電腦科技概論課件

單元一導(dǎo)論1單元一課程目的了解計(jì)算機(jī)組織與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的不同了解一般測(cè)量電腦系統(tǒng)的單位體會(huì)電腦是如何的演進(jìn)如何將電腦視為階層式的系統(tǒng)能夠解釋vonNeumann架構(gòu)和電腦組件的根本功能2為什麼要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組織和結(jié)構(gòu)呢？設(shè)計(jì)更好的程式，包含系統(tǒng)軟體-像是編譯器、作業(yè)系統(tǒng)和裝置驅(qū)動(dòng)程式對(duì)程式的行為最正確化衡量電腦系統(tǒng)的好壞了解時(shí)間、空間，和價(jià)格之間的取捨1.1概觀31.1概觀計(jì)算機(jī)組織包含所有電腦系統(tǒng)的實(shí)體設(shè)備即，電路設(shè)計(jì)、控制信號(hào)，記憶體型態(tài)電腦如何運(yùn)作？計(jì)算機(jī)架構(gòu)程式設(shè)計(jì)師所看到邏輯層面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)即，指令集、指令格式，資料型態(tài)，定址模式我如何設(shè)計(jì)電腦？41.2電腦的組件計(jì)算機(jī)組織和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)並沒(méi)有一個(gè)明確的定義可供分辨它們軟硬體等效原理任何體軟體能做的事硬體一定能做，任何硬體能做的事軟體也一定能做**不考慮速度的情況下5根本來(lái)說(shuō)，電腦是由三個(gè)部份所組成：用來(lái)翻譯並執(zhí)行程式的處理器儲(chǔ)存資料和程式的記憶體和外界傳送資料的機(jī)制1.2電腦的組件6看看下面的廣告：1.3系統(tǒng)範(fàn)例MHz??MB??PCI??USB??L1Cache??這些代表的意義是什麼??7容量和速度的度量單位：Kilo-(K)=1thousand=103and210Mega-(M)=1million=106and220Giga-(G)=1billion=109and230Tera-(T)=1trillion=1012and240Peta-(P)=1quadrillion=1015and2501.3系統(tǒng)範(fàn)例單位是以十為底或是二為底是取決為所量測(cè)的東西為何8 RAID〔RedundantArrayofIndependentDisks，獨(dú)立磁碟冗餘陣列，簡(jiǎn)稱(chēng)為磁碟陣列〕的根本思想就是把多個(gè)相對(duì)廉價(jià)的硬碟組合起來(lái)，成為一個(gè)磁碟陣列組，使性能達(dá)到甚至超過(guò)一個(gè)價(jià)格昂貴、容量巨大的硬碟。1.3系統(tǒng)範(fàn)例91.3系統(tǒng)範(fàn)例101.3系統(tǒng)範(fàn)例111.3系統(tǒng)範(fàn)例12Hertz=每秒幾個(gè)週期(頻率)1MHz=1,000,000Hz處理器的速度就是以MHzorGHz來(lái)計(jì)算Byte=儲(chǔ)存的單位1KB=210=1024Bytes1MB=220=1,048,576Bytes主記憶體(RAM)是以MB或GB來(lái)計(jì)算硬碟則是以GB或TB來(lái)計(jì)算1.3系統(tǒng)範(fàn)例131.3系統(tǒng)範(fàn)例時(shí)間和空間的度量：Milli-(m)=1thousandth=10-3Micro-()=1millionth=10-6Nano-(n)=1billionth=10-9Pico-(p)=1trillionth=10-12Femto-(f)=1quadrillionth=10-1514Millisecond=千分之一秒硬碟的存取時(shí)間通常為10to20millisecondsNanosecond=十億分之一秒主記憶體的存取時(shí)間通常為50to70nanosecondsMicron(micrometer)=百萬(wàn)分之一米電路和計(jì)算機(jī)晶片的大小以microns計(jì)算1.3系統(tǒng)範(fàn)例15我們發(fā)現(xiàn)週期時(shí)間是時(shí)脈頻率的倒數(shù)一個(gè)操作頻率為133MHz的匯流排，其週期為7.52奈秒:1.3系統(tǒng)範(fàn)例現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看前面的廣告...133,000,000cycles/second=7.52ns/cycle161.3系統(tǒng)範(fàn)例電腦內(nèi)靠系統(tǒng)匯流排來(lái)傳輸資料。匯流排越快越好。這邊的速度是133MHz微處理器是系統(tǒng)的“大腦〞。它用來(lái)執(zhí)行程式的指令。這部電腦的處理器是PentiumIII(Intel)，速度為667MHz171.3系統(tǒng)範(fàn)例擁有較大主記憶體容量的電腦可以以較快的速度來(lái)執(zhí)行較大的程式RAM是RandomAccessMemory的縮寫(xiě)。隨機(jī)存取的意思是，如果我們知道所要的資料在什麼位址時(shí)，我們就可以直接去存取它Cache是一種暫時(shí)性的記憶體，其存取速度比

