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1、计算机组成原理第二章第1页，本讲稿共37页2 21 计算机的发展史计算机的发展史代代时间时间硬件技术硬件技术速度（次速度（次/秒）秒）一一19391957电子管电子管40000二二19581964晶体管晶体管200000三三19651971中、小规模集成电路中、小规模集成电路1000000四四19721977大规模集成电路大规模集成电路100000001978Now超大规模集成电路超大规模集成电路100000000以上以上第2页，本讲稿共37页世界上第一台电子计算机是由美国爱荷华州立大学的约翰文森特阿塔纳索夫（JohnVincentAtanasoff）教授和他的研究生克利福特贝瑞（Cliffo
2、rdBerry）在1937年至1941年间开发的“阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-BerryComputer，简称ABC）”AtanasoffBerry2.1.1计算机的诞生计算机的诞生第3页，本讲稿共37页19431946年年 ENIAC ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）Projectleaders:JohnMauchly&J.PresperEckertUniversityofPennsylvaniaSize:80feetlong8.5feethigh17，468vacuumtubes5000additions/sec
3、.第4页，本讲稿共37页2.1.2第一代计算机（19391957）第一代计算机为第一代计算机为电子管电子管计算机，其逻辑元件采用电子管，存储器件为声延迟线或磁鼓，计算机，其逻辑元件采用电子管，存储器件为声延迟线或磁鼓，典型逻辑结构为定点运算。典型逻辑结构为定点运算。计算机硬件的发展受电子开关器件的影响极大，为此，人们习惯以元器件的更新计算机硬件的发展受电子开关器件的影响极大，为此，人们习惯以元器件的更新来作为计算机技术进步划代的主要标志。来作为计算机技术进步划代的主要标志。ENIAC没有采用二进制操作和存储程序控制，未具备现代电子计算机的没有采用二进制操作和存储程序控制，未具备现代电子计算机的
4、主要特征。主要特征。1945年年3月，冯月，冯诺依曼领导的小组发表了二进制的程序存储方式的电子数字计诺依曼领导的小组发表了二进制的程序存储方式的电子数字计算机方案算机方案EDVAC，宣告了现代计算机结构思想的诞生，后来以此概念为，宣告了现代计算机结构思想的诞生，后来以此概念为基础的各类计算机统称为基础的各类计算机统称为冯冯诺依曼机诺依曼机。1949年制成的年制成的EDSAC成为世界上第一台存储程序式的现代计算机。成为世界上第一台存储程序式的现代计算机。第5页，本讲稿共37页l所谓的真空管（电子管）就是控制电子流量的阀所谓的真空管（电子管）就是控制电子流量的阀门。它的外观有点像灯泡门。它的外观有
5、点像灯泡(通常由玻璃制成通常由玻璃制成)，其中，其中已经被抽至几近真空。已经被抽至几近真空。第6页，本讲稿共37页Wilkes with the EDSACTechnology:vacuum tubesMemory:1K words,17 bits,mercury delay lineSpeed:714 operations per second第7页，本讲稿共37页2.1.3第二代计算机（19581964）第二代计算机为第二代计算机为晶体管（晶体管（Transistor）计算机。计算机。1947年，美国贝尔实验室发明的半导体三极管为计算机的年，美国贝尔实验室发明的半导体三极管为计算机的发展创
6、造了新的物质基础，该实验室于发展创造了新的物质基础，该实验室于1954年制成了晶体年制成了晶体管计算机管计算机TRADIC。计算机典型逻辑结构实现了浮点运算，并提出了变址、中断、计算机典型逻辑结构实现了浮点运算，并提出了变址、中断、I/O处理等新概念。这时计算机软件也得到了发展，出现了多种高级处理等新概念。这时计算机软件也得到了发展，出现了多种高级语言及其编译程序。语言及其编译程序。和第一代电子管计算机相比，第二代晶体管机体积小，速度快，和第一代电子管计算机相比，第二代晶体管机体积小，速度快，功耗低，可靠性高。功耗低，可靠性高。第8页，本讲稿共37页进进入入50年年代代后后，全全球球出出现现了
