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1、计算机组成技术哈工大计算机学院陈惠鹏课程安排l计算机发展历史及现在计算机发展历史及现在l计算机形态的变迁计算机形态的变迁l计算机的应用及发展方向计算机的应用及发展方向l计算机基础计算机基础二进制原理二进制原理计算机组成原理计算机组成原理计算机发展的历史计算机发展的历史1946年ENIAC的诞生标志着人类进入了一个新的时代.1.先驱的探索机械式计算机 第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡（B.Pascal）发明的机械计算机。帕斯卡1623年出生在法国一位数学家家庭，他三岁丧母，由担任着税务官的父亲拉扯他长大成人。从小，他就显示出对科学研究浓厚的兴趣。少年帕斯卡对他的父亲一往情深，他每天都看着年迈
2、的父亲费力地计算税率税款，很想帮助做点事，可又怕父亲不放心。于是，未来的科学家想到了为父亲制做一台可以计算税款的机器。19岁那年，他发明了人类有史以来第一台机械计算机。 帕斯卡 加法器Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer1.先驱的探索机械式计算机1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。 莱布尼兹 乘法器Edit By CHP School of Comput
3、erEdit By CHP School of Computer1.先驱的探索机械式计算机1822年巴贝奇花了近10年时间，构想、研制成功了第一台差分机，它能根据设计者的安排，自动完成高次多项式的整个运算过程，它的存储器是由齿轮组构成，“差分机”是程序设计思想萌芽阶段的产物。研制第二台差分机转眼又是10年，在研制过程中，他一味追求尽善尽美，对于多种部件的要求精益求精。可是这种近乎苛刻的想法与要求，超越了当时的技术水平，但却为英国机床工业的发展培训了不少工程师。巴贝奇花费了政府资助他的17000英镑和他本人的13000英镑仍然没有制成，这台差分机研制中途夭折，被送进了伦敦博物馆。巴贝奇知音难觅，
4、但当时英国著名诗人拜仑的女儿爱达拉夫拉夫斯基伯爵夫人却能理解巴贝奇的工作，由于她杰出的数学天赋在英国剑桥大学就拜巴贝奇为师，不仅深深理解巴贝奇的思想并全力协助研制“分析机”，而且在经济上也作了最大支持。可惜爱达早逝，但她在程序设计上的突出贡献，被誉为世界第一位程序员，她的名字也与现代计算机程序设计语言Ada紧紧地联系在一起。 巴贝奇的差分机与分析机巴贝奇的差分机与分析机Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer2.从机械到电的飞跃 美国人赫尔曼霍勒瑞斯（Herman Hollerith）(February 29, 1
5、860 November 17, 1929) ，根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机（a mechanical tabulator based on punched cards），就是395,781/395,782/395,783号专利“穿孔卡片制表系统”。 并带入商业领域建立公司。 赫尔曼霍勒瑞斯公司名称为“计算-制表-记录公司”（Computing-Tabulating-Recording，C-T-R），即原“数据处理”公司（Data Processing ）这就是IBM的前身。托马斯沃森于1914年被计算-制表-记录公司聘用，成为了公司的总裁。赫尔曼赫尔曼霍勒斯霍勒斯 制表机制表机Th
6、omas Watson Thomas Watson 接手接手接手接手CTRCTR公司，并将其改造为公司，并将其改造为公司，并将其改造为公司，并将其改造为IBMIBMEdit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer2.从机械到电的飞跃1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”。1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展
7、。德弗雷斯特因发明三极管而被称为“无线电之父”。二极管、三极管的发明Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer3.技术的飞跃早在1847和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要著作逻辑的数学分析和思维规律的研究，创立了逻辑代数。逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。1939年，阿塔纳索夫提出计算机三原则；采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。1936年，24岁的英国数
8、学家图林发表著名论文论可计算数及其在密码问题的应用，提出了“理想计算机”，后人称之为“图林机”。图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。 图林发表于1940年的另一篇著名论文计算机能思考吗？，对计算机的人工智能进行了探索，并设计了著名的“图林测验”。1940年，美国科学家维纳阐述了自己对现代计算机的五点设计原则：数字式而不是模拟式；以电子元件构成并尽量减少机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台
