第1章(计算机概述)

1、计算计算机机硬件技术基础硬件技术基础教师：闫江毓办公室：主楼E705邮箱：1课程目的：课程目的：这门课旨在使学生初步掌握计算机硬件体系结构，从概念、基本功能、外部特性、标准等方面了解计算机及外部设备内容包括计算机工作原理、基本指令系统、微处理器、存储器、总线及接口电路、外部设备介绍等。为今后的学习软件和硬件方面的课程打下一个良好的基础。2课时课时安排安排32学时（1-8周）学分：2上课时间：周三、7,8节、主楼B101周五、7,8节、主楼F 1013成绩成绩评定评定到课作业(30%)3个作业，每个30分考勤10期末考试(70% )开卷1小时4课程内容课程内容 第1章 计算机概述 第2章 组成原

2、理 第3章 中央处理器CPU 第4章 存储器 第5章 总线与芯片组 第6章 常用接口 第7章 外部存储器 第8章 常用输入和输出设备 第9章 计算机通信和通信设备 第10章 专用计算机参考教材参考教材参考教材参考教材参考教材参考教材第第1章章 计算机概述计算机概述计算机发展史 微电子器件的发展和摩尔定律 计算机的发展、里程碑计算机的特点类型 微型计算机 中、大型计算机 巨型计算机计算机的性能与发展趋势 基本技术指标 微型化、巨型化、网络化、智能化计算机的基本结构 冯诺依曼模型 计算机的模块结构1.1 1.1 计算机发展史计算机发展史 1.电子器件的发展 电子管电子管 特点：体积大、功耗高、寿命

3、短、速度慢、可靠性差。特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、可靠性差。 半导体晶体管半导体晶体管 特点：体积小、功耗低、可靠性高。特点：体积小、功耗低、可靠性高。 包括双极型晶体管和场效应晶体管。包括双极型晶体管和场效应晶体管。 集成电路芯片集成电路芯片 (IC: Integrated Circuits) 特点特点：速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。：速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。ICIC集成度分类：集成度分类：SSI（小规模集成电路）（小规模集成电路） 晶体管数100个以下MSI（中规模集成电路）（中规模集成电路） 晶体管数1003000个LSI（大规模集成电路）（大规模

4、集成电路） 晶体管数3000105个VLSI（超大规模集成电路）（超大规模集成电路）晶体管数105108个ULSI（甚大规模集成电路）（甚大规模集成电路） 晶体管数亿以上1.微电子器件的发展1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史 2.计算机的发展史电子管计算机（1946年到50年代后期） 存储器存储器：汞延迟线：汞延迟线 无高级语言，甚至没有汇编器无高级语言，甚至没有汇编器 科学科学计算、为军事与国防尖端科技服务计算、为军事与国防尖端科技服务 没有商业化没有商业化晶体管计算机（50年代中期到60年代后期） 磁芯存储器，存储量从几千提高到磁芯存储器，存储量从几千提高到1010万字以上

5、万字以上 运算速度从每秒几千次提高到几十万次运算速度从每秒几千次提高到几十万次 军事与尖端技术、气象、工程设计、数据处理以及其他科军事与尖端技术、气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等学研究等领域领域1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史中、小规模集成电路集成电路计算机（从60年代中期到70年代前期） 功耗、体积、价格等进一步下降。功耗、体积、价格等进一步下降。 速度及可靠性相应的提高速度及可靠性相应的提高 范围进一步扩大范围进一步扩大大、超大规模集成电路计算机（70年代初到至今） 20世纪世纪60年代后，半导体存储器取代了磁芯存储器，并不年代后，半导体存储器取代了磁芯存储器，

6、并不断向大容量、高集成度、高速度发展。断向大容量、高集成度、高速度发展。 70年代初，出现微型计算机（年代初，出现微型计算机（PC）以微处理器（以微处理器（MPU，单片，单片IC的的CPU）为核心的电子计算机。）为核心的电子计算机。 计算机进入了几乎所有的行业计算机进入了几乎所有的行业。1.1.2 摩尔摩尔定律定律十亿十亿亿亿1965年，Intel的创办人之一摩尔发现：“在相等面积(制作成本)的晶片上集成的晶体管数量以每18个月增加一倍的趋势增加，执行性能的提升大体也符合这个趋势。”1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 1.第一台电子数字计算机第一台