RAM還快181.3系統(tǒng)範(fàn)例…並且有二層的cache記憶體，第一層(L1)cache比較小且(應(yīng)該)比L2cache快。請(qǐng)注意這些cache的大小是以KB來(lái)計(jì)算的這個(gè)系統(tǒng)有64MB的(快速)同步動(dòng)態(tài)RAM(SDRAM)...191.3系統(tǒng)範(fàn)例比較各種記憶體資料的存取速度Register>Cache>RAM>ROM>HardDisk>CD>Floppy>Tape201.3系統(tǒng)範(fàn)例這邊的容量是30GB，7200RPM是硬碟的轉(zhuǎn)速。

一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速越快，傳送資料到

RAM的速度就越快。(還牽涉了許多其它的因素。)硬碟的容量決定了你能儲(chǔ)存多大的程式diskaccesstime=seektime+rotationtime+transmissiontime211.3系統(tǒng)範(fàn)例CD-ROM能儲(chǔ)存650MB的資料，它很適合用來(lái)發(fā)授商用套裝軟體。48x是它的速度EIDE為enhancedintegrateddriveelectronics，它代表硬碟和其系統(tǒng)元件是如何連接的221.3系統(tǒng)範(fàn)例這個(gè)系統(tǒng)有四個(gè)portsPorts

讓資料在系統(tǒng)和外部裝置間運(yùn)作231.3系統(tǒng)範(fàn)例串列ports將資料放在一或二條導(dǎo)線上以脈波方式傳送平行ports將資料放在至少八條導(dǎo)線上以脈波方式傳送USB,universalserialbus,是一種智慧型的串列介面，擁有self-configuring的特性。(支援“plugandplay〞)2.0速度為480Mbps241.3系統(tǒng)範(fàn)例IEEE1394也是高速傳輸資料的一種高速序列匯流排，當(dāng)初由蘋(píng)果公司與德州儀器公司合作開(kāi)發(fā)，後來(lái)在1995年被IEEE納入標(biāo)準(zhǔn)。最多可以串接63個(gè)週邊，支援隨插即用與熱插拔的功能。全名為IEEESTD1394-1995，後來(lái)被修正為IEEE1394A與IEEE1394BIEEE1394A傳輸速率分為S100(98.3Mbps)、S200(196.6Mbps)、S300(393.2Mbps)IEEE1394B則可達(dá)800Mbps、1.6GBps、3.2Gbps以上，極為驚人。251.3系統(tǒng)範(fàn)例系統(tǒng)匯流排能夠藉專(zhuān)屬I(mǎi)/O匯流排來(lái)擴(kuò)充。PCI,peripheralcomponentinterface,就是這種匯流排此系統(tǒng)有二個(gè)PCI裝置：一個(gè)是音效卡，一個(gè)是用來(lái)上Internet的modem261.3系統(tǒng)範(fàn)例refreshrate

是影像在螢?zāi)簧厦棵肽軌蛑禺?huà)幾次。

dotpitch則告訴我們影像會(huì)有多清晰這個(gè)螢?zāi)坏膁otpitch為0.28mmrefreshrate為85Hz圖型顯示卡含有支援螢?zāi)坏挠洃涹w和程式27