9、现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。 1938年，信息论的创始人、美国科学家仙农发表论文继电器和开关电路的符号分析，首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。 Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer计算机的数学模型计算机的数学模型-图灵机图灵机图灵机图灵机（英语：Turing Machin
10、e，又称确定型图确定型图灵机灵机）是英国数学家阿兰图灵于1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer图灵机的艺术表示Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；而在每
11、个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于 (a) 此人当前所关注的纸上某个位置的符号和(b) 此人当前思维的状态。Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer图灵的基本思想计算是指遵循一定的规则用机械的动作所进行的过程。例如:数的加、减、乘、除以及乘方、开方、微积分等这些都是计算。我们还可以抽象的说“计算就是从一个符号行得出另一个符号行。Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer图灵的基本思想既然计算是遵循一定的规则用机械的动作所进行的过程，那末
12、能不能设计一种理想的机器，即抽象机来实现这种计算呢?我们可以采用计算模型的办法来解决。图灵机就是具有一套特定的规则与动作的理想的计算模型。由此计算与可计算也可以这样说:“图灵机所进行的工作就是计算，图灵机能够进行的就叫可计算”。当然这些说法是无法证明的，同样也无法证明:“图灵机的确是一个合适的模型”。但是“可计算就是图灵机可计算”，这命题是能够接受的。Edit By CHP School of ComputerEdit By CHP School of Computer为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：1.一条无限长的纸带 TAPETAPE。纸带被划
13、分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号 表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为 0, 1, 2, . ，纸带的右端可以无限伸展。2.一个读写头 HEADHEAD。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。3.一套控制规则 TABLETABLE。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。4.一个状态寄存器状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机
14、状态。注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。在某些模型中，纸带移动，而未用到的纸带真正是“空白”的。要进行的指令(q4)展示在扫描到方格之上(由 Kleene (1952) p.375 绘制)。 在某些模型中，读写头沿着固定的纸带移动。要进行的指令(q1)展示在读写头内。在这种模型中“空白”的纸带是全部为 0 的。有阴影的方格，包括读写头扫描到的空白，标记了 1,1,B 的那些方格，和读写头符号，构成了系统状态。(由 Minsky (1967) p.121 绘制)。 图灵机模型图
15、灵机的形式化定义图灵机的形式化定义一台图灵机图灵机是一个七元组 (Q,q0,qaccept,qreject)，其中 Q, 都是有限集合，且满足Q 是状态集合； 是输入字母表，其中不包含特殊的空白符 ； 是带字母表，其中 且 ； 是转移函数，其中L,R 表示读写头是向左移还是向右移； 是起始状态； 是接受状态。 是拒绝状态，且 。图灵机 M = (Q,q0,qaccept,qreject) 将以如下方式运作：开始的时候将输入符号串从左到右依此填在纸带的第号格子上，其他格子保持空白(即填以空白符)。M的读写头指向第0号格子，M处于状态q0。机器开始运行后，按照转移函数所描述的规则进行计算。例如，若
16、当前机器的状态为q，读写头所指的格子中的符号为x，设(q,x)=(q,x,L)，则机器进入新状态q，将读写头所指的格子中的符号改为x，然后将读写头向左移动一个格子。若在某一时刻，读写头所指的是第0号格子，但根据转移函数它下一步将继续向左移，这时它停在原地不动。换句话说，读写头始终不移出纸带的左边界。若在某个时刻M根据转移函数进入了状态qaccept，则它立刻停机并接受输入的字符串；若在某个时刻M根据转移函数进入了状态qreject，则它立刻停机并拒绝输入的字符串。注意，转移函数是一个部分函数，换句话说对于某些q,x，(q,x)可能没有定义，如果在运行中遇到下一个操作没有定义的情况，机器将立刻停
17、机。TuringMachine图灵机解决了一个长期困扰我们的问题什么是计算?图灵机为实现自动计算提供了一个可以实施的数学模型.物理上如何实现该模型?冯.诺依曼为我们提供了另一个模型.第一台电子计算机的诞生1943年在美国费城的穆尔工程学院，约翰.莫奇莱、普里斯泊.艾克特提出了建造ENIAC的计划，并邀请了很多的数学家参加其中包括著名的数学家约翰.冯纽曼(Von.Neumann)第一台电子计算机的诞生1946年初在Von.Neumann等人的努力下ENIAC研制成功。ENIAC由20,000个开关元件、重30吨、耗电150千瓦。首次应用即参与了在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯进行的原子弹爆炸试验的计算
