計算機導論-第七課-計算機的軟硬件基礎(西安交大)

1、第九部分 計算機的軟硬件基礎硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡與安全計算機的硬件系統(tǒng)How its made?馮.諾依曼在上個世紀提出了計算機系統(tǒng)的五大模塊，運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出。但這些模塊是如何協(xié)調(diào)工作的？又是怎么被制造的呢？數(shù)字計算的基礎bit所有信息都以最簡單的形式表達0、1這是一個電路開關(guān)能表達的最小信息量。我們?yōu)檫@個最小的信息量賦予名稱：bit。核心處理單元的變遷數(shù)字電路成就了數(shù)字計算機數(shù)字電路簡單可靠，易于集成，可以輕易地擴展規(guī)模。晶體管，集成電路IC，超大規(guī)模集成電路VLSI的出現(xiàn)造就了數(shù)字時代！集成電路發(fā)明53周年1958年，杰克基爾比發(fā)明了集成電路，這一發(fā)明奠定了現(xiàn)代微電子技

2、術(shù)的基礎，如果沒有他的發(fā)明，就不會有計算機的存在，信息化時代也只能空談。集成電路發(fā)明53周年1947年12月23日第一塊晶體管在貝爾實驗室誕生，從此人類步入了飛速發(fā)展的電子時代。但是對于從小就對電子技術(shù)感興趣的基爾比來說可不見得是件好的事情：晶體管的發(fā)明宣布了基爾比在大學里選修的電子管技術(shù)課程全部作廢。但是這并沒有消減這個年輕人對電子技術(shù)的熱情，反而更加堅定了他的道路。集成電路發(fā)明53周年雖然那個時代的工程師們因為晶體管發(fā)明而備受鼓舞，開始嘗試設計高速計算機，但是問題還沒有完全解決：由晶體管組裝的電子設備還是太笨重了，工程師們設計的電路需要幾英里長的線路還有上百萬個的焊點組成，建造它的難度可想

3、而知。集成電路發(fā)明53周年基爾比提出了一個大膽的設想： “能不能將電阻、電容、晶體管等電子元器件都安置在一個半導體單片上？”這樣整個電路的體積將會大大縮小，于是這個新來的工程師開始嘗試一個叫做相位轉(zhuǎn)換振蕩器的簡易集成電路。1958年9月12日，基爾比研制出世界上第一塊集成電路，成功地實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構(gòu)想。認識集成電路世界上第一塊可工作集成電路由Jack Kilby在1958年發(fā)明集成電路芯片制作流程晶柱Silicon Ingot芯片Wafer光罩制作/光刻離子植入切割、封裝電鍍(Die,晶粒)(Chip,晶芯)蝕刻Mask Making/ Photolithograph

4、yIon ImplantationAssembly&TestingElectroplatingEtching沉積Deposition 中央處理器CPUCPU等芯片的制造是一個腐朽化為神奇的過程！石英沙，包含25%的硅石英沙融化后，提煉出硅，制作成硅碇，99.99%以上純度從硅碇上切割出一片片晶圓CPU等芯片的制造是一個腐朽化為神奇的過程！在晶圓上涂灑光刻膠紫外線(UV)通過掩模(Mask)照射光刻膠，發(fā)生化學反應，在晶圓上刻下1/4的電路進一步通過UV在晶圓上刻下晶體管等部件溶解光刻膠通過化學腐蝕未被光刻膠保護的部分消除光刻膠中央處理器CPU中央處理器CPUCPU等芯片的制造是一個腐朽化為神奇

5、的過程！再次拋灑光刻膠，并通過Mask清除不需要的部分離子注入，改變未被光刻膠保護部分的導電特性再次清除光刻膠在絕緣材料上蝕出三個洞，填注銅，使它和晶體管連接電鍍硫酸銅 在晶體管表面形成一個銅層CPUCPU等芯片的制造是一個腐朽化為神奇的過程！打磨掉多余的銅，拋光安置金屬層導線從晶圓上切割下獨立的核心封裝核心以及必要的電路一顆處理器就制造出來了！大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路模具集成電路發(fā)展歷程請注意，這是一張半對數(shù)表戈登 摩爾（Gordon Moore）： 一個人一個行業(yè)的定律在今天的IT行業(yè)有一個神話，這個神話就是一條定律把一個企業(yè)帶到成功的巔峰，這個定律就是“摩爾定律”，而這個