7、电子数字计算机 1946年在美国诞生的ENIAC 共使用了18000个电子管 1500个继电器 重达30吨，占地170平方米 耗电量为140KW 每秒5000次加法，或400次乘法 至多只能存20个10位的十进制数，无程序存储器 开关手动编程 以车辆行驶为例：每小时60KM，对应于处理速度为每秒10G次，即每秒100亿运算1G= (十亿); 1M= (百万)。 87年最快处理速度为200M次运算 ，即每秒2亿次， 则行车速度为 5000次相当于行车速度：每秒每秒5000次运算是个什么概念呢？次运算是个什么概念呢？69200 10601.2/10 10KM时33295 1060 10103/10

8、 10cm时9106101.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 “ENIAC”有两大缺点：一是没有内存储器，二是计算过程复杂。每次计算，要由人像搭积木一样，将大量运算部件搭配成各种解题布局，每算一题就要重搭一次，又费时，又麻烦。有的题只要计算1秒钟，准备工作却要花上几十分钟。对“ENIAC”的改进应用归功于匈牙利裔美国数学家冯诺依曼。冯冯诺依曼（诺依曼（ Von Neumann ） 被誉为“电子计算机之父” 在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为“博弈论之父”。 在物理领域，冯诺依曼在30年代撰写的量子力学的数学基础已经被证明对原子物理学的发展有极其重

9、要的价值。 在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。 他无愧是上世纪最伟大的全才之一。 2.存储程序概念的提出 冯冯诺依曼诺依曼提出提出了了“存储程序控制存储程序控制”的计算机的计算机结构，结构，奠定了现代计算机的体系结构。奠定了现代计算机的体系结构。 计算机（指硬件）由计算机（指硬件）由五大基本部件五大基本部件组成：组成： 运算器运算器、存储器、控制器、输入和输出系统、存储器、控制器、输入和输出系统 计算机内部采用计算机内部采用二进制二进制来表示指令和数据；来表示指令和数据； 将编好的程序和原始数据将编好的程序和原始数据事先存入存储器事先存入存储器中，然后再中，然后再

10、执执行行程序程序。1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 3.第一台存储程序计算机 19491949年在英国剑年在英国剑桥大学问世的桥大学问世的EDSACEDSAC，由由30003000只电子管为只电子管为主要元件的存储结主要元件的存储结构的计算机。构的计算机。运算运算速度却比拥有速度却比拥有1800018000个电子管的个电子管的ENIACENIAC提高了提高了1010倍。倍。1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 4.4.晶体

11、管计算机的诞生晶体管计算机的诞生 1954年，贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算年，贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机（机（TRADIC），装有），装有800个晶体管。个晶体管。 1958年，年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存型。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千提高到储器的存储量，从几千提高到10万以上。万以上。 1959年，年，IBM公司又生产出全部晶体管化的数字计算机公司又生产出全部晶体管化的数字计算机IBM 7090。1.1.3 1

12、.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 5 5. .第三代计算机的的标志性产品第三代计算机的的标志性产品IBM360系列计算机系列计算机 1964年， 由IBM公司主设计师吉恩阿姆达尔（G. Amdahl）主持设计的第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM 360系统研制成功，该系列有大、中、小型，共6个型号。 阿姆达尔提出了一种全新的思路：IBM360必须是一种“兼容性”的产品，意味着大中小型360系统电脑，都能用相同方式处理相同的指令，享用相同的软件，配置相同的外部设备，而且能够相互连接在一起工作。计算机硬件技术基础第一个第一个ICIC通用计算机通用计算机系列（

