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1、第1章 计算机系统结构的基础知识,一、计算的历史,计算的重要性,柏拉图公元前4世纪在腓利门书(圣约新约中的一卷)说 最原始的知识是发现数字和数字计算,中国算盘,中国算盘 公元13世纪，由一些杆组成，在下面的每个 杆上串5个算珠，上面的每个杆上串2个算珠，中间被一个板条分开。,计算机器,1614年，苏格兰人讷皮尔John Napier (1550-1617)发表了一篇论文，其中提到他发明了一种可以计算四则运算和方根运算的精巧装置。 契克卡德 (Wilhelm Shickard)的计算时钟是历史上最早的计算机器。(1623年) 乘法和除法需要操作员多次干涉。 原理是基于讷皮尔的骨骼原理,计算机器,
2、1623年，契克卡德教授为自己的挚友、天文学家克普勒（Kepler）制作了一种机械计算机。据说，契克卡德只造了两台原型，现在是否还在何处保存着不得而知。人们是在他的一封信里发现了该机器的示意图， 才知道了这个事实。契克卡德计算机能做6位数加减法，或许设置了某种“溢出”响铃装置；机器上部附加一套圆柱型“纳皮尔算筹”，因此也能进行乘除运算。1960年，契克卡德家乡的人根据示意图重新制作出契卡德计算机，惊讶地发现它确实可以工作。1993年5月，德国为契克卡德诞辰400周年举办展览会，隆重纪念这位被一度埋没的计算机先驱。,计算机器,布莱斯.帕斯卡(Blaise Pascal)通过计算机器“Pascal
3、ine”，说明了机械化运算的可能性(1642)。 系列锯齿状的齿轮，每个用数字0-9标示 “Pascaline”是第一个商业化的计算机器。 计数器(1822),键盘(1850),打印机(1885),电计数器(1913),可编程性,所有这些机器的问题是有限的执行连续计算 需要转录和输入所有的中间结果！ Vaucanson(沃康松 )的可设计的机器人(1738) Vaucanson(1749)制造了第一个自动织布机 通过一个穿孔的金属桶接受命令 Jacquard(1804)改善了可编程织布机 利用一系列打孔的卡片,查尔斯巴比奇(1791-1871),微分机 1823 应用？ 精确的表格天文学 航海
4、的表格-海军 背景 任何连续的函数都能被近似的表示为一个多项式- Weierstrass 技术 机械的齿轮，Jacquard的织机，简单的计算器 微分机是第一个数字计算器，它通过提前设置程序的控制机制，能自动连续执行计算操作。,微分机,1823 Babbage(查尔斯巴比奇)的论文发表 1834 瑞典的Scheutz兄弟读到论文 1842 -Babbage 放弃制造微分机的想法 (他专注于分析机) 1855 -Scheutz在巴黎世界展示会上展示他的机器 可以计算6次多项式 速度：3344 个32-进制数字/分钟 现在这个机器在Smithsonian,分析机,1833 -Babbage的论文发
5、表 构思来源于发明微分机的过程中。 灵感：Jacquard的织机 一组固定的打孔卡规定了编织模式程序 一样的打孔卡可以通过不同颜色的线来使用数字 1871 -Babbage逝世-机器仍然没有实现 即使在现代，只用机械技术能否造出分析机也是未知可否的。 然而，在Babbage年老时变沮丧了。“如果我能够多活几年，分析机将会出现，遍布整个星球”。但是他也加了一句非常沮丧的话：“如果任何人他不拒绝我的模型，有一天他造出了包含数学分析原理的分析机，我不惧怕我的记忆，因为他会独自欣赏我努力的天性和获得成果的价值”,第1个程序员-Ada Byron aka, Lady Lovelace,Babbage 的
6、思想有对后来有很多影响，主要由于 米纳布里 (Luigi Menabrea),他在意大利发表了Babbage的演讲笔记 由于巴贝奇晚年因喉疾几乎不能说话，介绍分析机的文字主要由阿达(Lady Lovelace)替他完成。 她把Menabrea的笔记翻译成英语，从而彻底推广了他的思想 阿达设计了巴贝奇分析机上解伯努利方程的一个程序，并证明分析器可以用于许多问题的求解。她甚至还建立了循环和子程序的概念。,20世纪以前,只有关于计算(算法)的直观概念 希尔伯特（Hilbert）第10问题(1900 巴黎):可否设计一个通过有限次运算就可以决定的过程来测试多项式是否有整数根. 1936年邱奇（Chur
7、ch）和图灵（Turing）分别定义了算法 1970s, Hilbert第10问题被证明不存在算法.,计算定义的产生,IBM 701,1951年，IBM开始决定开发商用电脑，聘请冯诺依曼担任公司的科学顾问，1952年12月研制出IBM第一台存储程序计算机，也是通常意义上的电脑，它叫IBM 701。这是IT历史上一个重要的里程碑。,超级计算机,1964年，控制数据公司（Control Data Corporation）研制出了世界上首台超级计算机“CDC6600”。该超级计算机也是超级计算数据中心的现代鼻祖，由西摩克雷(Seymour Cray）为伦斯辐射实验室而设计。,划时代的产品360,19
8、64年4月7日，IBM推出了划时代的System/360大型电脑，这一系列是世界上首个指令集可兼容计算机。从前，计算机厂商要针对每种主机量身定做操作系统，System/360的问世则让单一操作系统适用于整系列的计算机。 这项计划的投入规模空前，特为此招募了6万名新员工，建立了5座新工厂，当时的研发费用超过了50亿美元(相当于现在的340亿美元)。,直到1965年首台System/360才开始出货，但是到1966年，IBM每月售出超过千台。每台的价格在250到300万美元之间，约合现在的2000万美元。,IBM360的副产品,IBM System/360的开发极为复杂，被誉为IBM 360系统之