7、了一一场场以以晶晶体体管管替替代代电电子管的革命，计算机性能有了很大提高。子管的革命，计算机性能有了很大提高。如如IBM晶晶体体管管机机7094（1964年年）与与电电子子管管机机701（1952年年）相相比比，其其主主存存容容量量从从2KB增增加加到到32KB；存存储储周周期期从从30微微秒秒下下降降到到1.4微微秒秒；指指令令操操作作码码数数从从24增增加加到到185；运运算算速速度度从从每每秒秒上上万万次次提提高高到到每每秒秒50万次。万次。第9页，本讲稿共37页l1947年年12月月23日，日，37岁的美国物理学家肖克莱和他的合作岁的美国物理学家肖克莱和他的合作者在著名的贝尔实验室向人
8、们展示了第一个半导体电子者在著名的贝尔实验室向人们展示了第一个半导体电子增幅器，即最初的晶体管。晶体管的发明成为人类微电增幅器，即最初的晶体管。晶体管的发明成为人类微电子革命的先声。子革命的先声。今天的晶体管今天的晶体管第10页，本讲稿共37页2.1.4第三代计算机（19651971）典型特征：采用典型特征：采用小规模集成电路（小规模集成电路（SSI）和中等规模集成电路）和中等规模集成电路（MSI），逻辑元件与存储器均由集成电路实现，逻辑元件与存储器均由集成电路实现。摩尔定律摩尔定律：“由于硅技术的不断改进，每由于硅技术的不断改进，每18个月，集成度将个月，集成度将翻一翻，速度将提高一倍，而其
9、价格将降低一半翻一翻，速度将提高一倍，而其价格将降低一半”。戈登。戈登摩摩尔（尔（GoldenMoore）-Intel公司的创始人之一公司的创始人之一（1965年提出）年提出）典型代表：典型代表：IBM公司于公司于1964年年4月宣布的月宣布的IBM360系统，这是计系统，这是计算机发展史上具有重要意义的事件。算机发展史上具有重要意义的事件。该系统采用了计算机科学技术中一系列新事物，包括微程序控制、该系统采用了计算机科学技术中一系列新事物，包括微程序控制、高速缓存、虚拟存储器、流水线技术等。高速缓存、虚拟存储器、流水线技术等。第11页，本讲稿共37页IBM System/360 小规模集成电路
10、小规模集成电路（IC）IC（Integratedcircuit）第12页，本讲稿共37页2.1.5第四代计算机（1972）第四代计算机采用第四代计算机采用大规模（大规模（LSI）和超大规模）和超大规模（VLSI）集成电路）集成电路作为主要器件。作为主要器件。并行处理技术并行处理技术的研究与应用以及众多的研究与应用以及众多巨型机巨型机的产的产生也成为这一时期计算机发展的特点。生也成为这一时期计算机发展的特点。四代机时期的一个重要特点是计算机四代机时期的一个重要特点是计算机网络网络的发展的发展与广泛应用。与广泛应用。第13页，本讲稿共37页大规模（大规模（LSI）和超大规模（）和超大规模（VLSI
11、）集成电路）集成电路CPGACeramic Pin Grid ArrayLQFP 100LLQFP64第14页，本讲稿共37页晶圆（wafer）第15页，本讲稿共37页裸片（die）PAD第16页，本讲稿共37页2.1.6微型机的发展l1971年年，Intel公公司司31岁岁的的工工程程师师霍霍夫夫研研制制成成世世界界上上第第一一个个4位位的的微微处处理理器器芯芯片片4004，集集成成了了2300个个晶晶体体管；管；l1970年年，Fairchild制制作作了了第第一一个个存存储储芯芯片片，该该芯芯片片可保存可保存256位二进制信息；位二进制信息；l1971年用年用4004微处理器制成了微处理
12、器制成了MCS-4微型计算机微型计算机第17页，本讲稿共37页 1971年英特尔诞生了第一个微处理器年英特尔诞生了第一个微处理器4004。该芯片其实是为。该芯片其实是为Busicom calculator专门设计制造的，但已经可以看到个人电脑的影子在里面了。专门设计制造的，但已经可以看到个人电脑的影子在里面了。据说当时有一位留着长发的美国人在无线电杂志上读到据说当时有一位留着长发的美国人在无线电杂志上读到I4004的消息，立的消息，立即就想能用这个即就想能用这个CPU来开发个人使用的操作系统。结果经过一番仔细折来开发个人使用的操作系统。结果经过一番仔细折腾之后，发现腾之后，发现I4004的功能
13、实在是太弱，而他想实现的系统功能与的功能实在是太弱，而他想实现的系统功能与Basic语言并不能在上面实现只好作罢，这个人就是比尔语言并不能在上面实现只好作罢，这个人就是比尔.盖茨盖茨微微软公司的老板。不过从此之后，他对英特尔的动向非常关注，终于在软公司的老板。不过从此之后，他对英特尔的动向非常关注，终于在1975年年成就了微软公司（成就了微软公司（Microsoft Corporation）。）。4004的样子很像小虫子第18页，本讲稿共37页l4004处理只能处理处理只能处理4位数据，但内部指令是位数据，但内部指令是8位的。位的。4004拥拥有有46条指令，采用条指令，采用16针直插式封装。
