计算机导论-第七课-计算机的软硬件基础(西安交大)

1、第九部分 计算机的软硬件基础硬件系统软件系统网络与安全计算机的硬件系统How its made?冯.诺依曼在上个世纪提出了计算机系统的五大模块，运算器、控制器、存储器、输入/输出。但这些模块是如何协调工作的？又是怎么被制造的呢？数字计算的基础bit所有信息都以最简单的形式表达0、1这是一个电路开关能表达的最小信息量。我们为这个最小的信息量赋予名称：bit。核心处理单元的变迁数字电路成就了数字计算机数字电路简单可靠，易于集成，可以轻易地扩展规模。晶体管，集成电路IC，超大规模集成电路VLSI的出现造就了数字时代！集成电路发明53周年1958年，杰克基尔比发明了集成电路，这一发明奠定了现代微电子技

2、术的基础，如果没有他的发明，就不会有计算机的存在，信息化时代也只能空谈。集成电路发明53周年1947年12月23日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。但是对于从小就对电子技术感兴趣的基尔比来说可不见得是件好的事情：晶体管的发明宣布了基尔比在大学里选修的电子管技术课程全部作废。但是这并没有消减这个年轻人对电子技术的热情，反而更加坚定了他的道路。集成电路发明53周年虽然那个时代的工程师们因为晶体管发明而备受鼓舞，开始尝试设计高速计算机，但是问题还没有完全解决：由晶体管组装的电子设备还是太笨重了，工程师们设计的电路需要几英里长的线路还有上百万个的焊点组成，建造它的难度可想

3、而知。集成电路发明53周年基尔比提出了一个大胆的设想： “能不能将电阻、电容、晶体管等电子元器件都安置在一个半导体单片上？”这样整个电路的体积将会大大缩小，于是这个新来的工程师开始尝试一个叫做相位转换振荡器的简易集成电路。1958年9月12日，基尔比研制出世界上第一块集成电路，成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。认识集成电路世界上第一块可工作集成电路由Jack Kilby在1958年发明集成电路芯片制作流程晶柱Silicon Ingot芯片Wafer光罩制作/光刻离子植入切割、封装电镀(Die,晶粒)(Chip,晶芯)蚀刻Mask Making/ Photolithograph

4、yIon ImplantationAssembly&TestingElectroplatingEtching沉积Deposition 中央处理器CPUCPU等芯片的制造是一个腐朽化为神奇的过程！石英沙，包含25%的硅石英沙融化后，提炼出硅，制作成硅碇，99.99%以上纯度从硅碇上切割出一片片晶圆CPU等芯片的制造是一个腐朽化为神奇的过程！在晶圆上涂洒光刻胶紫外线(UV)通过掩模(Mask)照射光刻胶，发生化学反应，在晶圆上刻下1/4的电路进一步通过UV在晶圆上刻下晶体管等部件溶解光刻胶通过化学腐蚀未被光刻胶保护的部分消除光刻胶中央处理器CPU中央处理器CPUCPU等芯片的制造是一个腐朽化为神奇

5、的过程！再次抛洒光刻胶，并通过Mask清除不需要的部分离子注入，改变未被光刻胶保护部分的导电特性再次清除光刻胶在绝缘材料上蚀出三个洞，填注铜，使它和晶体管连接电镀硫酸铜 在晶体管表面形成一个铜层CPUCPU等芯片的制造是一个腐朽化为神奇的过程！打磨掉多余的铜，抛光安置金属层导线从晶圆上切割下独立的核心封装核心以及必要的电路一颗处理器就制造出来了！大规模与超大规模集成电路超大规模集成电路模具集成电路发展历程请注意，这是一张半对数表戈登 摩尔（Gordon Moore）： 一个人一个行业的定律在今天的IT行业有一个神话，这个神话就是一条定律把一个企业带到成功的巅峰，这个定律就是“摩尔定律”，而这个

6、企业就是Intel。这个定律的发现者不是别人，正是世界CPU市场霸主Intel公司的创始人之一的戈登摩尔。集成电路（IC）上可容纳的晶体管数目，约每隔24个月（1975年摩尔将24个月更改为18个月）便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。控制及辅助系统单单一颗CPU是无法工作的它需要被控制它需要与其它系统连接。它需要一座桥梁，连接各种控制与系统控制及辅助系统主板！主板，是计算机运行的基础为板载的各项系统提供信息通路实现系统的可扩展实现一些基本的辅助工作控制及辅助系统主板！主板由“南桥”和“北

