《计算机组成与发展》PPT课件

第3讲 计算机及其发展,1 计算机的发展与作用（2.1） 2 计算机的分类（2.1） 3 计算机的组成（2.3） 4 关于CPU和计算机的性能 （2.2）,1. 计算机的发展与作用,1. 计算机的发展过程大体是怎样的，未来的发展趋势如何？ 2. 为什么说计算机是一种通用的信息处理工具？它有哪些特点？ 3. 计算机对社会的发展与进步有什么作用？它又有哪些负面影响？,过去的计算工具,隨著生產的發展和社會的進步，計算工具的發展過程從簡單到複雜、從低級到高級 計算工具相繼出現了如： 算盤 計算尺 手搖计算器 電動计算器,我国研制第1颗原子弹时使用的飞鱼牌手摇计算机（新华网图片）,Pascals 加法机,1642年，法国数学家B. Pascal用钟表元件制造了一种能够做两个十进制数加减法的机器,上世纪30年代的机械式计算器,电动式计算器（1930）,手摇式计算器,第1台数字电子计算机诞生,1946年研制成功第1台数字电子计算机-ENIAC,Photo: van Pelt Library, U Penn.,18,000 电子管，6,000 开关 占地面积: 150 m2 重量: 30 ton 功耗: 140 KW 运算速度: 5000 bits/sec 平均无故障时间 7 min,我国第1台数字电子计算机,1956年，华罗庚受命筹建中国科学院计算技术研究所。 1958年中国第一台计算机103型机研制成功，中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制。字长31位，内存容量为1024字节，运算速度每秒450次。 1958年8月1日该机可以表演短程序运行，标志着我国第一台电子计算机诞生。该机在738厂开始小量生产，改名为103型计算机(即DJS-1型)，共生产38台,第1代数字电子计算机,时间：约1946-1957 使用的元器件：电子管 速度：几十几万次/秒 内存：磁鼓，千字 外设：磁带 机器语言或汇编语言编程,美国于20世纪50年代生产的IBM704型电子管计算机,磁鼓存储器,第2代数字电子计算机,时间：约1957-1964 使用的元器件：晶体管 速度：几十万次/秒， 内存：磁芯，十万字 外设：磁盘 高级语言编程,磁芯存储器,This is a 50 x photograph of magnetic core random access memory from a 4 KiB memory plane,安装在NASA的IBM 7090计算机,我国的第2代电子计算机,1964年我国华北计算所先后研制成功108乙机(DJS-6)、121机(DJS-21)和320机(DJS-6)，并在738厂等五家工厂生产；哈军工（国防科大前身）研制成功441B全晶体管计算机，小批量生产了40多台。,当时我国研发出的计算机，仅有小批量生产，由国家分配到各个科研院所使用。研发和生产计算机的单位，全部是军工企业。具备极高的保密措施，每一个元件，每一张设计图纸都被严格看管,第3代数字电子计算机,时间：约1965-1973 使用的元器件：中小规模集成电路 速度：几十万次几百万次/秒 内存：半导体存储器 软件：高级语言, OS, DBMS,第3代计算机,1965年IBM推出的System 360大型主机，被美国航天局用于首次载人登月任务,存储容量为5MB的硬盘,（27Kg重）,我国的集成电路计算机,DJS-180系列超级小型 计算机,天津生产的DJS130小型机，参展“1975年广交会” （二进制定点16位；内存容量：4-32k； 存取周期：2微秒）,第4代数字电子计算机,时间：从1974年起 使用的元器件：大规模和超大规模集成电路（VLSI） 速度：几百万次亿次/秒 内存：半导体存储器 软件工程，分布式处理等,计算机的发展大大超出人们预料,由于集成电路技术的发展和微处理器的出现，计算机发展速度之快，大大超出人们的预料： 性能不断提高 体积不断变小 功耗不断降低 价格越来越便宜 软件越来越丰富 使用越来越容易 应用领域越来越普遍 计算机数量不断增加,上述趋势不仅仍在继续，且节奏进一步加快 已不再沿用“第x代计算机”的说法。 正在研究开发智能化的计算机系统，它以知识处理为核心，可以模拟或部分替代人的智能活动，具有自然的人机通信能力,未来电脑或将拥有感情,能够察言观色,大力研究神经细胞的工作原理，促进计算机视觉处理和听觉处理功能的飞跃进步 英国普利茅斯大学计算机专家正在尝试模拟在大脑中起重要作用的神经细胞的生理学特征，使未来计算机能具有与人相当的视觉和听觉功能,（2010-08-01 科技日报报道）,未来可能的新型计算机(1),量子计算机：建立在量子力学基础上，与传统计算机的主要区别是，可以同时使用多个不同的量子态来处理和存储信息，被认为是未来计算机发展的方向,2010年初科学时报报道，美国国家标准技术研究院研制的可处理两个量子比特数据的量子计算机,加拿大D-Wave Systems公司的代号为“Orion”的量子计算机,包含16个量子比特，是传统计算机的补充，能大幅增强现有计算机的能力。它通过液氦冷却在零下273.145摄氏度下（距绝对零度仅0.005度）,未来可能的新型计算机(2),奥林巴斯光学工业公司开发出的生物计算机,英国女王大学的Anatoly Zayats教授 他是光计算机项目的负责人,光学计算机：以光子代替电子，光互连代替导线互连，光运算代替电运算,DNA(生物)计算机：蛋白质分子与周围环境相互作用，由“酶”来充当计算机的电子开关。预计20年后DNA计算机将进入实用阶段,计算机的特点与作用,计算机是通用的信息处理工具,计算机是信息处理工具： 信息的收集（信息获取） 信息的储存（信息存储） 信息的加工（信息处理） 信息的传递（通信） 信息的施用（展现与控制）,计算机是一种工具 不是交通运输工具 不是机械加工工具 不是工具,计算机能做许多不同的事,算题（科学计算） 制作图案 处理文字 管理数据 控制其他机器 游戏 收发邮件 收看电视,播放音乐 设计产品 帮助决策 模拟世界上的事物 制作影视特技 寻找信息 与人聊天 ,问题：大多数机器只能做一类事，为什么计算机能够做许多种不同的事？