14、数据内存和程序内存针直插式封装。数据内存和程序内存分开，分开，1K数据内存，数据内存，4K程序内存。运行时钟频率预计为程序内存。运行时钟频率预计为1M，最终实现达到了，最终实现达到了740kHz，能进行二进制编码的十进制数，能进行二进制编码的十进制数学运算。这款处理器很快得到了整个业界的承认，蓝色巨人学运算。这款处理器很快得到了整个业界的承认，蓝色巨人IBM还将还将4004装备在装备在IBM 1620机器上。机器上。4004的芯片核心版图第19页，本讲稿共37页lIBM于于1981年年8月月12日推出第一台日推出第一台PC l采用采用8088处理器处理器第20页，本讲稿共37页第一大微处理器制
15、造商第一大微处理器制造商Intel典型产品：典型产品：l8080：世界上第一个：世界上第一个8位通用微处理器，集成位通用微处理器，集成5000管，管，1974年问世；年问世；l8088：字长：字长16位（外部位（外部8位），采用位），采用4字节指令队列，集成字节指令队列，集成2.9万管，万管，1979年问世；年问世；l8086：字长：字长16位，采用位，采用6字节指令队列，集成字节指令队列，集成2.9万管，万管，1978年问世；年问世；l80286：字长：字长16位，集成位，集成12万管，万管，1982年问世；年问世；l80386：字长：字长32位，集成位，集成27.5万管，万管，1985年问
16、世；年问世；l80486：集成：集成118万管，万管，1989年问世；年问世；lPentium（80586）：集成）：集成310万管，万管，1993年问世；年问世；lPentium Pro（P6）：集成）：集成550万管，万管，1995年问世；年问世；lPentium II：集成：集成750万管，万管，1997年问世；年问世；lPentium III：集成：集成2400万管，万管，1999年问世；年问世；lPentium IV：集成：集成4200万管，万管，2000年问世；年问世；lItanium：字长字长6464位，集成位，集成3.253.25亿管，亿管，20012001年问世；年问世；lI
17、tanium2：字长字长6464位，集成位，集成4.14.1亿管以上，亿管以上，20022002年问世；年问世；lPentium D：第一个主流双核：第一个主流双核CPUCPU，集成，集成2.32.3亿管，亿管，20052005年问世年问世l第21页，本讲稿共37页2.1.7新一代计算机第五代计算机仍在发展过程中。第五代计算机仍在发展过程中。目前的计算机虽然性能已经得到飞速发展，但基本结构仍然遵目前的计算机虽然性能已经得到飞速发展，但基本结构仍然遵循冯循冯诺依曼结构体系诺依曼结构体系，硬件仍然是由硅组成的半导体器，硬件仍然是由硅组成的半导体器件组成。件组成。多年来，人们在不断努力与探索，以寻找
18、速度更快、功多年来，人们在不断努力与探索，以寻找速度更快、功能更强的全新的元器件，如神经元、生物芯片、分子电能更强的全新的元器件，如神经元、生物芯片、分子电子器件、超导计算机、量子计算机等等。子器件、超导计算机、量子计算机等等。计算机基本结构也试图突破冯计算机基本结构也试图突破冯诺依曼结构体系，使其更具智诺依曼结构体系，使其更具智能化能化。第22页，本讲稿共37页2.1.8我国计算机的发展对现代电子计算机的研究始于对现代电子计算机的研究始于20世纪世纪50年代初年代初。1958年，中国第一台计算机年，中国第一台计算机103型机研制成功研制成功中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制；中国科学院计
19、算所与北京有线电厂共同研制；字长字长31位，位，内存容量为内存容量为1024字节字节，运算速度每秒运算速度每秒450次。次。第一台第一台电子管电子管专用数字计算机专用数字计算机第23页，本讲稿共37页国防科技大学先后于国防科技大学先后于1983年和年和1992年研制成巨型机系年研制成巨型机系统统银河银河和和，运算速度都超过亿次。，运算速度都超过亿次。中科院计算所国家智能计算机研究中心分别于中科院计算所国家智能计算机研究中心分别于1993年年10月和月和1995年年5月研制成功月研制成功“曙光曙光I号号”与与“曙光曙光1000”。其中。其中“曙光曙光1000”峰值速度可达每秒峰值速度可达每秒25
20、亿次亿次单精度浮点运算单精度浮点运算。21世纪初，该中心紧接着又推出了世纪初，该中心紧接着又推出了“曙光曙光3000超级服超级服务器务器”。它由。它由70台节点计算机组成，台节点计算机组成，280个处理器，个处理器，峰值浮点运算速度达每秒峰值浮点运算速度达每秒4032亿次亿次。第24页，本讲稿共37页2002年年8月月29日联想推出日联想推出深腾深腾1800，速度约，速度约1T次/秒。2004年年6月月29日曙光推出曙光日曙光推出曙光4000A，速度约，速度约8TFlops，（2004年排名年排名TOP10），用了），用了2560个处理器。个处理器。目前目前TOP1:IBM的的BlueGene