6、企業(yè)就是Intel。這個定律的發(fā)現(xiàn)者不是別人，正是世界CPU市場霸主Intel公司的創(chuàng)始人之一的戈登摩爾。集成電路（IC）上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔24個月（1975年摩爾將24個月更改為18個月）便會增加一倍，性能也將提升一倍，當價格不變時；或者說，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度?？刂萍拜o助系統(tǒng)單單一顆CPU是無法工作的它需要被控制它需要與其它系統(tǒng)連接。它需要一座橋梁，連接各種控制與系統(tǒng)控制及輔助系統(tǒng)主板！主板，是計算機運行的基礎為板載的各項系統(tǒng)提供信息通路實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展實現(xiàn)一些基本的輔助工作控制及輔助系統(tǒng)主板！主板由“南橋”和“北

7、橋”兩個主要橋接芯片構(gòu)成。“北橋”主要連接CPU、內(nèi)存、高速接口，為CPU提供前端帶寬?！澳蠘颉边B接各種中低速的設備與機構(gòu)，如USB、硬盤、網(wǎng)絡等?？刂萍拜o助系統(tǒng)主板！PCB（PrintedCircuitBoard），中文名稱為印制電路板。主板上的所有芯片與元件都安插在PCB電路板上。PCB是一種復雜的電路技術(shù)，它可以將電路很薄的印刷在介質(zhì)上，并可以多層復合，形成復雜、3維立體的電路網(wǎng)絡。主板上的各各芯片就是通過這組復雜網(wǎng)絡通信的。內(nèi)部存儲器計算機在運行時需要臨時保存大量的信息，要求數(shù)據(jù)讀寫訪問快，不要求持久保存數(shù)據(jù)。內(nèi)存就是這樣的機構(gòu)，提供相對較大的數(shù)據(jù)空間，供運行時使用存儲系統(tǒng)的發(fā)展計算機

8、硬件可能涉及的專業(yè)知識微電子學模擬電路數(shù)字電路計算機組成原理信號處理 。計算機軟件已經(jīng)造出了計算機，可怎么讓它工作呢？4050年代，人們這么用.人使用計算機？ Or 計算機用人？6080年代90年代至今誰接替了那么多工作？軟件接替了所有的機械工作！計算機雖然越來越快，但它的本質(zhì)從未改變 它一直都不聰明！除了指令，它一概不理解人類只能通過指令來控制它！而軟件則包含了控制中絕大多數(shù)機械性指令人通過軟件控制計算機，大大減少勞動量什么是軟件??？軟件（英語：Software）是一系列按照特定順序組織的電腦數(shù)據(jù)和指令的集合。維基百科軟件的定位軟件指硬件之上，用戶之下的所有內(nèi)容軟件的分類操作系統(tǒng)和計算軟件是

9、最初的軟件形式操作系統(tǒng) Operating System系統(tǒng)軟件 System Software應用軟件 Application Software最龐大的軟件操作系統(tǒng)OS你可知：在“裸機”上編寫一個程序來計算5+5等于幾，并顯示出結(jié)果“5+5=10”，可能需要10000行代碼。其中，9996行用來驅(qū)動CPU、內(nèi)存、時鐘、顯示器。等硬件設備；4行用來計算5+5=10。并且這9996行代碼會因硬件的變化而變化最龐大的軟件操作系統(tǒng)OS 人們需要一組程序，它負責和硬件打交道。負責所有和硬件有關(guān)的工作，并隱藏起硬件的差異，給上層提供一個干凈、統(tǒng)一、一致、易用的程序接口&用戶接口。 這就是操作系統(tǒng)！操作系