9、父的Frederick P.Brooks在20年前著有The Mythical Man-Month(人月神话)一书，这本书至今仍然是软件领域的必读经典。,APPLE -1,乔布斯的黄金搭档沃兹尼克在1976年做了一台个人电脑，当时他才26岁，但只是玩玩而已。而那年21岁的乔布斯却从中看到了巨大的商机，他将这台电脑命名为“苹果一号”，并立即投入生产。虽然那只是一种没有键盘、机箱、声音和图像的计算机电路板。,PC时代的来临,1981年8月，IBM召集12位工程师推出了世界上第一款PC IBM PC 5150，这是世界上首次明确了PC的开放式业界标准，它允许任何人及厂商进入PC市场，这对于整个PC未
10、来的发展具有极其重要的意义。,IBM 5150配置有4.77MHz主频的Intel 8088处理器，搭载16KB内存和DOS操作系统。另外，沿用至今的BIOS（基本输入输出系统）也是在当时首度整合其中，堪称PC发展的里程碑。,摩尔定理,摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：集成电路（IC）上可容纳的晶体管数目，约每隔12个月（1975年摩尔将12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12个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。,X86架构,1978年6月8
11、日，Intel发布了新款16位微处理器“8086”，也同时开创了一个新时代：x86架构诞生了。 8086在三年后为IBM PC所选用，之后x86便成为了个人电脑的标准平台，成为了历来最成功的CPU架构。,32位保护模式,Intel 80386推出后，也许是到目前为止x86架构的最大跃进。除了需要值得注意的Intel 80386SX是32位架构但仅只有24位寻址（和16位数据总线）。除此之外其他架构都是32位 - 所有的暂存器、指令集、输出输入空间和存储器寻址。为了能够在后者所说的功能工作，要使用32位扩充的保护模式。然而不像286，386所有的区段可以使用32位的偏移量，即使存储器空间有使用区
12、段，但也允许应用程序访问超过4GB空间而不需要区段的分隔。此外，32位保护模式提供标签页的支持，是一种让虚拟内存得以实现的机制。,64位计算机,1990 年初，一些公司开始释出新的 64 位架构芯片家族，最初是提供给超级电脑、顶级工作站和服务器机器。 2003 年，某些型号的 苹果公司 Macintosh 产生线转向 PowerPC 970 处理器（苹果公司称为“G5”），并在 2006 年，转向 EM64T 处理器，且 x86-64 处理器在顶级的 PC 中遂渐普及。 IA64处理器I-tanium（安腾）是Intel自推出32位微处理器以来，在高性能计算机领域的又一座里程碑。基于IA64处
13、理器架构的服务器具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路，突破了传统IA32架构的许多限制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性等方面获得了突破性的提高。,超级计算机的山寨时代,2002年，戴尔英特尔微软康乃尔大学联手制造超级计算机 大多数智能手机和平板电脑都使用的是ARM处理器，而且ARM处理器对于服务器的吸引力也越来越大。戴尔已经准备为客户们提供一款中低端ARM服务器原型机。,人们对计算的追求永不止步,2008年，一台由IBM公司制造、安装于新墨西哥州北部美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室 、代号为“Roadrunner”的系统，以1.026 petaflop/
14、s（千万亿次浮点运算每秒）的成绩成为首台打破petaflop/s Linpack门槛的超级计算机，从而宣告高性能计算领域迈入了每秒千万亿次时代！,当今最强的超级计算机,“天河二号”是由国防科学技术大学研制的超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为全球最快超级计算机。,计算云时代,Google公司有一套专属的云计算平台，这个平台先是为Google最重要的搜索应用提供服务，现在已经扩展到其他应用程序。Google的云计算基础架构模式包括4个相互独立又紧密结合在一起的系统：Google File Systemt分布式文件系
15、统，针对Google应用程序的特点提出的MapReduce编程模式，分布式的锁机制Chubby以及Google开发的模型简化的大规模分布式数据库BigTable。,SoC（System on Chip）,从20世纪90年代至今，IC设计发生一次质的飞跃，即由ASIC设计方法向SoC设计方法转变。 System on Chip，片上系统，在单一芯片上实现的数字计算机系统。,SoC芯片示例,草根的兴起,ARM成立于1991年，是一家出售IP（技术知识产权）的公司，所谓的技术知识产权，就有点像是卖房屋的结构设计图，至于要怎修改，哪边开窗户，以及要怎加盖其它的花园，就看买了设计图的厂商自己决定。,AR
16、M的优势,iPad得益于一颗被称为Apple A4 ，主频高达1GHz处理芯片，这是一颗基于ARM Cortex A9架构的多核CPU，具有功耗低、体积小、成本低、性能高的特点，正因为有了这颗ARM架构处理芯片的支持，苹果的设计师才能设计出如此有着轻薄完美体型的ipad，从而世界平板电脑市场才被彻底引爆。,GPU编程的兴起,CUDA是一种由NVIDIA推出的通用并行计算架构，该架构使GPU能够解决复杂的计算问题。 它包含了CUDA指令集架构（ISA）以及GPU内部的并行计算引擎。 开发人员现在可以使用C语言来为CUDA架构编写程序，C语言是应用最广泛的一种高级编程语言。所编写出的程序于是就可以在支持CUDA的处理器上以超高性能运行。CUDA3.0已经开始支持C+和FORTRAN。,海思麒麟950,采用台积电16nm FF+制程工艺，42.3GHz的A72核心和41.8GHzA53核心的整体架构，配备全新的MaliT880图形处理器，在数据性能和图形性能提升的同时，功耗降低20%。,瑞芯微RK3288,2014年4月，