7、桥”两个主要桥接芯片构成。“北桥”主要连接CPU、内存、高速接口，为CPU提供前端带宽。“南桥”连接各种中低速的设备与机构，如USB、硬盘、网络等。控制及辅助系统主板！PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板。主板上的所有芯片与元件都安插在PCB电路板上。PCB是一种复杂的电路技术，它可以将电路很薄的印刷在介质上，并可以多层复合，形成复杂、3维立体的电路网络。主板上的各各芯片就是通过这组复杂网络通信的。内部存储器计算机在运行时需要临时保存大量的信息，要求数据读写访问快，不要求持久保存数据。内存就是这样的机构，提供相对较大的数据空间，供运行时使用存储系统的发展计算机

8、硬件可能涉及的专业知识微电子学模拟电路数字电路计算机组成原理信号处理 。计算机软件已经造出了计算机，可怎么让它工作呢？4050年代，人们这么用.人使用计算机？ Or 计算机用人？6080年代90年代至今谁接替了那么多工作？软件接替了所有的机械工作！计算机虽然越来越快，但它的本质从未改变 它一直都不聪明！除了指令，它一概不理解人类只能通过指令来控制它！而软件则包含了控制中绝大多数机械性指令人通过软件控制计算机，大大减少劳动量什么是软件！？软件（英语：Software）是一系列按照特定顺序组织的电脑数据和指令的集合。维基百科软件的定位软件指硬件之上，用户之下的所有内容软件的分类操作系统和计算软件是

9、最初的软件形式操作系统 Operating System系统软件 System Software应用软件 Application Software最庞大的软件操作系统OS你可知：在“裸机”上编写一个程序来计算5+5等于几，并显示出结果“5+5=10”，可能需要10000行代码。其中，9996行用来驱动CPU、内存、时钟、显示器。等硬件设备；4行用来计算5+5=10。并且这9996行代码会因硬件的变化而变化最庞大的软件操作系统OS 人们需要一组程序，它负责和硬件打交道。负责所有和硬件有关的工作，并隐藏起硬件的差异，给上层提供一个干净、统一、一致、易用的程序接口&用户接口。 这就是操作系统！操作系

10、统包容了所有的硬件特性，因此它异常复杂，庞大。最庞大的软件操作系统OSWindows 95，15张软盘可以放下Windows 98，一张CDROM，内容398MWindows Vista，压缩6倍后放入一张DVDROM最庞大的软件操作系统OS操作系统为上层软件提供了逻辑接口，上层软件使用这些接口，大大降低了开发与维护成本。系统软件提供一些关键功能我们更多与应用软件交互，很少使用系统软件系统软件是一个泛指的概念，一般来说，它对一些通用的关键功能进行封装并提供上层接口，由应用软件调用这些接口，完成关键操作。应用软件充分利用底层的各种接口与工具，向用户提供可交互界面，并面向用户完成计算。网络软件浏览

11、器和网速的发展，让Web应用成为可能云与SaaSSaaS（Software-as-a-service）的意思是软件即服务。SaaS是基于互联网提供软件服务的软件应用模式。软件又是怎么写出来的呢？从前，软件是这么“写”的在过去，打孔纸带式计算机非常流行。孔的格式代表不同的编码非常枯燥计算机语言的进化！计算机再快，它也只是一台只认识0与1的机器最早期，人就是用0与1同计算机交流的，这就是机器语言如同密码，开发者需要知道每一串01组成的意义，小心编写，开发难度太大。计算机语言的进化！密码交流与人类天性是不符的！“汇编语言”问世使用“助记符”代替机器语言的密码式交流计算机语言的进化！和机器语言本质上相

12、同，仅“助记符”的作用并未明显降低软件编写难度使用另一个软件把汇编语言翻译成机器语言计算机语言的进化！密码式交流的助记符仍然不符合人类天性！高级语言问世经典的“Hello World”出现计算机语言的进化！使用一个更复杂，更系统化的工具将高级语言翻译成机器语言编译器初步符合数学及控制论等人类逻辑系统明显降低计算机编程难度出现了经典的C语言这一阶段的语言称为“过程式语言”，由函数及语句组成整个程序。缅怀C语言发明人丹尼斯里奇或许大家对丹尼斯里奇并不太了解，但还是有不少程序员认为C语言之父丹尼斯里奇的去世比乔布斯的离去影响更加深远，因为如果没有C语言，相信也不会有苹果、微软的软件，也不会有现在的C

13、+、Java计算机语言的进化！科学家希望将人类社会中的“委托”，“类型”等思想引入计算机语言面向对象(Object Oriented)编程语言问世“类型”与“对象”成为关键词计算机语言的进化！编译器，在发明高级语言的过程中扮演重要的角色通过词法器、语法器、语义分析、翻译机构、优化器等机构将人类易读的高级语言翻译成最底层的01机器语言计算机语言的进化！OO语言为现在最主流的计算机语言模型过程式语言也在进化，拥有一些更高级的语言特性软件开发还是OO语言的天下仅有语言就有软件了么？语言是一座桥梁问题的解决需要思想的支持符合计算机运行模式的思想才是软件的灵魂！算法计算机的灵魂计算机非常快，但计算机很傻