18、。电子管计算机的问题lENIAC的研制成功，奠定了一个新的时代。l但是，电子管遇到了巨大的障碍：体积庞大，无法缩小。会发出很多的热量，管间间距需要很大。l到了20世纪60年代，晶体管的问世造成了计算机革命性的进步。晶体管的发明人约翰.巴丁、沃尔特.布拉顿和威廉.肖克利(William Shockley)三人因在晶体管技术上的革命性突破,被共同授予1965年的诺贝尔物理奖,右图是他们中的代表威廉.肖克利,以它的名字命名的肖克利半导体公司是当时最了不起的公司硅谷(siliconvalley)肖克利半导体公司衍生出仙童半导体肖克利半导体公司衍生出仙童半导体公司公司,而仙童半导体公司又衍生出许多公司而
19、仙童半导体公司又衍生出许多公司,包括包括Motorola、德州仪器公司、德州仪器公司、RCA等公等公司，这些公司与很多半导体公司都位于圣克司，这些公司与很多半导体公司都位于圣克拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里范围内，拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里范围内，而此时所有的半导体几乎都是用硅制造的，而此时所有的半导体几乎都是用硅制造的，所以这个地区被人们称为所以这个地区被人们称为“硅谷硅谷”(silicon valley)计算机经历的时代l从晶体管技术的出现到现在，计算机走从晶体管技术的出现到现在，计算机走过了四个时代：过了四个时代：电子管时代电子管时代晶体管晶体管时代时代中小规模集成电路中小规模集成电
20、路（Integrate Circus）时时代代超大规模集成电路超大规模集成电路（Integrate Circus）时时代代各时期计算机的比较（1）时期时期元器件元器件代代 表表 机机 器器第一代第一代电子管电子管第一台计算机第一台计算机ENIAC第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机EDVAC第二代第二代晶体管晶体管IBM公司生产的公司生产的IBM-7904CDC公司生产的公司生产的CDC1604第三代第三代集成电路集成电路DEC公司研制成功的公司研制成功的PDP-8，PDP-11，VAX-11第四代第四代大规模集大规模集成电路成电路Cray公司公司1976年推出的年推出的Cray-1各时期
21、计算机的比较（2）时期时期体积体积 重量重量 成本成本 耗电耗电 可靠性可靠性运算速度运算速度第一代第一代 大大重重高高高高低低5000次次/秒秒第二代第二代几万次几万次-几几十万次十万次/秒秒第三代第三代几百万几百万-几几千万次千万次/秒秒第四代第四代 小小轻轻低低低低高高几亿次几亿次/秒秒微型电子计算机的发展l第一代（第一代（1971-1972）4位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 4004 2300个晶体管个晶体管l第二代（第二代（1972-1977）8位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 8008 3300个晶体管个晶体管I
22、ntel 8080 4900个晶体管个晶体管M6800 6800个晶体管个晶体管Z80 10000个晶体管个晶体管l第三代（第三代（1978-1983）16位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 8086 29000个晶体管个晶体管M68000 68000个晶体管个晶体管Z8000 37500个晶体管个晶体管l第四代（第四代（1984-）32位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机代表机型：代表机型：Intel 80286Intel 80386MC68020我国电子计算机的发展l1973年，中国第一台百万次集成电路电年，中国第一台百万次集成电路电子计
23、算机研制成功子计算机研制成功l1983年，银河年，银河I号巨型计算机研制成功，号巨型计算机研制成功，运算次数达到每秒运算次数达到每秒1亿次亿次l1987年，第一台国产年，第一台国产286微机微机-长城长城286正式推出正式推出l1988年，第一台国产年，第一台国产386微机微机-长城长城386正式推出正式推出我国电子计算机的发展l1993年，中国第一台年，中国第一台10亿次巨型银河计算机亿次巨型银河计算机II型通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正式型通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正式运行运行l1995年，曙光年，曙光1000型大型机通过鉴定，其峰型大型机通过鉴定，其峰值可以达到每秒值可以达
24、到每秒25亿次亿次l1997年，银河年，银河III并行巨型机研制成功并行巨型机研制成功l1999年，银河四代巨型机研制成功年，银河四代巨型机研制成功l2000年，自行研制成功年，自行研制成功“神威神威I”高性能计算机高性能计算机计算机进入了新的时代20世纪60年代,伴随着晶体管技术的成熟,计算机进入了新的时代,竞争越来越激烈,但竞争的已不再是技术本身.计算机全方位的竞争l企企业业经经营营者者的的理理念念l技技术术本本身身l公公司司的的管管理理水水平平l企企业业的的经经营营思思路路l企企业业的的团团队队精精神神代表计算机发展的公司lIBM( Internal Business Machine)