21、/L，其运算速度达到，其运算速度达到280T次次/秒。秒。这个超级计算机使用了这个超级计算机使用了131072个处理器。个处理器。（超级计算机世界500强排名：www.top500.org）1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB1PB=1024TB,1EB=1024PB,1ZB=1024EB,1YB=1024ZB第25页，本讲稿共37页第26页，本讲稿共37页第27页，本讲稿共37页2007/6TOP1（IBMBlueGene/L）速度：速度：280TFlops280TFlops第28页，本讲稿共37页目前全球最快的超级计算机目前全球最快的超级计算
22、机2008.6TOP1:RoadrunnerVendor:IBMPerformance:1026000GFlops占地60000平方英尺，总重500000磅 第29页，本讲稿共37页l中国的“银河”亿次巨型机l“银河2号”巨型机第30页，本讲稿共37页“曙光一号曙光一号”大型并行计算机大型并行计算机1993年年10月，月，“曙光一号曙光一号”大型并行计算机研制成功。大型并行计算机研制成功。l曙光一号多处理机系统具有全对称紧耦合共享存储体系结曙光一号多处理机系统具有全对称紧耦合共享存储体系结构，包含构，包含4到到16个处理机，个处理机，定点速度可达每秒定点速度可达每秒6.4亿次，亿次，主存容量为
23、主存容量为64兆字节到兆字节到768兆兆 字节，包含字节，包含1到到4个以太网接口、个以太网接口、2到到8个快速通道，可联个快速通道，可联100多台多台 终端设备、数十台磁盘和磁带终端设备、数十台磁盘和磁带 机，并配有多种国际上流行的机，并配有多种国际上流行的 主要计算机语言和数据库系统。主要计算机语言和数据库系统。第31页，本讲稿共37页“神威神威I”计算机计算机1999年年8月，我国独立研制的月，我国独立研制的神威神威巨型计算机问世。巨型计算机问世。“神威神威”计算机有计算机有384个个CPU，内存总容量为，内存总容量为48GB，峰值运行速度，峰值运行速度达到了每秒达到了每秒3840亿次。
24、亿次。第32页，本讲稿共37页2004年年6月月29日国家科技部今日在人民大会堂宣布：日国家科技部今日在人民大会堂宣布：863计划重点项目计划重点项目曙光曙光4000A通过鉴定验收。通过鉴定验收。曙光曙光4000A机房入口机房入口2004/6TOP102005/6TOP312006/6TOP532007/6TOP100榜外第33页，本讲稿共37页曙光曙光4000A的机房中大约有三四十平米的空间里，放着整齐的排列的机房中大约有三四十平米的空间里，放着整齐的排列的几十个大型机柜。曙光的几十个大型机柜。曙光4000A的耗电量巨大，每天要消耗近万元的耗电量巨大，每天要消耗近万元的电费。的电费。图为：一
25、排排的大型机机柜（曙光图为：一排排的大型机机柜（曙光4000A）2560个个AMD2.2GOpteron处理器处理器第34页，本讲稿共37页另一方面，这时期微型计算机工业开始成长。另一方面，这时期微型计算机工业开始成长。l1987年年5月，月，第一台国产第一台国产286微机微机“长城长城286”在北京展览馆正式发布，在北京展览馆正式发布，年产量年产量20000台。台。l1990年年12月，第一台国产月，第一台国产486微机微机GW486/25在北京正式发布，并开在北京正式发布，并开发了国内第一块发了国内第一块ASIC专用芯片。专用芯片。（ASIC:ApplicationSpecificInte
26、gratedCircuit特定用途特定用途IC）l1993年，年，“金长城金长城”电脑问世，这是一款采用先进局部总线技术的国产电脑问世，这是一款采用先进局部总线技术的国产微机。微机。l1994年年5月，第五代月，第五代GW586/60台开始与国际市场同步实现台开始与国际市场同步实现PentiumPCI微机的同步生产。微机的同步生产。l1996年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。l1998年，中国微机销量达年，中国微机销量达408万台，国产占有率高达万台，国产占有率高达71.9。第35页，本讲稿共37页2.2计算机的应用1）科学计算与数据处理2）工业控制和实时控制3）网络技术的应用电子商务、网络教育、敏捷制造（CSCW，计算机支持的协同工作）4）虚拟现实5）OA与MIS6）计算机辅助技术（CAD/CAM/CIMS）7）多媒体技术8）人工智能第36页，本讲稿共37页2.3计算机的发展方向（1）巨型化（2）微型化（3）网络化（4）智能化（5）多媒体化第37页，本讲稿共37页