为什么计算机可以同时做许多不同的事？是不是计算机什么事都能做？,计算机(硬件)很笨，但是,计算机(硬件)只能进行基本的四则运算与逻辑运算，很笨，能力十分有限，但是： 速度极快 容量很大 其内部存储的程序指示它做什么和如何做 程序是由人开发的，人是“万物之灵” 简而言之，是千万人的聪明才智通过计算机的“高速度、大容量”特性在为人们服务！,计算机的主要特性,计算机的特性： （1）速度快 （2）存储容量大 （3）通用性好 不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理 不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算 不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能 （4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力,计算机的巨大作用,计算机对社会的进步与发展产生了巨大的作用： 计算机应用于科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。 计算机应用于工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和社会生产率，促进了经济的飞跃发展。 计算机应用于社会服务，大大扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步。 计算机应用于教育文化，为人类创造知识与文化提供了现代化工具，改变了人们创造和传播文化的方式和方法，扩展了人们文化活动的领域、丰富了人类文化的内容、提高了质量。,计算机有什么负面影响？,计算机引发的社会问题和某些潜在的危机： 计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果 信息欺骗和计算机犯罪增加 知识产权保护更加困难 个人隐私受到威胁 不良和有害信息肆意传播和泛滥 大量电子垃圾污染环境、破坏生态 长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害,2. 计算机的分类,1. 计算机是如何分类的？当前计算机产品分成哪些类型？ 2. 有一种计算机称为服务器，它与上述几种计算机是什么关系？ 3. 嵌入式计算机的作用与特点是什么？,计算机的分类,按内部的逻辑结构分类 8位/16位/32位/64位 单CPU/多CPU 按性能、用途和价格分类 巨型计算机 (supercomputer) 大型计算机 (mainframe) 小型计算机 (minicomputer) 个人计算机 (personal computer) 笔记本PC (notebook PC) 台式PC (desktop PC) 平板电脑/上网本 嵌入式计算机,巨型计算机（Supercomputer）,也称超级计算机，有极强的运算能力，速度达数百万亿次运算/秒以上 大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、生物信息处理、破解密码、电子对抗等领域 采用大规模并行处理的结构，由数以百计、千计、万计的CPU共同完成系统软件和应用软件运行任务 国际上： 美国IBM公司的GeneL系统，运算速度为280.6万亿次秒 美国Cray公司XT4巨型计算机(3万处理器) 250万亿次秒 日本NEC公司的“地球模拟器” 我国： 江南计算技术研究所；“神威”巨型机 中科院计算所(曙光计算机公司) ：“曙光”巨型计算机 联想集团公司：“深腾”巨型机 国防科技大学： “银河”巨型机、“天河一号”千万亿次/秒,神威巨型计算机,巨型计算机（续）,IBM Blue Gene/L supercomputer,Cray 巨型计算机,银河巨型计算机,“天河一号”峰值性能4700万亿次、持续速度 2566万亿次，有14000个通用处理器和上万个图形加速处理器;内存总容量98TB，磁盘总容量2PB，安装在天津国家超级计算中心,天河1号A (TH-1A )巨型计算机,140个机柜，在700平方米的机房内整整齐齐排成13排,每小时耗电4040度 部分采用了自主研制的飞腾-1000中央处理器,运行自主研制的麒麟操作系统,关于“服务器”,服务器的英文名是“server”，指的是在计算机网络中专门用于为其他计算机提供服务和资源（数据、存储空间、处理能力、软件等）的一类计算机 原理上任何计算机都可以作为服务器使用 巨型机和大型机可以作为企业级服务器 专用的服务器可作为部门级服务器 一般的PC也可以作为工作组服务器或打印服务器 由于需要大量服务器，一些计算机厂家专门设计制造了称为“服务器”的一类计算机产品，其特点是： 存储容量大，存取速度快，网络通信功能强，可靠性好(7x24),例：HP公司的ProLiant 服务器,关于“个人计算机”,台式个人计算机(卧式),台式个人计算机(立式),便携式(笔记本)个人计算机,个人计算设备走向多元化,eBook（电子书）,Tablet PC（平板式电脑）,Apple的iPad平板电脑,Height: 9.56 inches (242.8 mm) Width: 7.47 inches (189.7 mm) Depth: 0.5 inch (13.4 mm) Weight: 1.5 pounds (0.68 kg) Wi-Fi model; 1.6 pounds (0.73 kg) Wi-Fi + 3G model,9.7-inch display with IPS technology 1024-by-768-pixel resolution,第2代iPad平板电脑,Dual-Core 双核 A5 芯片，快，双倍的快,图形处理超快,双摄像头,陀螺仪、加速感应器、指南针相互配合，游戏操控跟方便,厚度比之前薄了 33%，重量减轻了 15%,平板电脑的趋势,三星Galaxy,联想乐Pad 华硕EeePad 摩托罗拉Xoom,宏基 Iconia Tab,万利达Zpad T8,Gartner报告指出，2010年全球总共卖出了1760万台平板电脑，其中主要是苹果的iPad，销售平均价格为每台543美元。 