25、lIntel (Integrate Electronics) lMicrosoft CO,.IBM公司发展史（1）l早期的IBM公司以生产打孔机、制图机、现金出纳机为主，20世纪20年代，该公司大概拥有1000人，公司的创始人是老Thomas.WatsonIBM公司发展史（2）lENIAC诞生不久, 老Thomas.Watson以商人的敏锐,感觉到计算机将在商业领域存在巨大的商机。如何将又大、又笨、又耗电的ENIAC应用到商业领域？这不仅是Thomas.Watson所面临的问题，也是我们随时会遇到的技术难题。IBM公司发展史（3）l老老Thomas.Watson的想法是的想法是:第一第一: 减
26、少功能减少功能;第二第二: 减小体积减小体积;第三第三: 只完成乘法功能只完成乘法功能;第四第四: 尽快推出一款乘法器尽快推出一款乘法器;第五第五: 用于商场收款系统用于商场收款系统;l1946年年9月月,IBM的第一台乘法器的第一台乘法器IBM604问世问世,并于当年卖出几千台并于当年卖出几千台!?当头棒喝!如何将复杂的、如何将复杂的、大型的技术迅速大型的技术迅速地推向市场，获地推向市场，获得市场认可得市场认可?老Thomas.Watson为我们树立了一个榜样IBM公司发展史（4)l1950年IBM推出的IBM701电子管计算机。l50年代70年代初期，IBM公司以大中型计算机为其主要产品，
27、一直到个人计算机的出现。l到1971年老Thomas Watson退休时, IBM公司的年营业额达75亿美元IBM701IBM公司发展史（5)l1971年老Thomas.Watson退休,他的儿子小Thomas.Watson接任l此时的IBM沉浸在其成功的成就中,在世界上,没有人能够挑战IBM的地位,当然是在中大型计算机领域.Intel公司的发展史(1)l1957年从肖克利半导体公司分离出一个年从肖克利半导体公司分离出一个新的公司新的公司“仙童仙童”公司。公司。l“仙童仙童”公司招募了八个年轻有为的半公司招募了八个年轻有为的半导体技术人员，号称导体技术人员，号称“八人帮八人帮”。但由。但由于管
28、理的不善及领导者的独裁，很快其于管理的不善及领导者的独裁，很快其中的三个精英：中的三个精英：Moore、巴瑞特、巴瑞特、Andrew.Grove共同离开了仙童公司，成共同离开了仙童公司，成立了立了Intel公司。公司。Intel来自（来自（Integrated Electronics 集成电子）集成电子） IntelIntel的三位创业者，也是计算机界的三位领袖的三位创业者，也是计算机界的三位领袖MooresLawinEconomic（1）lIntel公司的第一任总裁公司的第一任总裁Moore在研究了在研究了1957年年1964年的计算机的发展情况，与年的计算机的发展情况，与1965年提出年提
29、出了当时非常有预见、至今仍然有效的了当时非常有预见、至今仍然有效的Moores Law。定律的内容如下：。定律的内容如下： 集成电路可容纳的零件数量，每集成电路可容纳的零件数量，每隔一年半左右就会增长一倍，性隔一年半左右就会增长一倍，性能也提高一倍。能也提高一倍。MooresLawinEconomic（2）GrowthoftransistorcountsforIntelprocessors(dots)andMooresLaw(upperline=18months;lowerline=24months)Intel公司发展史（2）lIntel公司初期以生产磁蕊存储芯片为主，公司初期以生产磁蕊存储芯
30、片为主，并很快取得了较大的经济效益。并很快取得了较大的经济效益。l1969年初，年初，Intel公司接受了日本计算器公司接受了日本计算器公司公司Busicom的一份委托书，要求为其的一份委托书，要求为其设计生产计算器芯片，并于设计生产计算器芯片，并于1971年设计年设计生产出生产出Intel公司的第一个微处理公司的第一个微处理（Micro_processing chip）芯片芯片4004。l1972年，年，Intel公司推出了公司推出了8008。Intel公司发展史（3）l1976年，年， Intel公司推出了公司推出了8080。成为了。成为了CPU（Central Processing Un
31、it）产业标产业标准。准。个人计算机(PersonalComputer)的出现l1975年以前的计算机仍然是庞大的、昂年以前的计算机仍然是庞大的、昂贵的，普通人无法拥有，甚至使用也需贵的，普通人无法拥有，甚至使用也需要非常专业的知识。要非常专业的知识。l1975年一家名为年一家名为MITS的小公司经营出现的小公司经营出现了危机，其领导者埃德了危机，其领导者埃德.罗伯茨在危急时罗伯茨在危急时刻提出了一个全新的想法刻提出了一个全新的想法:设计一台价格设计一台价格低廉、操作简单的机器，但这种机器可低廉、操作简单的机器，但这种机器可以干什么用，没人知道。以干什么用，没人知道。入选理由爱德华罗伯茨于19
32、74年推出最早基于英特尔微处理器的个人电脑Altair8800，虽然，Altair的生命非常短暂，却从此点燃了PC创新之火，并激发了乔布斯、盖茨等无数爱好者。作为第一个雇佣比尔盖茨和保罗艾伦的雇主，对于微软的地步起到了至关重要的作用。罗伯茨无愧于“PC之父”的称号。姓名（中文）爱德华罗伯茨（爱德罗伯茨）姓名（英文）EdwardRoberts（EdRoberts）机构与职务MITS创始人，现为佐治亚州科克伦小镇医生出生年月1942年出生国家、地点美国乔治亚州教育背景1988年，获得Mercer大学医学博士学位1968年毕业于俄克拉荷马州立大学电气工程专业职业背景1977年，以800万美元出售MI
