计算机组成原理-第2章 计算机的发展及应用.

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1、第二章 计算机发展及应用 计算机组成原理 作者：唐朔飞 高等教育出版社 主讲人：李 新 山东大学 计算机科学与技术学院 计算机科学与技术学院 2 第二章 教学目的： 建立起单机系统的整体概念，并初步了解有 关计算机硬件系统的基本常识和基本概念。 计算机科学与技术学院 3 内容提要 2.3 计算机的展望 2.2 计算机的应用 2.1 计算机的发展史 计算机科学与技术学院 4 2.1 2.1 计算机的发展史计算机的发展史 一、计算机的产生和发展 1946年 美国 ENIAC1955年退役 十进制运算 18 000 1 500 150 30 1 500 多个电子管 多个继电器 千瓦 吨 平方英尺 5

2、 000次加法秒 用手工搬动开关和拔插电缆来编程 世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946) 计算机科学与技术学院 5 第一台数字电子计算机ENIAC Herman H. Goldstine 二战期间美国设在马里兰州阿伯丁试验基地的弹 道研究室每天要为陆军提供6张火力表。弹道的计算 比较复杂，不同的大炮有不同的弹道轨迹，同时还受 到地形、风向、射击角度和炮弹的类型等许多因素的 制约，一张表要计算几百条弹道轨迹。 一个熟练的计算人员用台式计算机计算一条飞行 时间60秒的弹道就得需要20多小时。 当时，负责阿伯丁弹道研究室弹道计算任务的是 拥有数学博士学位的陆军中尉赫尔曼戈德斯坦。一 个偶然的

3、机会，戈德斯坦得知宾夕法尼亚大学莫尔电 工学院有人正在进行电子计算装置的研制，便当即决 定给予支持。 计算机科学与技术学院 6 第一台数字电子计算机ENIAC John W. Mauchly 1942年8月，戈德斯坦与莫尔学院莫克莱共同起草了一份题为高速电子管计算 装置的使用(The Use of High-Speed Vacuum Tube Device for Calculating)的报告 ，提出了电子计算机的设计方案，它是一台“电子数值积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator）”，简称ENIAC。 Herman H. Go

4、ldstine 计算机科学与技术学院 7 ENIAC 埃克特 Accumulator Decade Plug-in Unit, from ENIAC Progress Report, 30 June, 1944 John Presper Eckert 计算机科学与技术学院 8 第一台数字电子计算机ENIAC 埃克特于1944年1月写出了磁带计算机的报告，提出将数据和 指令存放到同一类型的存储器或磁带上的想法最早出现的 存储程序思想； 1944年3月，他又提出了使用水银延迟线制作存储装置的设想 。 计算机科学与技术学院 9 President Truman in front of ENIAC 第

5、一台数字电子计算机ENIAC 计算机科学与技术学院 10 ENIAC研制小组主要成员，左一为埃克特，右四 为莫克莱，左四为戈德斯坦。 第一台数字电子计算机ENIAC 埃克特 戈德斯坦 莫克莱 计算机科学与技术学院 11 纪录片制片人（左）和4名“奶奶级”电脑高 手在一起，她们分别是贝蒂（左二）、马 琳（左三）、凯瑟琳（右一），前排坐着 的贝蒂辛德霍伯顿目前也已去世。 隐形电脑：ENIAC程序师的故事 计算机科学与技术学院 12 ENIAC主频100 kHz，加法时间0.2ms，乘法时间2.8ms。ENIAC重达30吨，占 地170平方米，共用了18600个电子管，运算速度达到每秒5000次，比

6、当时的计算器 快1000倍，是手工计算的200, 000倍。但也存在着严重的不足： 使用十进制，一方面造成数据存储十分困难，因为很难找到具有十种不同稳 定状态的电气元件；另一方面十进制运算电路比较复杂，影响了计算速度。 无程序存储功能，ENIAC为外插接型计算机，所有计算的控制需要通过手工 与其板面开关和插接导线来完成。 存储容量小，只有20个字节的寄存器存储数字。 故障率高，维护量大。ENIAC由近2万只电子管组成，电子管工作时散发的 热量很大，影响了电子管的使用寿命。 功耗大，ENIAC工作时耗电量为150千瓦。 第一台数字电子计算机ENIAC 计算机科学与技术学院 13 ENIAC的启示

7、 科学研究和技术发明最有可能成功的领域是那些符合时代潮流的技术领域，即符 合当时社会的需要； 科学研究和技术发明依赖于当时社会工业条件和科学技术准备。ENIAC当时的 有利条件包括：在机械式和机电式计算机的制造中积累了丰富的经验；而电子技术 的发展，是重要的技术前提；理论方面包括巴贝奇提出的通用计算机的结构，图灵 机的提出及布尔代数的创立等； 获得经济上的支持，是ENIAC成功的重要条件； ENIAC的成功，从某种意义上说，是科学管理的一个胜利。科学管理可以使技 术设想与社会需要吻合；使技术在实际中应用的情况迅速反映到技术改进中，以促 使技术不断克服弱点、不断创新；科学管理，符合当代技术发明和