14、很天真，除了指令，它什么都不懂。因此，为了完成一个复杂工作，人类需要为它编写指令。指令中所体现的运转思想即是算法算法的作用实例：看商品猜价格 首先出示一件价格在999元以内的商品，参与者要猜出这件商品的价格。在猜价格的过程中，主持人会根据参与者给出的价格，相应地给出“高了”或“低了”的提示。递推、枚举、递归、分治。冒泡排序法 冒泡排序法的基本思想是：对待排序记录关键字从后往前（逆序）进行多遍扫描，当发现相邻两个关键字的次序与排序要求的规则不符时，就将这两个记录进行交换。这样，关键字较小的记录将逐渐从后面向前面移动，就象气泡在水中向上浮一样，所以该算法也称为气泡排序法。几个例子说明算法的应用 网

15、络路由中的最短路算法 图像存储与压缩网络路由问题最短路径的Dijkstra算法也称为“宽度搜索”或“层式搜索” 图像存储无损编码：将一行中颜色值相同的相邻象素（行程）用一个计数值（行程的长度）和该颜色值（行程的灰度）来代替，从而去除像素冗余。例：设重复次数为 iC, 重复像素值为 iP编码为：iCiP iCiP iCiP编码前：aaaaaaabbbbbbcccccccc 编码后：7a6b8c数据量：64*8=512(bit)如果按照方式(a)扫描的顺序排列的话，数据分布为：130，130，130，130，130，130，130，130，130；129，129，129，129，130，130，1

16、29；127，128，127，129，131，130，132，134，134；133，133，132，130，129，128，127，128，127，128，127，125，126，129，129；127，129，133，132，131，129，130，130；129，130，130，130，129，130，132，132；131，131，130，126，128，128，127，127行程编码为:数据量为:43*（3+8）=473(bit) (94.22%)（7，130），（2，130），（4，129），（2，130），（1，129）；（1，127），（1，128），（1，127），（1，12

17、9），（1，131），（1，130），（1，132），（2，134），（2，133），（1，132），（1，130），（1，129），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，125），（1，126），（2，129），（1，127），（1，129），（1，133），（1，132），（1，131），（1，129），（2，130），（1，129），（3，130），（1，129），（1，130），（2，132），（2，131），（1，130），（1，126），（2，128），（2，127）有损压缩JPEG图像压缩算法流程图原图像数据数据颜色

18、模式转换采样R红色Y亮度G绿色U色度B蓝色V浓度JPEG图像压缩算法流程图原图像数据数据颜色模式转换采样离散余弦变换DCTYUV数据“之”字型(Zig-Zag)的排列方法离散余弦变换DCTJPEG图像压缩算法流程图原图像数据数据颜色模式转换采样离散余弦变换DCT量化量化过程即经过DCT变换的图像的每个系数根据量化表除以各自量化步长得到量化系数。量化表是根据视觉敏感度设计的。 例子：存在万能的算法么？我们时常认为，计算机只要够快，就什么问题都可以计算出来。其实不然！有很多问题，根本就算不出来！从可计算理论来说，当一个问题的复杂度以超过多项式的级数增长时，这个问题在可接受时间里是算不出来的！这类问

19、题称为NP问题，计算机是无法求得最优解的，只能得到近似解。很多直觉上看起来简单的问题，对于计算机无解。 比如，图论中经典的汉密尔顿回路问题。图论是什么？图论是离散数学中一个研究的分支它研究点与边所构成的图所具有的一般到特殊的性质互联网高可靠稳定的结构都依赖于图论的一些重要发现图论的经典问题汉密尔顿回路问题简单：给定n个点及n个点之间的边，求一条路径，每个点只经过一次且路程最短图论的经典问题汉密尔顿回路直觉解法：计算机快，只要把所有路径都试一遍就出来了。实际情况：枚举计算量过大，达到(n-1)!级。当n足够大时，再快的计算机也无法求解！只能求得近似解，无法得到最优解。算法复杂度决定了可计算性科学家证明，只要枚举的空间以多项式形式增长，这个问题就是可计算的。其实我们人类很多直觉解法并不适用于计算机，因为它们的解空间太大了，计算机再快也解不出来。算法设计的难点就在此！会了语言，懂了算法，我们写个程序吧！别急。如果我是工人语言是工具和材料算法是图纸我们还缺一个条件一块方便施工的工地！数据结构算法的工地此工地非彼工地！在计算机中，空间是以“地址”为单位划分的。 它是一个“一维”的空间结构。这与我们直