33、TS公司1974年，推出第一台个人电脑Altair1968年，共同成立MITS公司，生产可编程计算器个人计算机(PersonalComputer)的出现l很快埃德很快埃德.罗伯茨说服了银行为他提供贷罗伯茨说服了银行为他提供贷款款,开始设计这样一台开始设计这样一台“计算机计算机”,但计算但计算机应是什么形状、有那些功能、市场前景机应是什么形状、有那些功能、市场前景如何，埃德如何，埃德.罗伯茨并不知道，他只有一罗伯茨并不知道，他只有一个想法！个想法！他的想法很快得到了他的想法很快得到了大众电子学的主编大众电子学的主编的认可，并承诺只要的认可，并承诺只要埃德埃德.罗伯茨设计出来罗伯茨设计出来,不论是
34、什么不论是什么,都会刊登在都会刊登在大众电子学的封面大众电子学的封面。个人计算机(PersonalComputer)的出现l1975年年MITS公司设计生产出了他的设想，公司设计生产出了他的设想，并为他起名为并为他起名为Altair（牛郎星），并刊登在（牛郎星），并刊登在大众电子学的首页上。大众电子学的首页上。l成千的订单寄到了成千的订单寄到了MITS，MITS成为了当时成为了当时的热点。的热点。杂志上的广告价为439美元，但4月份第一台机器出厂时，已降到不可思议的375美元。Altair8800l在金属制成的小盒内，罗伯茨装进两块集成电路，在金属制成的小盒内，罗伯茨装进两块集成电路，一块即一
35、块即80808080微处理芯片，另一块是存储器芯片。微处理芯片，另一块是存储器芯片。l它只有它只有256B RAM256B RAM的内存，储存能力可达的内存，储存能力可达4096B4096B。l既没有可输入数据的键盘，也没有显示计算结果既没有可输入数据的键盘，也没有显示计算结果的的“面板面板”。甚至没有软件，用户只能用复杂的。甚至没有软件，用户只能用复杂的Z80Z80语言自己编制程序。语言自己编制程序。l插上电源后，使用者需要用手按下面板上的插上电源后，使用者需要用手按下面板上的8 8个开个开关，拨动一次相当于输入一个字节，把二进制数关，拨动一次相当于输入一个字节，把二进制数“0 0”或或“1
36、 1”输进机器，计算完成后，面板上的输进机器，计算完成后，面板上的几排小灯泡忽明忽灭，就像军舰用灯光发信号那几排小灯泡忽明忽灭，就像军舰用灯光发信号那样表示输出的结果。样表示输出的结果。Altair8800lPC总线是微处理器与外围设备之间传送信息的总线是微处理器与外围设备之间传送信息的一组信号线，也是微处理器与外部硬件接口的核一组信号线，也是微处理器与外部硬件接口的核心。心。l正如世界上许多重大发明总是要强调其偶然性一正如世界上许多重大发明总是要强调其偶然性一样，样，PC总线的出现也有其偶然性：总线的出现也有其偶然性：Altair这个全这个全球第一台球第一台PC不幸在运输过程中丢失，正是罗伯
37、不幸在运输过程中丢失，正是罗伯茨利用了面向总线的技术，较快地回忆并重新制茨利用了面向总线的技术，较快地回忆并重新制做出做出Altair。l在其结构中，制成了全球第一条在其结构中，制成了全球第一条PC扩展总线，扩展总线，当当Altair总线推向世界并被制造商接受后，便有总线推向世界并被制造商接受后，便有了一个名字：了一个名字：S100，后来基于，后来基于S100型总线得到了型总线得到了IEEE的认可，被命名为的认可，被命名为IEEE 696总线标准。总线标准。个人计算机(PersonalComputer)的出现MITS设计生产出了第一代个人计算机，但设计生产出了第一代个人计算机，但当时的计算机没
38、有输入设备、没有输出设当时的计算机没有输入设备、没有输出设备、没有软件、没有实际用处，但是很多备、没有软件、没有实际用处，但是很多有识之士认识到这是一个飞跃，这其中包有识之士认识到这是一个飞跃，这其中包括括Bill Gates、Paul Allen。两位。两位Microsoft公司的创始人，很快投入到公司的创始人，很快投入到MITS公司，成公司，成为该公司的软件开发人员。为该公司的软件开发人员。MITS的消失lMITS公司1975年生产出第一台“PC”机后，不到一年的时间MITS的年销售额已经达到了1300万美元。在计算机界成为领头羊。l但是拥有计算机界最出色的技术人员的MITS(包括比尔.盖
39、茨、保罗.艾伦)，在1997年生存了两年半的MITS公司却永远地销声匿迹了。为什么？MITS的消失的原因主要问题出在领导者罗伯茨身上：主要问题出在领导者罗伯茨身上：l主观性强，不肯听从别人的意见。无论是软件、硬件罗伯茨只要认为自己是对的，决不允许别人说不同意见。l不肯交流。所有计算机的发展前景的问题只能自己一人参与，不肯与其他人分享自己的想法。l不信任他人。所有公司内部的重要事件一人承担。APPLE公司的兴起1976年可以作为一个分水岭。这一年，没有读完大学的天才史蒂夫乔布斯（SteveJobs）在车库里整出了世界上第一台可以商业化的个人电脑Apple-I.APPLE公司的兴起1977年史蒂夫
40、年史蒂夫.乔布乔布斯斯(Steve Jobs)和他和他的伙伴史蒂夫的伙伴史蒂夫.加里加里.沃兹尼亚克共同创立沃兹尼亚克共同创立了了APPLE公司公司,生产生产出风行一时的出风行一时的APPLE II 电脑。APPLE的主要特点软盘驱动器的出现软盘驱动器的出现为为APPLE II提供了提供了一种好的输入方式。一种好的输入方式。APPLE 公司很快公司很快以以APPLE II电脑发电脑发展起来。展起来。IBM公司的觉醒lAPPLE公司公司pc机的销售引起了机的销售引起了IBM公司公司的注意的注意.l1981年年IBM公司成立了一个公司成立了一个Personal Computer小组小组lCPU选择
