第2章計算機硬件系統(tǒng)

主要解決的問題馮氏機馮·諾依曼型計算機

MEMORY？BUS？PORT?摩爾定律？未來的計算機？巨型計算機？微機的主件？工作原理？目錄第2章現(xiàn)代電子計算機的“史前”時代p40對現(xiàn)代計算機的發(fā)明做出杰出貢獻的人物和事件p41：1674年德國數(shù)學家萊布尼茨，提出了“二進制”數(shù)的概念。1847年英國科學家喬治·布爾創(chuàng)立了邏輯代數(shù)（布爾代數(shù)）。用“0”和“1”表示信號的有/無、電路的通/斷。布爾代數(shù)為計算機的設計和制造奠定了理論基礎。1936年英國科學家圖靈，提出了可計算計算機的概念，后來人們將他描述的計算機稱之為“圖靈機”。圖靈機（即，現(xiàn)代通用計算機的數(shù)學模型）為計算機的硬件和軟件作了理論上的準備，對計算機的一般結構、可實現(xiàn)型和局限性研究產(chǎn)生了深遠的影響p23倒第1段。馮氏機馮·諾依曼多次說到“現(xiàn)代計算機的設計思想來源于圖靈”第2章馮氏機的基本結構-p42工作原理：程序存儲，順序控制基本思想：1.二進制2.指令和數(shù)據(jù)都存儲在機內(nèi)（原來只存數(shù)據(jù)）計算機組成：運算器、控制器、存儲器及I/O設備倒數(shù)第2段以“圖靈機”為理論基礎，馮·諾依曼提出了現(xiàn)代電子計算機的工作原理及體系結構（實用圖靈機）：馮提出的原理導致現(xiàn)代意義的電子計算機的誕生，其卓越的思想為電子計算機的邏輯結構設計奠定了基礎，已成為計算機設計的基本原則。故許多人推舉他為“現(xiàn)代電子計算機之父”，將具有上述原理和體系的機稱為馮氏機(4代主要為馮機)。史前四代計算機第2章計算機的歷史-p40(只講邏輯元件，和第4代其余學生自學)史前計算機p40-42第一代p44第二代p45第三代p46第四代*p47劃分標志*構成計算機硬件的邏輯元件電子管1946~1957晶體管1958~1964中小集成電路1965~1970超大集成電路1971~馮氏體系超級計算機按第2章全球超級計算機500強評選始自1993年，每半年評選1次。評選由美國能源部勞倫斯.伯克利國家實驗室、田納西大學和德國曼海姆大學共同完成。巨型/超級計算機列表（201106）p48名次名稱峰值速度Petaflop/s千萬億次/s1KCOMPUTER8.16日本2天河一號國防科技大學2.57

中國3JAGUAR

1.76

美國

由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機）組成的、能計算普通PC機和服務器不能完成的大型復雜課題的計算機。(天河一號，就用了逾7000個Intel處理器）2014年6月：第1名-天河2號-5.49億億次。計算速度>=1T次/s第2章微型計算機系統(tǒng)p49:=軟件+硬件超級計算機系統(tǒng)組成第2章微型計算機硬件系統(tǒng)-p49—重點講授控制器運算器主（內(nèi)）存儲器輸入設備外存儲器

主機：

CPU：CPU+主/內(nèi)存儲器微處理器(控制+運算+寄存)p50

外設:I/O+輔/外存儲器硬件系統(tǒng)工作原理寄存器輸出設備下面根據(jù)該程序，介紹各器件和工作原理voidmain(){inta,b,c;scanf("%d%d",&a,&b);c=a+b;printf("c=%d\n",c);}