10、統(tǒng)包容了所有的硬件特性，因此它異常復雜，龐大。最龐大的軟件操作系統(tǒng)OSWindows 95，15張軟盤可以放下Windows 98，一張CDROM，內(nèi)容398MWindows Vista，壓縮6倍后放入一張DVDROM最龐大的軟件操作系統(tǒng)OS操作系統(tǒng)為上層軟件提供了邏輯接口，上層軟件使用這些接口，大大降低了開發(fā)與維護成本。系統(tǒng)軟件提供一些關(guān)鍵功能我們更多與應用軟件交互，很少使用系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是一個泛指的概念，一般來說，它對一些通用的關(guān)鍵功能進行封裝并提供上層接口，由應用軟件調(diào)用這些接口，完成關(guān)鍵操作。應用軟件充分利用底層的各種接口與工具，向用戶提供可交互界面，并面向用戶完成計算。網(wǎng)絡軟件瀏覽

11、器和網(wǎng)速的發(fā)展，讓Web應用成為可能云與SaaSSaaS（Software-as-a-service）的意思是軟件即服務。SaaS是基于互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務的軟件應用模式。軟件又是怎么寫出來的呢？從前，軟件是這么“寫”的在過去，打孔紙帶式計算機非常流行?？椎母袷酱聿煌木幋a非?？菰镉嬎銠C語言的進化！計算機再快，它也只是一臺只認識0與1的機器最早期，人就是用0與1同計算機交流的，這就是機器語言如同密碼，開發(fā)者需要知道每一串01組成的意義，小心編寫，開發(fā)難度太大。計算機語言的進化！密碼交流與人類天性是不符的！“匯編語言”問世使用“助記符”代替機器語言的密碼式交流計算機語言的進化！和機器語言本質(zhì)上相

12、同，僅“助記符”的作用并未明顯降低軟件編寫難度使用另一個軟件把匯編語言翻譯成機器語言計算機語言的進化！密碼式交流的助記符仍然不符合人類天性！高級語言問世經(jīng)典的“Hello World”出現(xiàn)計算機語言的進化！使用一個更復雜，更系統(tǒng)化的工具將高級語言翻譯成機器語言編譯器初步符合數(shù)學及控制論等人類邏輯系統(tǒng)明顯降低計算機編程難度出現(xiàn)了經(jīng)典的C語言這一階段的語言稱為“過程式語言”，由函數(shù)及語句組成整個程序。緬懷C語言發(fā)明人丹尼斯里奇或許大家對丹尼斯里奇并不太了解，但還是有不少程序員認為C語言之父丹尼斯里奇的去世比喬布斯的離去影響更加深遠，因為如果沒有C語言，相信也不會有蘋果、微軟的軟件，也不會有現(xiàn)在的C

13、+、Java計算機語言的進化！科學家希望將人類社會中的“委托”，“類型”等思想引入計算機語言面向?qū)ο?Object Oriented)編程語言問世“類型”與“對象”成為關(guān)鍵詞計算機語言的進化！編譯器，在發(fā)明高級語言的過程中扮演重要的角色通過詞法器、語法器、語義分析、翻譯機構(gòu)、優(yōu)化器等機構(gòu)將人類易讀的高級語言翻譯成最底層的01機器語言計算機語言的進化！OO語言為現(xiàn)在最主流的計算機語言模型過程式語言也在進化，擁有一些更高級的語言特性軟件開發(fā)還是OO語言的天下僅有語言就有軟件了么？語言是一座橋梁問題的解決需要思想的支持符合計算機運行模式的思想才是軟件的靈魂！算法計算機的靈魂計算機非?？欤嬎銠C很傻

