機MSI（中規(guī)模集成電路）

硬晶體管數(shù)100?3000個

「件［LSI（大規(guī)模集成電路）

及晶體管數(shù)3000?105個

東VLSI（超大規(guī)模集成電路）

二晶體管數(shù)105?1。8個

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108

才〃第3頁

JX

1.1.1從微電子器件的發(fā)展看電子計算機的發(fā)展史

2.計算機的發(fā)展史

jA電子管計算機（1946年到50年代后期）

一：■存儲器：延遲線、磁芯

平■無高級語言，甚至沒有匯編器

■科學計算、為軍事與國防尖端科技服務

；明.沒有商業(yè)化

<A晶體管計算機（50年代中期到60年代后期）

■磁芯存儲器，存儲量從幾千提高到10萬單元以上

:翦■運算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次

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

他科學研究等領域

1/JA

二“才」第4頁

1.1.1從微電子器件的發(fā)展看電子計算機的發(fā)展史

-/f

/

\

Q

\A中、小規(guī)模集成電路集成電路計算機（從60年代

^

~

/中期到70年代前期）

I

n

-■功耗、體積、價格等進一步下降。

I■速度及可靠性相應的提高

-范圍進一步擴大

^

7

?

1

1

"?大、超大規(guī)模集成電路計算機（70年代初到至今）

「

I■20世紀60年代后，半導體存儲器取代了磁芯存儲器，

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)微型計算機（PC）——以微處理器

—

-（MPU,單片IC的CPU）為核心的電子計算機。

I

■計算機進入了幾乎所有的行業(yè)。

-

/

1

1

1

第5頁

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

（制作成本）上，/

CPU上的晶體體

管sow*,

管數(shù)量以每18數(shù)

IP

個月倍增的趨

勢增加，執(zhí)行嬴86

性能的提升大

r

體也符合這個80^

X8008

趨勢?！?MM

19MoI9X5IW520002005

第6頁

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

/

-If

B1.第一臺電子數(shù)字計算機

/^

/1946年，ENIAC,美國賓夕法尼亞大學

m

->＞18800個電子管、1500個繼電器，重達30噸，占地170平

/

J

(

^方米。耗電150千瓦。

o

\

^

/-

T＞運算速度為每

H

J秒5000次十進

-/

v

/nM加法運算或

/

\、

^

a

\者400次乘法運

^

/~算

i

l

l

-J＞至多只能存20

1個io彳立G勺牛進

/

\、

^制數(shù)，無程序

\I

^T

>

-存儲器。

/

/

I

—J

-/

S

IENIAC計算機

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

/

/

(

b

\

^2.存儲程序概念的提出

-

H/以美籍匈牙利數(shù)學家馮?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)表了一篇長達101頁紙的報

n/

"告，即計算機史上著名的“101頁報告”，提出了“存

I

儲程序控制”的計算機結(jié)構(gòu)（即諾依曼機），奠定了現(xiàn)代

/~計算機的體系結(jié)構(gòu)。

n

-⑴計算機（指硬件）由五大基本部件組成；

/

^{⑵計算機內(nèi)部采用二進制來表示指令和數(shù)據(jù)；

^\

/-

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

-

萬

?行程序。

第

8頁

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

3.第一臺存儲程序計算機

1949年在英國劍橋大學問世的EDSAC,由3000只電

子管為主要元件的存儲結(jié)構(gòu)的計算機。

1951年馮?諾

依曼的EDVAC問

世，總共只采用

了2300個電子管,

但運算速度卻比

擁有18000個電

子管的ENIAC提

埃迪薩克”

高了10倍。(BDSAC

第9頁

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

I

4.晶體管計算機的誕生

/~

nA1954年，貝爾實驗室研制成功第一臺使用晶體管線路的

-

計算機（TRADIC）,裝有800個晶體管。

~A1958年，舊M公司制成了第一臺全部使用晶體管的計算

n/

-機RCA501型。計算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次,

/I

v\主存儲器的存儲量，從幾千提高到10萬以上。

^\

~

n/A1959年，舊M公司又生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計算機

-

IIBM7090o

/

JJX第10頁

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

5.第三代計算機的的著名代表

/~

1?