主板:最大一塊電路板,各部件的連接平臺第2章馮機2：程序存儲。自動執(zhí)行指令集合

（取分析執(zhí)行指令，指令即2進制編碼）voidmain(){inta=5,b=4,c;c=a+b;printf("c=%d\n",c);}CPUp50計算機工作原理5+4p50倒數(shù)第3段：取指令-執(zhí)行指令、cpu內(nèi)部結構硬件系統(tǒng)總線結構控制器運算器寄存器內(nèi)部總線運算器:算術(+-*/)和邏輯(邏輯加/乘/非)控制器:讀取指令/分析/發(fā)出控制指令寄存器:直接參與運算/存放中間結果9?+?存儲器ALUCUO設備指令順序指令內(nèi)容執(zhí)行操作操作碼操作數(shù)1取數(shù)-01005-01012取數(shù)-01004-01003加法-00105，44存數(shù)-01019-10015打印-100096停機-1111字長:單位時間內(nèi)能同時處理的比特數(shù)總線:信息傳遞的高速公路按下頁，介紹總線結構第2章計算機的總線結構p51-圖2-15地址總線微機的組成微處理器存儲器I/O微處理器CPU存儲器數(shù)據(jù)總線取數(shù)I/O接口I/O設備控制總線P8-圖1-2微型機組成框圖I+O設備+外存儲器=外設(簡稱I/O設備)、運算+控制+存儲=主機、接口外設與主機橋梁CPU多核按位置：內(nèi)部總線、外部總線按功能：數(shù)據(jù)(DataBus)、地址(AddressBus)、控制(ControlBus)特性：DB雙向的，寬度決定了CPU和其他設備間交換數(shù)據(jù)的位數(shù)，即運算能力，通常與寄存器位數(shù)相同AB是單向的，傳送CPU發(fā)出的地址信息，其寬度決定了CPU的最大尋址能力，即主存容量。p64-計算題：11,2,4,5,6題。思考題：AB的寬度為4b，該機能尋址的范圍是（?）字節(jié)。第2章單晶硅棒經(jīng)過拋光、切片之后，就成為了大晶元片。直徑在3~12英寸。晶元越大，同一圓片上可生產(chǎn)的die就越多，可降低成本。多核處理器p51-圖2-16-在任務管理器上可見各核使用狀態(tài)CoreYonah65nm核心照片AMD的雙核：Intel的雙核（“雙芯”如左上圖）：雙核心分類：原生雙核（AMD）和封裝雙核（Intel）將兩個內(nèi)核做在一個Die（晶元）上，通過直連架構連接起來，集成度更高。將在不同Die（晶元）上的兩個內(nèi)核封裝在一起。晶元：小格，許多die大的是指在一個處理器上集成多個運算核心，從而提高計算能力?？偩€結構主存第2章存儲器系統(tǒng)—p52-重點講授主存儲器主存(內(nèi)存）：多核輔存存放CPU正在、即將處理或處理完畢的數(shù)據(jù)，是CPU可直接訪問的存儲器。主要材料半導體。存放數(shù)據(jù)和程序的部件稱為存儲器，主存和輔存。存儲器的組成：由許多存儲單元組成(存放2進制位的電路)

，一典型的存儲單元的容量是8位(即由8個2進制位組成8bit)，1B。每個單元的唯一標識稱為地址。地址不變，內(nèi)容可變0000111100110000000000000101101001234567891011121314012345個存儲單元存儲單元及其地址例,ASCII碼p28

‘A’01000001‘B’01000010

‘a(chǎn)’01100001‘b’01100010后續(xù)介紹數(shù)制及編碼第2章軟盤外存儲器—p54--CPU不能直接訪問光驅光盤“非易失性”指斷電后數(shù)據(jù)仍能保留的半導體存儲器。p57第一自然段。Flashmemory-閃存磁存儲-p55圖2-22、23光盤存儲-p56-圖2-25鋁合金圓盤主存輸入第2章輸入設備-p59掃描儀--輸入圖片鍵盤-輸入文字鼠標-點選圖形界面麥克風-輸入聲音攝像頭-輸入影象手寫板-文字輸入CCDp60-電荷耦合器件是圖像輸入設備的核心部件—俗稱“光眼”。高感光度的半導體成像器件，通過模數(shù)轉換芯片將光信號轉換成數(shù)字信號—2009年諾貝爾物理學獎—2名美籍科學家—1969年發(fā)明。外存輸出第2章輸出設備-p61打印機繪圖儀顯示器輸入接口第2章外部設備接口-p62接口Portp62倒數(shù)第3段:按傳輸方式分類（傳統(tǒng)接口形式p62倒數(shù)第1段）：是設備與計算機或其他設備的連接端口，是1組信號交換標準串行接口:單線(或1對)、單列、慢、穩(wěn)定，長距離并行接口:多線、多列、快、易錯，適于短距離傳送高速、串口、可熱插拔。USB2.0-480MbpsUSB3.0>=4.8Gbps注意M、G、b的含義新型接口—USB(通用串行總線UniversalSerialBus)(1996年推出，取代串/并口。p63第2段)輸出ENDCOM第2章圖片來源：計算機的邏輯元件2006年集成度達1.51億個/片計算機的邏輯元件第1代的電子管Electrontube第3代的小規(guī)模集成電路IntegratedCircuits（芯片-2個晶體管）第2代的晶體管transistor一美分（一角硬幣）第4代的超大規(guī)模集成電（芯片-5百萬個晶體管）第2章現(xiàn)代計算機之父--馮諾依曼p38在圖靈機的基礎上，馮·諾依曼提出了：前四代計算機具有該工作原理和結構，即著名的“馮·諾依曼機”，其中心就是有存儲程序。計算機的工作原理—存儲程序、順序控制計算機的基本結構—運算器、控制器、存儲器、I/O設備第2章時間:1946年2月