13、系列（IBM 360IBM 360） 19641964年年1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 6.6.使用超大规模集成电路的第四代计算机使用超大规模集成电路的第四代计算机 65年美国国防部拨款实施的ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的陈列计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。 76年Cray公司的Cray系列巨型机 IBM公司的370系列 日本富士通公司生产出M系列Intel系列系列CPU的发展，特别的发展，特别是是1978年推出的年推出的8086 16位位CPU，为微机的出现奠定了，为微机的出现奠定了

14、硬件基础。硬件基础。1980年，年，IBM实行实行“开放开放”政策；采用政策；采用Intel 8088 CPU、委托独立软件公司为它配置委托独立软件公司为它配置各种软件。各种软件。1981年年8月月12日，日，IBM在纽在纽约宣布约宣布IBM PC个人电脑出个人电脑出世。世。7.7.微型计算机的出现微型计算机的出现1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 其他微型计算机 1977年 Apple-II 1982年年 Commodore 64Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表

15、代年份字长型号工艺集成度(万个)时钟速率 (MHz)运算速度(MIPS)一7144004PMOS0.210.06二7488080NMOS0.5240.4三78168086HMOS2.94.7710300七0132Pentium IVCMOS42001.33.6GHz八0464Pentium IV FCMOS169003.23.6GHz200050001.1.3 计算机发展过程中的重要计算机发展过程中的重要里程碑里程碑计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机 专用计算机是最有效、最经济、最快速的计算机，专用计算机是最有效、最经济、最快速的计算机，但是它的功能单一，适应性很差。但是它的功能单一，适

16、应性很差。 通用计算机功能齐全，适应性很强，但是牺牲了效通用计算机功能齐全，适应性很强，但是牺牲了效率、速度和经济性。率、速度和经济性。 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性（应用功能）来划分行的经济性和适应性（应用功能）来划分的。的。 现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机。现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机。1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 计算机计算机按性能和作用分类按性能和作用分类 1989年11月IEEE提出一个分类报

17、告，它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用，考虑到计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势，把计算机分成6大类。巨型计算机、小巨型机、主机、小型计算机、工作站和个人计算机。 目前国际上比较流行的分类是： 巨型计算机巨型计算机 主机（大、中型机）主机（大、中型机） 小型计算机小型计算机 微型计算机微型计算机1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 1.巨型计算机（Supercomputer）巨型计算机也称超级计算机，它采用了大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计的处理器组成，有极强的运算处理能力，主要应用于尖端的科学计算和现代化军事领域中，它是一个国家计算机技

18、术水平的重要标志。银河II十亿次巨型计算机 1.1计算机类型计算机类型巨型计算机巨型计算机 超高速度，目前的水平是每秒上百万亿次浮点运算(FLOPS： Floating point number Operations Per Second ) 结构上为多处理器结构：单指令多数据流(SIMD)机，并行向量处理机(PVP)，对称多处理机(SMP)，大规模并行处理机(MPP)，工作站群(COW)，以及分布共享存储器(DSM)多处理机 。 主要应用领域是仿真（如气象预测）、实时控制（如飞行器控制）、模式识别、密码运算、基因工程等。IBM的蓝色基因的蓝色基因/L，每秒，每秒367万亿万亿次，次，6553

19、6个个PowerPC处理器处理器1.1计算机类型计算机类型巨型计算机巨型计算机天河-1A：l14336颗intel X5670 2.93GHzl7168块Nvidia Tesla M2050计算卡l2048颗国防科技大学研制的飞腾处理器l2PB硬盘，262T内存每秒峰值4700万亿次，全系统功率为4040KW，操作系统为Linux，造价在5.49亿，年运行费1.24亿。2012年11月TOP500排名第81.1计算机类型计算机类型巨型计算机巨型计算机天河二号以峰值速度（Rpeak）每秒54,902.4TFLOPS（万亿次浮点运算）成为当今世界上最快的超级计算机。 “天河二号”采用了累计32,0

