计算机硬件(第1章概述)

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1、第 1 页第一章 计算机硬件技术概述 本章主要内容 1.1 计算机的发展 史 微电子器件的发展和摩尔 定律 计算机的发展、特点、分 类和发展趋势 1.2 计算机系统 计算机的硬件和软件 计算机的硬件 第 2 页1.1 计算机发展史 1.微电子器件的发展 电子管特点：体积大、功耗高、寿命短、速 度慢、可靠性差。 半导体晶体管特点：体积小、功耗低、可靠性高。包括双极型晶体管和场效应晶体管。 集成电路芯片 (IC: Integrated Circuits) 特点： 速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高 等。第 3 页IC集成度分类： SSI（小规模集成电路） 晶体管数100个以下 MSI（中规模集

2、成电路） 晶体管数1003000个 LSI（大规模集成电路） 晶体管数3000105个 VLSI（超大规模集成电路） 晶体管数105108个 ULSI（甚大规模集成电路）晶体管数以上 目前的P4集成度超过1081.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史第 4 页1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史2.计算机的发展史 电子管计算机（1946年到50年代后期） 存储器：延迟线、磁芯 无高级语言，甚至没有汇编器 科学计算、为军事与国防尖端科技服务 没有商业化 晶体管计算机（50年代中期到60年代后期） 磁芯存储器，存储量从几千提高到10万单元以上 运算速度从每秒几千次提高到几十

3、万次 军事与尖端技术、气象、工程设计、数据处理以及 其他科学研究等领域第 5 页1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史 中、小规模集成电路集成电路计算机（从60年 代中期到70年代前期） 功耗、体积、价格等进一步下降。 速度及可靠性相应的提高 范围进一步扩大 大、超大规模集成电路计算机（70年代初到至 今） 20世纪60年代后，半导体存储器取代了磁芯存储 器，并不断向大容量、高集成度、高速度发展。 70年代初，出现微型计算机（PC）以微处理 器（MPU，单片IC的CPU）为核心的电子计算机。 计算机进入了几乎所有的行业。第 6 页1.1.2 摩尔定律 1965 年，Intel的创

4、办人之一摩尔 发现：“在相等 面积(制作成本 )上，CPU上的 晶体管数量以 每18个月倍增 的趋势增加， 执行性能的提 升大体也符合 这个趋势。”第 7 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑 运算速度为每 秒5000次十进制 加法运算或者400 次乘法运算 至多只能存20 个10位的十进制 数，无程序存储 器。1.第一台电子数字计算机1946年，ENIAC，美国宾夕法尼亚大学 18800个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方 米。耗电150千瓦。第 8 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑 2.存储程序概念的提出以美籍匈牙利数学家冯诺依曼为首的研制小组与参与研制E

5、NIAC主要人员联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，提出了“存储程序控制”的计算机结构(即诺依曼机），奠定了现代计算机的体系结构。 计算机（指硬件）由五大基本部件组成； 计算机内部采用二进制来表示指令和数据； 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再执行程序。第 9 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑3.第一台存储程序计算机1949年在英国剑桥大学问世的EDSAC，由3000只 电子管为主要元件的存储结构的计算机。1951年冯 诺依曼的EDVAC 问世，总共只采 用了2300个电子 管，但运算速度 却比拥有18000 个电子管的 ENIAC提高

6、了10 倍。第 10 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑4.晶体管计算机的诞生 1954年，贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机（TRADIC），装有800个晶体管。 1958年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千提高到10万以上。 1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM 7090。第 11 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑5.第三代计算机的的著名代表1964年 ，第一个采 用集成电路 的通用计算 机系列IBM 360系统研 制成功，该 系列有大、 中、小型，

7、 共6个型号 。第 12 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑在1967 年和1977年，分 别出现了大规模集 成电路和超大规模 集成电路。美国的 ILLIAC-IV计算机 ，是第一台全面使 用大规模集成电路 作为逻辑元件和存 储器的计算机。6.使用超大规模集成电路的第四代计算机第 13 页1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑 Intel系列CPU的发展， 特别是1978年推出的8086 16位CPU，为微机的出现 奠定了硬件基础。 1980年，IBM实行“开 放”政策；采用Intel 8088 MPU、委托独立软件公司 为它配置各种软件。 1981年8月12日，IBM 在纽约宣布I

8、BM PC个人电 脑出世。7.微型计算机的出现第 14 页Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑 Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表代年份字长型号工艺集成度 (万个)时钟速率(MHz)运算速度 (MIPS) 一7144004PMOS0.2300七0132PentiumIVCMOS42001.33.6 GHz八0464PentiumIV FCMOS169003.23.6 GHz第 15 页1.1.4 现代计算机的特点及其类型 计算机按用途可分为专用计算机和通 用计算机 专用计算机是最有效、最经济、最快速的计算机， 但是它的功能单一，

9、适应性很差。 通用计算机功能齐全，适应性很强，但是牺牲了效 率、速度和经济性。 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运 行的经济性和适应性来划分的。现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机。第 16 页1.1.4 现代计算机的特点及其类型巨型机 （GFLOPS=亿次浮点运算/ 秒） 指令速度每秒一亿次以上，最高运算速度达到 32GFLOPS。 在结构上一般采用并行多处理器。 应用于尖端科学、军事领域，标志国家计算机技术 水平。 中、大型机： 运算速度为每秒100万次至数千万次。 一般最为大学、大型企业、金融等行业或单位。 高可靠性。 小型机 规模小、结构紧凑、容易维护。 一般用于企业管理

10、、数据处理、自动控制等 也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。第 17 页1.1.4 现代计算机的特点及其类型微型机 体积桌面化-掌上化 通用化 维护简单化，操作简单化，用户平民化 价格低廉化 多媒体化、网络化第 18 页1.1.5 计算机的发展趋势 目前计算机的发展是向“两极”(多级)分化 微型化、网络化、高性能、通用化。 巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。关于计算机的大小速度、容量。 未来计算机的发展趋势 计算能力进一步提高预计21世纪初期，将出 现每秒100万亿次的超级计算机。 计算机将进入人工智能时代具备学习、判断 、推理及自然语言能力。 将出现新型材料计算机超导计算机、

11、量子计 算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机。第 19 页1.2 计算机系统硬件与软件 计算机系统硬件系统和软件系统的结合的 整体。 硬件：计算机的物质存在的实体，软件的实现平 台。 软件：计算机功能和数据的二进制表示信息。 例：计算机通信具体功能可以由硬件实现，可以由软件实现，也可以由硬件和软件 实现。 硬件完成：增加设计制造成本、速度快、稳定、灵活性差。 软件完成：成本低、修改升级简单、速度受限制。 硬件软件化 软件硬件化判 决电信号字节 同步二进制 位帧 同步字节包 交换信息帧信息包第 20 页1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统 1.一般用户观察到的计算机硬件系统物理模块构成 功能和性能指标 操作界面2.专业用户观察到的计算机硬件系统 原理 功能模块构成 标准和连接关系 第 21 页1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统计算机的设计者更多地关心计算机的组成原理和实 现方法。3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统 计算机控制器运算器存储器I/O寄存器1寄存器2寄存器3寄存器N门1门2门3门N晶体管1晶体管2晶体管3晶体管N系统级 寄存器级 门电路级 晶体管级