41、了选择了Inter 公司的公司的 8086l操作系统选择了操作系统选择了Microsoft公司的公司的DOSIBM公司的觉醒IBM在1981年生产的第一台计算机IBMPC_XTMicrosoft公司的介入l当当IBM找到找到Microsoft公司时，公司时，Microsoft是一个小是一个小公司，操作系统软件公司，操作系统软件尚无一条指令。尚无一条指令。lBill Gates精明的感精明的感到了机会的出现。到了机会的出现。l决定介入决定介入IBM的操作的操作系统系统BillGates的精明l当时市场上流行的当时市场上流行的OS为为CP/I系统，价格为系统，价格为200美元美元/套。套。lBil
42、l Gates为为IBM提供提供的优惠条件为：的优惠条件为：IBM每每台计算机免费使用其台计算机免费使用其OSl其操作系统市场价为其操作系统市场价为$50/套套.当时的两位世界首富小鬼当家：小鬼当家：美国Microsoft 公司的前总裁Bill.Gates与APPLE公司的创始人乔布斯IBM的重要决定l在计算机行业出现诸侯割据,各自争抢市场的时候（当时美国、欧洲、日本的计算机行业都已经发展的很快），都想成为计算机行业的大哥大。此时IBM做出了一个重大的决定：l公布所有的IBM PC的软、硬件资源信息。lIBM从此成为了行业标准，领导计算机界。其他公司的出现lCompaqlDEC（Digital
43、 Equipment Company）lHPlDELLDELL公司的经营战略l直销。打破传统的经销商的做法！直销。打破传统的经销商的做法！l电话、网络订货电话、网络订货l订单收到后，组织货源，进行生产订单收到后，组织货源，进行生产l优势是可以做到零库存优势是可以做到零库存l价格比较传统的公司便宜价格比较传统的公司便宜计算机发展史及发展方向DELLDELL公司公司创始人创始人DELLDELL计算机的形态计算机在今天已经是千差万别，显现或隐藏在我们周围的很多角落，不注意你根本不能发觉，其实你一时一刻都离不开计算机.计算机发展史及发展方向l计算机发展方向计算机发展方向巨型化巨型化: 用于军事用于军事
44、科学计算科学计算微型化微型化: HPC多媒体多媒体: 声声,图图,文文,动画动画,音频音频,视频视频智能化智能化: 模拟人的功能模拟人的功能,识别声音识别声音,文字文字,图像图像,各种语言互各种语言互译译,使计算机具有推力联想等功能使计算机具有推力联想等功能.网络化网络化: 使世界成为一体使世界成为一体,无种族无种族,无货币无货币,无国界无国界.计算机发展史及发展方向当今的个人计算机计算机发展史及发展方向的的大大小小与与人人的的指指甲甲一一样样大大小小CPU计算机发展史及发展方向多种多样的计算机产品多种多样的计算机产品多种多样的计算机产品多种多样的计算机产品互连网络（Internet）l又叫又
45、叫 ARPA网，是美国国防部高级研究计划管理局为网，是美国国防部高级研究计划管理局为准军事目的而建立的，开始时只连接了准军事目的而建立的，开始时只连接了4台主机，这便台主机，这便是只有四个网点的是只有四个网点的“网络之父网络之父”； l 到了到了1972年公开展示时，由于学术研究机构及政府机年公开展示时，由于学术研究机构及政府机构的加入，这个系统已经连接了构的加入，这个系统已经连接了50所大学和研究机构所大学和研究机构的主机；的主机； l 1982年年ARPA网又实现了与其他多个网络的互联，从网又实现了与其他多个网络的互联，从而形成了以而形成了以 ARPANET 为主干网的互联网。为主干网的互
46、联网。 互连网络（Internet）l19831983年，美国国家科学基金会年，美国国家科学基金会NSFNSF提供巨资，建造了全提供巨资，建造了全美五大超级计算中心。为使全国的科学家、工程师能美五大超级计算中心。为使全国的科学家、工程师能共享超级计算机的设施，又建立了基于共享超级计算机的设施，又建立了基于IPIP协议的计算协议的计算机通信网络机通信网络NFSNETNFSNET。最初的。最初的NFSNFS使用传输速率为使用传输速率为56Kbps56Kbps的电话线通信，但根本不能满足需要。于是的电话线通信，但根本不能满足需要。于是NFSNFS便在全便在全国按地区划分的计算机广域网，并将他们与超级
47、计算国按地区划分的计算机广域网，并将他们与超级计算中心相连，最后又将各超级计算中心互连起来，通过中心相连，最后又将各超级计算中心互连起来，通过连接各区域网的高速数据专线，而连接成为连接各区域网的高速数据专线，而连接成为NSFNETNSFNET的的主干网。主干网。 l19861986年，年，NFSNETNFSNET建成后取代了建成后取代了ARPAARPA网而成为互联网的网而成为互联网的主干网。早期以主干网。早期以ARPANETARPANET为主干网的互联网只对少数的为主干网的互联网只对少数的专家以及政府要员开放，而以专家以及政府要员开放，而以NFSNETNFSNET为主干网的互联为主干网的互联网
48、则向社会开放。网则向社会开放。 互联网之父：蒂姆.伯纳斯.李1989年，一个名叫蒂姆.伯纳斯.李（TimBerners-Lee）提出了一个称之为“WorldWideWeb”的全球超文本项目计划，以便人们能够将各自的信息通过超文本网络共享。他以自己的“询问”软件为基础，从1990年10月开始工作，仅用了两个月时间，就完成了第一个超文本浏览程序的编写。1992年夏天，这个软件在互联网上公开使用。以后的两年里，蒂姆不断根据互联网用户的反馈修改程序设计，提出了URLs的规范，重新定义了HTTP和HTML，并使互联网技术得到了更大范围的推广TimBerners-LeeTimBerners-Lee爵士（1
49、955年6月8日出生于英国伦敦）是万维网的发明者，不列颠帝国勋章佩戴者，英国皇家学会会员。Netscape的成功l伯纳斯伯纳斯.李虽然发明了李虽然发明了WWW技术，但并技术，但并没有发财，而由网景公司前任首席执行没有发财，而由网景公司前任首席执行官巴克斯代尔（官巴克斯代尔（Jim Barksdale）发明了）发明了图文浏览器图文浏览器Navigator，很快风靡世界，很快风靡世界计算机系统计算机系统l何谓计算机?(Computer): 计算机是指由电计算机是指由电子器件组合构造而成的子器件组合构造而成的,以数字方式对数以数字方式对数据进行计算处理的机器据进行计算处理的机器.是一种能够按照是一种