20、00颗Intel 12核Xeon E5主处理器和48,000个Xeon Phi协处理器，共312万个计算核心。计算节点前端处理器为4096颗中国国防科技大学研发的FT-1500型16核心SPARC V9架构的处理器。每个节点拥有64GiB主存，而每个Xeon Phi协处理器板载8GiB内存，故每节点共88GiB内存，整体总计内存1,375TiB (1.34PiB)。外存:12.4PiB容量的硬盘阵列能耗能耗整机功耗17,808千瓦，在搭载水冷散热系统以后，功耗将达到24兆瓦，无论水冷系统的搭载与否，都是目前TOP500里功耗最大的2013年年11月月TOP500世界超级计算机分布（世界超级计算

21、机分布（2013年年12月）月）中国超级计算机部署（中国超级计算机部署（2011）超级计算机芯片来源超级计算机芯片来源1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 2.主机（Mainframe computers）包括我们通常所说的大、中型计算机用于大型企业、事业单位，研究机构、大学、金融机构作为集中计算和信息处理的计算机IBM公司一直在大型主机市场处于霸主地位（90%），富士通、浪潮、曙光、联想也生产大型主机1.1计算机类型计算机类型中大型计算机中大型计算机 结构：为多个机柜，主机系统、硬盘机、磁带机、打印机、通信处理机等。 性能：一般具备高速处理能力，大容量内存和外存储

22、系统。 可靠性：要求连续运行不能停机，在要求可靠性很高的场合要有（异地）双（多）主机热备份。定时数据备份。 联网：一般要求具备快速的网络、通道处理能力。1.1计算机类型计算机类型中大型计算机中大型计算机 大型机与超级计算机的区别 超级计算机有极强的计算速度，通常由于科学与工程上的计算，这些计算的速度受运算速度与内存大小所限制； 而主机运算任务主要受数据传输与转移、可靠性及并发处理性能所限制。 大型机更倾向于整数运算，如订单数据、银行数据等；而超级计算机更强调浮点运算性能，如天气预报。 大型机在处理数据的同时需要都写或传输大量信息，如海量的交易信息、航班信息等等。1.2 1.2 现代计算机的特点

23、及其类型现代计算机的特点及其类型 3.小型计算机（Minicomputers） 介于大型计算机和微型机之间的一种高性能计算机 每个厂家的小型机部件和软件都是定制、专用的。 使用UNIX操作系统，所以也称为UNIX服务器。如IBM的AIX，SUN的Solaris。 广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等， 也作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。1.1计算机类型计算机类型微型计算机微型计算机4 4、微型机、微型机 主要包括个人计算机PC、笔记本计算机、掌上电脑等。微型机技术在近10年内发展速度迅猛，更新换代很快。 通用化、简单化、价格低廉、网络化、微型化1.3

24、 计算机的性能与发展趋势计算机的性能与发展趋势1.3.1 计算机的运算速度与存储容量计算机运算速度的度量单位一般是MIPS（Million Instruction Per Second），但MIPS和指令复杂度指令复杂度没有关系为了描述浮点数的运算速度，另一个指标是FLOPS (FLOPS：Floating point number Operations Per Second )影响计算机运算速度的主要因素 CPU时钟频率 指令系统 CPU的构造技术，流水线、Cache、超标量、超线程等 多CPU并行技术 存储器速度1.3.1 计算机的运算速度与存储容量计算机的运算速度与存储容量计算机的存储容

25、量以二进制位为最小存储单位（bit）以字节为最小访问单位（Byte），8位构成一个字节1KB = 1024B 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB内存和外存内部存储器由半导体器件构成易失性存储器运行期间的临时存储器外部存储器由磁性存储器和光存储器构成非易失性存储器永久性存储器1.3.2 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 微型化和巨型化微型化满足更广泛的应用，更高的集成度和更低的功耗使得计算机进一步微型化。巨型化实现更高速度的运算能力 智能化使计算机具备学习、推理、判断的能力，实现自然语言能力和视觉能力，让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程的机理 。 网络化多种接入方式在目前计算机网络已经比较普及的情况下，逐步普及无线接入方式（无线公网或无线局域网）主干通信实现三网合一整合计算机网、电信网和广播电视网，实现数据包交换。1.3.2 计算机的发展趋势计算机的发展