硬碟運(yùn)作原理：1.3系統(tǒng)範(fàn)例281.3系統(tǒng)範(fàn)例291.3系統(tǒng)範(fàn)例301.3系統(tǒng)範(fàn)例CD-ROM發(fā)展歷史60年代，美國(guó)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備ECD(EnergyConversionDevices)公司開(kāi)始利用雷射來(lái)紀(jì)錄0與1的研究，採(cǎi)用的材料是相變(phase-change)材料，為半金屬材料，有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：晶態(tài)與非晶態(tài)，利用這兩個(gè)狀態(tài)對(duì)光的反射率不同可檢測(cè)出0與1，該材質(zhì)所製成的光碟稱(chēng)之為相變光碟PCD電子技術(shù)中有三束，電子束、離子束、雷射光束，其中以雷射光束來(lái)紀(jì)錄資料最實(shí)際。在不需要真空設(shè)備下，雷射光束可聚焦至1μm以下相變光碟的材料用於紀(jì)錄資料不夠穩(wěn)定可靠311.3系統(tǒng)範(fàn)例Philips另闢途徑，利用凹凸外表來(lái)紀(jì)錄資料，對(duì)於雷射光束的反射率不同-LD，紀(jì)錄類(lèi)比訊號(hào)Philips與Sony合作開(kāi)發(fā)CD-DA，就是現(xiàn)在的雷射唱片，紀(jì)錄數(shù)位訊號(hào)，在1982年問(wèn)世，直徑12cm，可播放72分鐘高質(zhì)量的音樂(lè)節(jié)目，CD光碟片的音訊信號(hào)質(zhì)量成為標(biāo)準(zhǔn)CD質(zhì)量、FM調(diào)頻質(zhì)量、AM質(zhì)量、電話語(yǔ)音質(zhì)量是Philips公司光碟技術(shù)與Sony公司糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，光碟原始誤碼率由10-4降到10-9以下16000TPI，光跡間距1.6μm，光跡寬度0.6μm，總長(zhǎng)約5km，凹坑深度約0.12μm光跡分為導(dǎo)入?yún)^(qū)、資訊區(qū)與導(dǎo)出區(qū)三部份開(kāi)始用於資料儲(chǔ)存32CD-R原理原理:藉由高功率的雷射光照射CD-R光碟片的染料層，使其產(chǎn)生化學(xué)變化造成CD-R光碟片平面產(chǎn)生不同的凹洞(Pit)進(jìn)而分辨0或1的訊號(hào)，而0和1即數(shù)位世界裡的根本訊號(hào)表示方式依據(jù)染料層的不同分為綠片,藍(lán)片,金片等33CD-RW原理為CD-ReWritable的縮寫(xiě)可以重複寫(xiě)入的光碟燒錄技術(shù)，必須使用專(zhuān)門(mén)的CD-RW片原理為利用鍍?cè)诠獾系你y，銦，硒或碲結(jié)晶層可因雷射光功率的不同而有結(jié)晶和非結(jié)晶兩種狀態(tài)進(jìn)行訊號(hào)的設(shè)定動(dòng)作，由於結(jié)晶狀態(tài)可以改變，因此可重複燒錄。341.3系統(tǒng)範(fàn)例351.3系統(tǒng)範(fàn)例EFM(EighttoFourteenModulation)調(diào)變編碼把使用者資料、位址資訊、錯(cuò)誤校正碼、同步位元等通通變成通道位串(bitstream)雷射波長(zhǎng)780nm，聚焦雷射用的物鏡的數(shù)值孔徑約為0.45nm，凹坑與非凹坑長(zhǎng)度介於0.833μm到3.054μm間兩個(gè)連續(xù)的1變成通道位元時(shí)需要插入兩個(gè)0-最小游程(run-length)考慮紀(jì)錄信號(hào)本身的自同步及其他因素，兩個(gè)1之間0的個(gè)數(shù)不可超過(guò)10個(gè)-最大游程214=16384，267滿足游程限制，合併時(shí)有10個(gè)不合用，任意去掉一個(gè)361.3系統(tǒng)範(fàn)例371.3系統(tǒng)範(fàn)例38