50、能够按照人们预先设计的程序自动进行高速计算人们预先设计的程序自动进行高速计算和信息处理的工具和信息处理的工具.是人脑的一种延伸是人脑的一种延伸.l计算机系统由两部分组成计算机系统由两部分组成 : 硬件 , 软件计算机系统结构个人计算机系统结构大致分为以下三种个人计算机系统结构大致分为以下三种：lENIAC结构结构lVONNEUMANN（冯。诺伊曼）结构（冯。诺伊曼）结构lHARVARD结构结构这里主要介绍一下这里主要介绍一下 冯冯诺伊曼结构：诺伊曼结构：必须有一个存储器。程序和数据都以二进制代码形必须有一个存储器。程序和数据都以二进制代码形式存于存储器中。从形式上看，指令与数据没有区式存于存储
51、器中。从形式上看，指令与数据没有区别。别。必须有一个控制器。在它的控制下，指令依次从存必须有一个控制器。在它的控制下，指令依次从存储器中取出，然后对指令进行解释和执行。每条指储器中取出，然后对指令进行解释和执行。每条指令均由操作数、操作数地址和运算结果地址组成。令均由操作数、操作数地址和运算结果地址组成。必须有一个运算器。用于完成算术、逻辑运算。必须有一个运算器。用于完成算术、逻辑运算。必须有输入、输出设备。用来完成人必须有输入、输出设备。用来完成人-机通信。机通信。计算机系统结构取址解释执行一个指令执行周期取址解释执行一个指令执行周期取址解释执行一个指令执行周期到目前为止，大多数计算机都依此
52、结构来设计制造。Von.Neumamm结构确定了计算机的五个组成部分。并提出了“存储程序”这一概念，形成了传统的计算机系统结构冯诺伊曼结构模型控制器运算器存储器输入设备输出设备CPU个人计算机（个人计算机（pc)组成组成主机显示器键盘鼠标打印机标准输入设备标准输出设备stdinstdout计算机主机组成计算机主机组成CpuCpu软盘驱动器光盘驱动器硬盘内存地址总线数据总线计算机分内存、外存两部分，内存为内部存储单元（图中的内存）外存包括：硬盘、软盘、光盘等一个城市的结构城市中心街道楼宇2楼宇1小区A小区B城市公路信息载体四、计算机硬件的基本组成四、计算机硬件的基本组成 主机主机l运算器运算器A
53、LU：Arithmetic Logic Unit，完成算术和逻辑运算；，完成算术和逻辑运算；l控制器控制器CU：Control Unit，是电子计算机的指是电子计算机的指挥机构挥机构；l主存储器主存储器：存放大量的存放大量的二进制代码，这些代码二进制代码，这些代码可以是指令和数据。可以是指令和数据。外部设备外部设备l输入设备输入设备：包括键：包括键盘、鼠标等盘、鼠标等；l输出设备输出设备：包括显：包括显示器、打印机等示器、打印机等；l辅助存储器辅助存储器：也称：也称为外部存储器为外部存储器。计算机的四级存储结构计算机的四级存储结构五、计算机系统的层次结构五、计算机系统的层次结构六、六、计算机的
54、性能分类计算机的性能分类 l按实现方式分：模模拟拟计计算算机机，数数字字计计算算机；机；l按性能分：微型计算机，小型计算机，微型计算机，小型计算机，中型计算机，大型计算机；中型计算机，大型计算机； l按用途分：个个人人计计算算机机，工工业业控控制制计计算算机机，军军用用计计算算机机，嵌嵌入入式式计计算算机；机；l按设计目的分：专专用用计计算算机机，通通用用计算机；计算机；l按网络用途分：客户端计算机，服：客户端计算机，服务器。务器。 内存巡址原理20002001200220032004地址内容房间号房间号学生学生 CPU a取地址为2000单元的内容a七、七、计算机的性能评价计算机的性能评价l
55、常用名词常用名词位：位： BIT，1位；位；字节：字节： BYTE，8位；位；字：字： WORD，16位；位；双字：双字： DWORD，32位；位；l常用名词常用名词K：210；M：220；G： 230；T ： 240；性能评价指标基本字长基本字长：计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的个计算机的“字字”，而这组二进制数的位数就是，而这组二进制数的位数就是“字长字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。早期的微型计算机的字长一般是早期的微型计算机的字长一般是8位和位
56、和16位。目前位。目前586（Pentium， Pentium Pro， Pentium，Pentium，Pentium 4）大多是）大多是32位，现在的大多数人都装位，现在的大多数人都装64位的了。位的了。主存容量主存容量： 存取周期存取周期：内部存储周期：几十到几百：内部存储周期：几十到几百ns，外部存储周期：，外部存储周期：零点几到几十个微秒。零点几到几十个微秒。 运算速度运算速度：一般用每秒钟能够执行几百万条指令来衡量，一般用每秒钟能够执行几百万条指令来衡量，称为称为MIPS (Million Instructions Per Second)；主频主频：即即CPUCPU内核工作的时钟频
57、率（内核工作的时钟频率（CPU Clock SpeedCPU Clock Speed）。通）。通常所说的某某常所说的某某CPUCPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU“CPU的主的主频频”。很多人认为。很多人认为CPUCPU的主频就是其运行速度，其实不然。的主频就是其运行速度，其实不然。CPUCPU的的主频表示在主频表示在CPUCPU内数字脉冲信号震荡的速度，与内数字脉冲信号震荡的速度，与CPUCPU实际的运算能实际的运算能力并没有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一力并没有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现