?1964年，

I「第一個采用

集成電路的

/通用計算機

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個型號。

IBM360系統(tǒng)

第11頁

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

6.使用超大規(guī)模集成電路的第四代計算機

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。美國的

ILLIACJV計算機,

是第一臺全面使用

大規(guī)模集成電路作

為邏輯元件和存儲

器的計算機。

cray-2巨型林

第12頁

11.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

7.微型計算機的出現(xiàn)

AIntel系列CPU的發(fā)展，

特別是1978年推出的

808616位CPU,為微機

的出現(xiàn)奠定了硬件基礎。

A1980年，舊M實行“開

放”政策；采用Intel

8088MPU＞委托獨立軟

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個人電IBMPC

腦出世。

第13頁

1.1.3計算機發(fā)展過程中的重要里程碑

—Intelx86CPU系列部分芯片主要性能表

Intelx86CPU系列部分芯片主要性能表

字長集成度時鐘速率運算速度

代年份型號工藝(萬個)(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

1.1.4現(xiàn)代計算機的特點及其類型

-/

/

^\%B

^\

~計算機按用途可分為專用計算機和通

n/券

?>用計算機

「

＞專用計算機是最有效、最經(jīng)濟、最快速的計算機,

但是它的功能單一，適應性很差。

/-

nJ＞通用計算機功能齊全，適應性很強，但是犧牲了

"v/

Jn效率、速度和經(jīng)濟性。

v(、

^\＞專用和通用是根據(jù)計算機的效率、速度、價格、

/-

n運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分的。

-J

I現(xiàn)在一般意義上講的計算機都是指通用計算機。

/嬤

{、

\^

^>TI

i/-*

1J

^七/

.IS第15頁

1.1.4現(xiàn)代計算機的特點及其類型

oK巨型機（GFLOPS二億次浮點運算/秒）

^\

-

/?指令速度每秒一億次以上，最高運算速度達到32GFL0PS。

n

-＞在結(jié)構(gòu)上一般采用并行多處理器。

?應用于尖端科學、軍事領域，標志國家計算機技術(shù)水平。

中、大型機：

^

/

n＞運算速度為每秒100萬次至數(shù)千萬次。

-

I

/?一般最為大學、大型企業(yè)、金融等行業(yè)或單位。

\

^

\?高可靠性。

^

/-

1小型機

?

-?規(guī)模小、結(jié)構(gòu)緊湊、容易維護。

?一般用于企業(yè)管理、數(shù)據(jù)處理、自動控制等

J?也可以作為大型與巨型計算機系統(tǒng)的輔助計算機。

第

6頁

1.1.4現(xiàn)代計算機的特點及其類型

/>

v?

^\微型機

/-＞體積桌面化--掌上化

m

-?通用化

?維護簡單化，操作簡單化，用戶平民化

~

n/＞價格低廉化

-?多媒體化、網(wǎng)絡化

i

^(/

^\a

~

n/

-

/

^{

^\

~

n/

-

.7

1.1.5計算機的發(fā)展趨勢

目前計算機的發(fā)展是向“兩極”（多級）分化

/^.A微型化、網(wǎng)絡化、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)于計算機的大小——速度、容量。

^\

l?/?未來計算機的發(fā)展趨勢

lv

-?計算能力進一步提高——預計21世紀初期，將出現(xiàn)每

/

/

(秒100萬億次的超級計算機。

b

\

^?計算機將進入人工智能時代——具備學習、判斷、推

/

i

l

?,理及自然語言能力。

?將出現(xiàn)新型材料計算機——超導計算機、量子計算機、

-7/,

^\光子計算機、生物計算機、納米計算機。

^\

/4~

n第18頁

1.2計算機系統(tǒng)——硬件與軟件

計算機系統(tǒng)——硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的結(jié)合的整體。

/~?硬件：計算機的物質(zhì)存在的實體，軟件的實現(xiàn)平臺。

n

-?軟件：計算機功能和數(shù)據(jù)的二進制表示信息。

I例：計算機通信

/-

m

判

-電信號.字節(jié)字節(jié).幀信息幀.包信息包.

決二進制.

I