在接下來(lái)的內(nèi)容中，你會(huì)看到這些組件如何運(yùn)作，並且如何和軟體溝通來(lái)讓電腦系統(tǒng)運(yùn)行有二個(gè)重要的問(wèn)題產(chǎn)生了：我們是怎樣確保電腦組件會(huì)照我們預(yù)期的來(lái)運(yùn)作呢?而且我們是怎樣確保電腦組件之間能夠一起運(yùn)作無(wú)誤呢？1.3系統(tǒng)範(fàn)例39有很多的組織在訂定電腦硬體的標(biāo)準(zhǔn)–包含電腦組件間軟硬體的溝通在你往後的生活或職業(yè)生涯裡，你會(huì)不斷的碰到這些東西一些最重要的標(biāo)準(zhǔn)制定組織有...1.4標(biāo)準(zhǔn)組織40國(guó)際電機(jī)電子工程學(xué)會(huì)(IEEE)一個(gè)促進(jìn)共同利益的世界性電機(jī)工程社群建立電腦組件、資料表示、信號(hào)協(xié)定和其它林林種種的標(biāo)準(zhǔn)1.4標(biāo)準(zhǔn)組織41國(guó)際電信協(xié)會(huì)(ITU)關(guān)注在電信系統(tǒng)的溝通，包含資料通信和電話通訊方式各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)體：TheAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)TheBritishStandardsInstitution(BSI)1.4標(biāo)準(zhǔn)組織42國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)建立世界上各種事物的標(biāo)準(zhǔn)，小從螺絲丁的螺紋到軟片對(duì)電腦軟硬體的標(biāo)準(zhǔn)制訂有其影響性，包括他們的製造方法1.4標(biāo)準(zhǔn)組織43Tofullyappreciatethecomputersoftoday,itishelpfultounderstandhowthingsgotthewaytheyare.Theevolutionofcomputingmachineryhastakenplaceoverseveralcenturies.Inmoderntimescomputerevolutionisusuallyclassifiedintofourgenerationsaccordingtothesalienttechnologyoftheera.Wenotethatmanyofthefollowingdatesareapproximate.1.5歷史發(fā)展44第0代：機(jī)械式計(jì)算機(jī)器(1642-1945)計(jì)裱式計(jì)時(shí)器-WilhelmSchickard(1592-1635).Pascaline-BlaisePascal(1623-1662).DifferenceEngine-CharlesBabbage(1791-1871)，有設(shè)計(jì)出但未被製造的AnalyticalEngine.打孔卡式的機(jī)器-HermanHollerith(1860-1929).在1970年代，用Hollerith卡片來(lái)輸入的情況非常普遍1.5歷史發(fā)展45第一代：真空管電腦(1945-1953)AtanasoffBerryComputer(1937-1938)解線性方程式JohnAtanasoffandCliffordBerryofIowaStateUniversity1.5歷史發(fā)展46第一代：真空管電腦(1945-1953)ElectronicNumericalIntegratorandComputer(ENIAC)JohnMauchlyandJ.PresperEckertUniversityofPennsylvania,1946第一部通用型電腦1.5歷史發(fā)展47第一代：真空管電腦(1945-1953)IBM650(1955)在1969停產(chǎn)第一部量產(chǎn)的電腦1.5歷史發(fā)展48第二代：電晶體電腦(1954-1965)IBM7094(科學(xué)用途)and1401(商用)DigitalEquipmentCorporation(DEC)PDP-1Univac1100...還有很多其它的DECPDP-11.5歷史發(fā)展49第三代：積體電路電腦(1965-1980)IBM360DECPDP-8andPDP-11Cray-1超級(jí)電腦...還有很多其它的IBM360Cray-11.5歷史發(fā)展50第四代：超大型積體電路電腦(1980-????)超大型積體電路(VLSI)在一個(gè)晶片上含有超過(guò)10,000個(gè)元件讓微處理器得以實(shí)現(xiàn)第一個(gè)就是4-bit的Intel4004後來(lái)，像是8080,8086,and8088蘊(yùn)育了“個(gè)人計(jì)算〞的概念I(lǐng)ntel40041.5歷史發(fā)展51CrayT90超級(jí)電腦1.5歷史發(fā)展52Moore’sLaw(1965)GordonMoore,Intel的創(chuàng)辦人“積體電路中電晶體的密度，每?jī)赡昃蜁?huì)倍增〞，即性能也倍增，但價(jià)格不變現(xiàn)在的版本:“矽晶片的密度每18個(gè)月就會(huì)倍增〞但是這個(gè)“定律〞不會(huì)永遠(yuǎn)都成立的...1.5歷史發(fā)展531.5歷史發(fā)展54Rock’sLawArthurRock,Intel創(chuàng)辦人“生產(chǎn)半導(dǎo)體的本錢(qián)每四年就會(huì)倍增〞在1968,一個(gè)晶片廠約要$12,000美元當(dāng)時(shí),$12,000可以在市郊買(mǎi)一棟不錯(cuò)的房子了一個(gè)一年能賺$12,000美元的人可以過(guò)“很好的生活〞1.5歷史發(fā)展55Rock’sLaw在2003，蓋一座晶片廠要花費(fèi)超過(guò)$2.5billion如果Moore’sLaw要成立，那Rock’sLaw就必需不成立，或是相反。