58、主频较高的定情况下，很可能会出现主频较高的CPUCPU实际运算速度较低的现实际运算速度较低的现象。象。 外部存储器容量外部存储器容量：外存储器容量通常是指硬盘容量（包外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。目前，硬盘容量一般为越多，可安装的应用软件就越丰富。目前，硬盘容量一般为10 G10 G至至60 G60 G，有的甚至已达到，有的甚至已达到120 G120 G。 七、七、计算机的性能评价计算机的性能评价关于存储的几个概念关于存储的几个概念位位( bit )
59、( bit ) : 计算机内部所有计算完全由二进制表示.二进制与十进制相对应 :十进制: (567)10 = 5 x 102 + 6 x 101 + 7 x 100十进制由 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 十个数字组成.二进制: (101)2 = 1 x 22 + 0 x21 + 1 x 20二进制由 0 , 1 两个数字组成.十进制中,7 - 个位, 6 - 十位, 5 - 百位二进制中, 1,0,1-各代表一位,由右往左数,分别为 0位, 1位, 2位 表示为 b0, b1, b2字节字节 (byte) : 计算机一般采用8位二进制位组成一个字节.(1011,0101)2=1x27
60、+0x26+1x25+1x24+0x23+1x22+0x21+1x20=128+0+32+16+0+4+0+1=(181)10每个存储单元存放一个字节每个存储单元存放一个字节字字(word):两个字节组成一个字两个字节组成一个字关于存储的几个概念关于存储的几个概念l每个字节包含每个字节包含8bits二进制位，即从二进制位，即从0x000xff。对应于十进制的。对应于十进制的0255。l一个字（一个字（word）由两个字节组成，即）由两个字节组成，即 ： 0x00000xffff。对应于十进制。对应于十进制的的065，536，-64K。l有符号数在计算机中以补码形式存储。每个字节的最高位为符号位
61、，例有符号数在计算机中以补码形式存储。每个字节的最高位为符号位，例如：如： 7 6 5 4 3 2 1 0（1 0 1 1，0 1 1 1）2反码：反码：0 的反码为的反码为 1；1 的反码为的反码为 0。例如：（。例如：（1101，1010）2的反的反码为（码为（0010，0101）2补码：正数的补码是它本身；负数的补码为该数的反码加一。例如：补码：正数的补码是它本身；负数的补码为该数的反码加一。例如：（1101，1010）2 首先它是负数，因为首先它是负数，因为 bit7=1 。它的真值为。它的真值为 （0010，0101）2+1 =（0010，0110）2 = （38）10，所以该数代表
62、的数据，所以该数代表的数据为（为（-38）10符号位：=1代表负数；=0代表正数关于存储的几个概念关于存储的几个概念一个有符号数的字节代表的数字范围为：一个有符号数的字节代表的数字范围为： 0x000x7f 为正数。对应的十进制数为为正数。对应的十进制数为 0127； 0xff 0x80 为负数。对应与十进制的为负数。对应与十进制的 -1 -128。 0x00 ， 0x01， ，0x7f，0x80，0x81，0xff 有符号十六进有符号十六进制数制数 0 ， 1 ， ，127，-128， -127， -1 对应的十进制对应的十进制数数计算机软件计算机软件硬件操作系统应用软件硬件与软件的关系计算
63、机软件计算机软件硬件操作系统应用软件硬件与软件的关系头颅人的头颅与思想的关系文化、思想软件分类l软件由两种组成软件由两种组成:操作操作系统软件 , 应用软件l操作系统软件操作系统软件(operation system):(operation system):实时操作系统实时操作系统分时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统多道批处理操作系统网络操作系统网络操作系统l目前流行的操作系统目前流行的操作系统DOSWindows98 , Windows95 , Windows NT ,Windows 2000UNIXLinuxOS/2计算机解题过程计算机解题过程物理对象数学模型近似模型编制程序计算机计
64、算输出结果系统分析员完成的工作程序员完成的工作计算机完成的工作课程安排(续)l专题讲座专题讲座4中文信息处理中文信息处理(Chinese Information Procession)4智能机器人足球赛智能机器人足球赛(Intelligent Robot)4穿戴式计算机穿戴式计算机(wearable Computer)4嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统(Embeded System)4计算机操作系统计算机操作系统(Operation System)4数据库系统数据库系统(DataBase System)及设计及设计课程安排(续)4网络网络( Network )4智能大厦智能大厦(Intelligent Building)4多媒体技术多媒体技术(Multi-media Technology)参考书目l计算机组成原理，唐朔飞编著，高等教育计算机组成原理，唐朔飞编著，高等教育出版社出版出版社出版lIBM PC 汇编语言程序设计（第二版），汇编语言程序设计（第二版），沈美明、温冬婵编著，清华大学出版社出沈美明、温冬婵编著，清华大学出版社出版版