14、很天真，除了指令，它什么都不懂。因此，為了完成一個復雜工作，人類需要為它編寫指令。指令中所體現(xiàn)的運轉(zhuǎn)思想即是算法算法的作用實例：看商品猜價格 首先出示一件價格在999元以內(nèi)的商品，參與者要猜出這件商品的價格。在猜價格的過程中，主持人會根據(jù)參與者給出的價格，相應地給出“高了”或“低了”的提示。遞推、枚舉、遞歸、分治。冒泡排序法 冒泡排序法的基本思想是：對待排序記錄關(guān)鍵字從后往前（逆序）進行多遍掃描，當發(fā)現(xiàn)相鄰兩個關(guān)鍵字的次序與排序要求的規(guī)則不符時，就將這兩個記錄進行交換。這樣，關(guān)鍵字較小的記錄將逐漸從后面向前面移動，就象氣泡在水中向上浮一樣，所以該算法也稱為氣泡排序法。幾個例子說明算法的應用 網(wǎng)

15、絡路由中的最短路算法 圖像存儲與壓縮網(wǎng)絡路由問題最短路徑的Dijkstra算法也稱為“寬度搜索”或“層式搜索” 圖像存儲無損編碼：將一行中顏色值相同的相鄰象素（行程）用一個計數(shù)值（行程的長度）和該顏色值（行程的灰度）來代替，從而去除像素冗余。例：設重復次數(shù)為 iC, 重復像素值為 iP編碼為：iCiP iCiP iCiP編碼前：aaaaaaabbbbbbcccccccc 編碼后：7a6b8c數(shù)據(jù)量：64*8=512(bit)如果按照方式(a)掃描的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：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行程編碼為:數(shù)據(jù)量為: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）有損壓縮JPEG圖像壓縮算法流程圖原圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顏色

18、模式轉(zhuǎn)換采樣R紅色Y亮度G綠色U色度B藍色V濃度JPEG圖像壓縮算法流程圖原圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顏色模式轉(zhuǎn)換采樣離散余弦變換DCTYUV數(shù)據(jù)“之”字型(Zig-Zag)的排列方法離散余弦變換DCTJPEG圖像壓縮算法流程圖原圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顏色模式轉(zhuǎn)換采樣離散余弦變換DCT量化量化過程即經(jīng)過DCT變換的圖像的每個系數(shù)根據(jù)量化表除以各自量化步長得到量化系數(shù)。量化表是根據(jù)視覺敏感度設計的。 例子：存在萬能的算法么？我們時常認為，計算機只要夠快，就什么問題都可以計算出來。其實不然！有很多問題，根本就算不出來！從可計算理論來說，當一個問題的復雜度以超過多項式的級數(shù)增長時，這個問題在可接受時間里是算不出來的！這類問

19、題稱為NP問題，計算機是無法求得最優(yōu)解的，只能得到近似解。很多直覺上看起來簡單的問題，對于計算機無解。 比如，圖論中經(jīng)典的漢密爾頓回路問題。圖論是什么？圖論是離散數(shù)學中一個研究的分支它研究點與邊所構(gòu)成的圖所具有的一般到特殊的性質(zhì)互聯(lián)網(wǎng)高可靠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)都依賴于圖論的一些重要發(fā)現(xiàn)圖論的經(jīng)典問題漢密爾頓回路問題簡單：給定n個點及n個點之間的邊，求一條路徑，每個點只經(jīng)過一次且路程最短圖論的經(jīng)典問題漢密爾頓回路直覺解法：計算機快，只要把所有路徑都試一遍就出來了。實際情況：枚舉計算量過大，達到(n-1)!級。當n足夠大時，再快的計算機也無法求解！只能求得近似解，無法得到最優(yōu)解。算法復雜度決定了可計算性科學家證明，只要枚舉的空間以多項式形式增長，這個問題就是可計算的。其實我們?nèi)祟惡芏嘀庇X解法并不適用于計算機，因為它們的解空間太大了，計算機再快也解不出來。算法設計的難點就在此！會了語言，懂了算法，我們寫個程序吧！別急。如果我是工人語言是工具和材料算法是圖紙我們還缺一個條件一塊方便施工的工地！數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的工地此工地非彼工地！在計算機中，空間是以“地址”為單位劃分的。 它是一個“一維”的空間結(jié)構(gòu)。這與我們直