但是沒(méi)人能說(shuō)出那一種情況會(huì)先出現(xiàn)$2.5billion比一些小國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)毛額還要高了,像貝里斯,不丹,獅子山共和國(guó)等1.5歷史發(fā)展56除了晶片之外，電腦是由許多其它的東西所組成的在電腦能做些有價(jià)值的事情之前，它必須使用軟體才行我們必須用“分擊法〞來(lái)寫(xiě)複雜的程式，就是每個(gè)程式模組解決一小部份的問(wèn)題-軟體工程、日不落帝國(guó)複雜的電腦系統(tǒng)也在虛擬的機(jī)器層級(jí)中使用類(lèi)似的技巧1.6電腦階層57每個(gè)虛擬機(jī)器層級(jí)都是下一層的抽像化層級(jí)每一層機(jī)器都執(zhí)行它們特殊的指令，去呼叫下一層的機(jī)器來(lái)執(zhí)行所需的工作最後電腦的電路會(huì)完成所要的工作1.6電腦階層58Level6:使用者階層(TheUserLevel)程式執(zhí)行及使用者介面階層這是我們最熟悉的Level5:高階語(yǔ)言階層(High-LevelLanguageLevel)我們寫(xiě)一些語(yǔ)言，如C,Pascal,Lisp,和Java時(shí)，所會(huì)接觸到的階層1.6電腦階層59Level4:組合語(yǔ)言階層(AssemblyLanguageLevel)對(duì)level5而來(lái)的組合語(yǔ)言產(chǎn)生動(dòng)作，也可以直接在這層寫(xiě)組合語(yǔ)言程式Level3:系統(tǒng)軟體階層(SystemSoftwareLevel)控制系統(tǒng)中行程的執(zhí)行保護(hù)系統(tǒng)的資源組合語(yǔ)言指令通常直接的經(jīng)過(guò)這一層1.6電腦階層60Level2:機(jī)器階層(MachineLevel)也稱(chēng)為指令集架構(gòu)(ISA)階層由特殊機(jī)器架構(gòu)的指令所組成以機(jī)器語(yǔ)言所寫(xiě)的程式不需要用到編譯器、直譯器，或是組譯器1.6電腦階層61Level1:控制階層(ControlLevel)控制單元對(duì)指令解碼並執(zhí)行，並且在系統(tǒng)中搬運(yùn)資料控制單元可以是微程式化或是硬體接線式的

微程式是一種以低階語(yǔ)言寫(xiě)成的程式，經(jīng)由硬體來(lái)實(shí)現(xiàn)硬體接線式控制單元是由直接執(zhí)行硬體指令的硬體所組成1.6電腦階層62Level0:數(shù)位邏輯階層(DigitalLogicLevel)這一層是數(shù)位電路所存在的階層(晶片)數(shù)位電路是由閘和線所組成這些元件實(shí)現(xiàn)了其它層的數(shù)學(xué)邏輯式1.6電腦階層63在ENIAC的機(jī)器上，

寫(xiě)程式必須在數(shù)位邏輯階層完成在電腦上寫(xiě)程式就是要插拔一些線1.7vonNeumann模型64ENIAC的發(fā)明者，JohnMauchley和J.PresperEckert，想像電腦可以儲(chǔ)存指令在記憶體內(nèi)這個(gè)觀念肇始於一個(gè)數(shù)學(xué)家，JohnvonNeumann，他和Mauchley及Eckert是同一個(gè)時(shí)代的人內(nèi)儲(chǔ)程式電腦就是vonNeumann架構(gòu)系統(tǒng)1.7vonNeumann模型651.7vonNeumann模