8、科学研究综合化 的趋势。现代的发明和创造依靠许多人的合作，而协作精神和科学管理起着关键作 用。 计算机科学与技术学院 14 冯诺依曼的EDVAC方案 1944年1月29日，埃克特经过严密思考，写了一个有关 磁盘计算机的报告，首次提出了将程序和数据都放在磁盘上 的设想； 1945年6月，冯诺依曼提出了一个全新的存储程序 通用计算机方案“EDVAC” (Electronic Discrete Variable Automatic Computer意为“离散变量自动电子计算机”) ； 计算机科学与技术学院 15 冯诺依曼的EDVAC方案 1945年6月30日，冯诺依曼起草了First Draft o

9、f a Report on the EDVAC： 明确规定新型计算机有5个组成部分： (1) 计算器CA；(2) 逻辑控制装置CC；(3) 存储器M；(4) 输入I；(5) 输出O 同ENIAC相比，EDVAC方案有两个重 大改进： (1) 为充分发挥电子元件的高速度而 采用了二进制； (2) 提出了“存储程序”，可以自动地 从一个程序指令进到下一个程序指令， 其作业顺序可以通过一种称为“条件转移 ”的指令而自动完成。 Plan of EDVAC 计算机科学与技术学院 16 冯诺依曼的EDVAC方案 1952年，冯诺伊曼等人完成了EDVAC机的建造工作。EDVAC只用了 3600只电子管，占地

10、面积不足ENIAC的1/3。 Photograph of EDVAC, ca. 1948. 长达101页的EDVAC方案是计算 机发展史上的一个划时代的文献。 在这个方案中，首次提出了存储程 序的概念，解决了第一台电子计算 机 ENIAC的重大缺陷。也正是在 这一方案中，提出了现代计算机发 展的基本体系结构，从而奠定了现 代计算机的发展基础。 计算机科学与技术学院 17 数字电子计算机 数字电子计算机 第一代：约1946-1957 电子真空管 第二代：约1957-1964 晶体管 第三代：约1965-1971 中小规模集成电路 第四代：约1972-1977 大规模集成电路 威廉肖克利，晶体管之

11、父 1956年诺贝尔物理学奖 杰克基尔比，集成电路之父 2000年诺贝尔物理学奖 发明人：罗伯特诺伊斯、杰克基尔比 计算机科学与技术学院 18 硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模 集成电路 1978现在 五 10 000 000 大规模 集成电路 19721977 1 000 000 中小规模 集成电路 19651971 200 000 晶体管 19581964 40 000 电子管 19461957 速度 /（次/秒） 硬件技术 时间 代 三 四 二 一 2.12.1 计算机科学与技术学院 19 二、微型计算机的出现和发展 1968 年，罗伯特诺伊斯（Rober

12、t Noyce）、 戈登摩尔（Gordon Moore）和安迪格鲁夫 （Andy Grove）在硅谷共同创立了英特尔公 司。 Only the Paranoid Survive! -Andy Grove 了解 计算机科学与技术学院 20 摩尔定律 lMoores Law： The number of transistors per integrated circuit would double every 18 month. l这个论断是在第一块平面集成电路产生4 年以后的1965年做出的。 l当时认为这个发展趋势将持续到1975年。 Intel公司创建人 之一戈登摩尔 计算机科学与技术学院

13、21 Intel微处理器发展概述 1. 第1代微处理器 Intel4004/40404位微处理器(1971) Intel8008 低档8位微处理器(1972) 2. 第2代微处理器 Intel8080/8085 8位微处理器(1974) 指令比较完善，有了中断与DMA 汇编、BASIC、FORTRAN Intel 4004 Intel 8085 了解 计算机科学与技术学院 22 3. 第3代微处理器 Intel808616位微处理器(1978) 数据总线数据总线1616位、地址总线位、地址总线2020位位 Intel8088 准16位微处理器(1979) 外部数据总线外部数据总线8 8位，内部

14、数据总线位，内部数据总线1616位位 IBM PCIBM PC(1981)(1981)、IBM PC/XTIBM PC/XT Intel80286 高档16位微处理器(1982) 数据总线数据总线1616位，地址总线位，地址总线2424位位 IBM PC/ATIBM PC/AT 实地址模式、虚地址保护模式实地址模式、虚地址保护模式 虚地址模式可寻址虚地址模式可寻址16MB16MB物理地址和物理地址和1GB1GB的虚的虚 拟地址拟地址 Intel微处理器发展概述 了解 计算机科学与技术学院 23 Intel微处理器发展概述 了解 计算机科学与技术学院 24 Intel 公司的典型微处理器产品 8

15、080 8位 1974年 8086 16位 1979年 2.9 万个晶体管 80286 16位 1982年 13.4 万个晶体管 80386 32位 1985年 27.5 万个晶体管 80486 32位 1989年 120.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万个晶体管 Pentium Pro 64位（准） 1995年 550.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1997年 750.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1999年 950.0 万个晶体管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万个晶体管 2.12.1 2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万 个晶体管 预计 20