地點:美國賓州大學

設計:莫克利,埃克特編程:接線、開關速度:5,000次/秒器件:1.8萬電子管占地:170平方米意義:揭開首代電子計算機的序幕第一臺電子計算機－ENIAC-p39賓州大學彈道實驗室2大缺點：(1)沒有存儲器；(2)它用布線接板進行控制2秒運算，2天輸入指令和數(shù)據(jù)馮·諾依曼加入提出："存儲程序通用電子計算機方案"p391973年美國最高法院裁定第1臺計算機是1939年10月約翰·阿坦那索夫的“ABC“。莫克利1941年剽竊其研究成果。第2章第二代計算機-p40器件：800只晶體管存儲：磁心存儲器高級語言FORTRAN1957誕生第2章第三代計算機－system/360IBM公司的system/360第一個集成電路操作系統(tǒng)出現(xiàn)中小規(guī)模集成電路第2章時間：1974年地點：貝爾實驗室速度：300兆次/秒器件：超大規(guī)模集成電路存儲：半導體存儲器售價：$31,000,000位于美國NASAAmes研究中心

1975年第1代PCs誕生，8bit-cup,256B-RAM，1982年普及1990微軟發(fā)布MPC，PC+CD-ROM+聲卡+Windows-OS1971年，第一臺微處理機4004由英特爾公司研制成功1994:開辟了PC機游戲廣闊市場。1997年4月:IBM的深藍，戰(zhàn)勝國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫2001年10月微軟推出WindowsXP，蓋茨宣布DOS時代結束第四代計算機－ILLIACIV微處理器的型號：8088-8b、80286-16b、Pentium-64bIntel、AMD、威盛-嵌入式(蘋果-IBM)第2章天河二號占地面積720平方米，內(nèi)存總容量1400萬億字節(jié)，存儲總容量12400萬億字節(jié)，最大運行功耗17.8兆瓦。天河二號運算1小時，相當于13億人同時用計算器計算一千年，其存儲總容量相當于存儲每冊10萬字的圖書600億冊。電費每年達1億人民幣。由280人兩年多研制完成研發(fā)耗資約1億美元(科技部+廣東省+廣州市政府共同出資)它已應用于生物醫(yī)藥、新材料、工程設計與仿真分析、天氣預報、智慧城市、電子商務、云計算與大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體和動漫設計等多個領域。國產(chǎn)C919大型客機開展了高精度外流場氣動計算。阿凡達的電影中，超過三分之二的人物與景象都是通過超級計算機計算出來的?！鄙婕暗襟w系結構、芯片技術、高速互連、存儲架構、編程模型、能耗控制、系統(tǒng)管理、結構工藝等諸多方面。第2章計算機工作原理:5+4=?p50倒數(shù)第3段：取指令-執(zhí)行指令存儲器ALUCUI設備O設備指令順序指令內(nèi)容執(zhí)行操作操作碼操作數(shù)1取數(shù)（0100）5（0101）2取數(shù)（0100）4（0100）3加法（0010）5，44存數(shù)（0101）9（1001）5打?。?000）96停機（1111）voidmain(){inta=5,b=4,c;c=a+b;printf("c=%d\n",c);}000100000101（5-a）001000000100（4-b）001100001001（9-c）…（程序區(qū)中前4位為操作碼，后4位為地址碼）010101000001011001000010011100100001100001010011….……內(nèi)存內(nèi)容內(nèi)存地址數(shù)據(jù)區(qū)程序區(qū)從程序首地址開始啟動，在CU控制下完成取-分析-執(zhí)行指令從0010地址開始依次取2個操作數(shù)寄存器控制器運算器第2章計算機的主板第2章8008CPU和PentiumProCPU的外形與內(nèi)部結構局部放大圖摩爾定律

：單位平方英寸芯片上晶體管的數(shù)量每18個月將增加一倍第2章摩爾定律戈登·摩爾GordonMooreIntel創(chuàng)始人之一

1、1965年由戈登·摩爾提出—60個/片（當時）芯片上晶體管的數(shù)量每18個月增加一倍專家認為，按目前技術，集成度已接近物理極限。屆時，將是摩爾定律的終點—張首晟

？開發(fā)新型計算機：光學計算、生物計算、量子計算等。4、Intel將于05年底推出擁有17億個/片Montecito芯片2、1971年英特爾生產(chǎn)的第一個芯片2300個/片；3、英特爾的奔騰4芯片4200萬個/片第2章張首晟--2014年諾貝爾獎預測名單華裔科學家。祖籍江蘇高郵，1963年生于上海。1978年恢復高考時，初中畢業(yè)15歲張首晟直接考入復旦大學,期間作為交流學生到德國柏林大學深造，1983年赴紐約州立大學師從楊振寧教授攻讀博士學位，1987年獲物理學博士學位，1993年任斯坦福大學物理系教授。2006年提出了“量子自旋霍爾效應”概念，被納入《科學》雜志2007重大科學發(fā)現(xiàn)之一。業(yè)界普遍認為，摩爾定律(Moore‘sLaw)將于2015年因