Gartner预测，2011年全球平板电脑销售数量将达到6950万台，平均售价则为423美元。 Gartner表示，平板电脑平均售价将持续走跌，在2013年达到300美元，2015年则降到263美元，届时卖出的数量将达到2亿9500万台。,厦门35Pad,关于“嵌入式计算机”,把计算机的各个组成部分（运算器、控制器、存储器、输入/输出控制等）全都集成在一块芯片上，这样的计算机称为“单片计算机”或“嵌入式计算机” 用途：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如 数码相机、MP3播放器、手机、交换机、路由器、汽车、机顶盒、洗衣机、空调等 特点： 功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变 大多应满足实时信息处理的要求 以最低成本满足应用要求 能适应恶劣工作环境,嵌入式计算机之例：MP3播放器,嵌入式处理器用于运行控制程序，控制各个部件协调工作：它接收控制按键的操作命令，从存储卡读取MP3音乐数据、进行解码、 还原出数字声音信号,存放MP3音乐数据，容量越大，可存放的歌曲数目就越多,存放MP3播放器的控制程序与解码程序,显示MP3播放器的工作状态和歌曲的歌词,负责与主机连接并下载MP3歌曲等,把数字声音转换为模拟声音信号，用户即可听到声音,3. 计算机硬件的组成,1. 计算机硬件由哪些部分组成？ 2. 什么是PC的主板？什么是芯片组？ 3. CPU是什么？在计算机中起什么作用？ 4. 什么是存储器？内存和外存有什么不同的特性？,计算机硬件的概念结构,(冯诺依曼)计算机在概念上由5个部分组成：,中央处理器CPU (Central Processing Unit),中央处理器(运算控制器),什么是中央处理器(CPU)？ 能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是： 由数字电路组成，结构非常复杂 所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器” (microprocessor),Intel 4004 chip,Intel 8080 chip,CPU是一个超大规模集成电路,2000: Intel Pentium 4 Processor 42 million transistors，0.18 microns 工艺,CPU的任务,(1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被CPU理解和执行的操作命令； (2) 程序(指令)和数据以二进制表示，均存放在存储器中； (3) CPU的任务是从存储器中读出指令和数据，按指令要求对数据进行运算，把运算结果写回存储器,存储器的任务,功能： 储存以二进位形式表示的程序和数据 分类：内存储器/外存储器,计算机的工作过程,“存储程序控制” 原理： 将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中 程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止,任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存,CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据,将指令的运算处理结果送回内存保存,任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存,CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理,计算机硬件的物理结构,主板,(1) 台式PC的物理组成,(2) 主板布局示意图,主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件 ROM BIOS：存放最基础的软件基本输入/输出系统(BIOS) CMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）,例：华硕P5Q主板,CPU插座,内存条插座,硬盘 IDE连接器,PCI插槽,芯片组,各种I/O插口,显卡插槽,PCI-E插槽,安装了CPU和内存条的主板,(3) 芯片组的作用,北桥芯片： 1. 存储器控制功能；2. 连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽 南桥芯片： 1. 多种I/O设备的控制功能；2. I/O总线(PCI总线) 功能；3. 提供了各种I/O接口,(4) 台式PC机箱后部的I/O设备接口,显示器 接口,麦克风 音 箱,键盘接口,HDMI接口,USB 接口,以太网 RJ-45 接口,鼠标器 接口,数字音频接口 (同轴电缆接口),数字音频接口 （光纤接口）,e-SATA接口,关于USB接口,通用串行总线式接口（Universal Serial Bus ） 高速、可连接多个设备、串行传输 传输速率： USB的1.1版：1.5 Mb/s和12 Mb/s USB2.0版：最高达 480Mb/s（60MB/s） USB3.0版：最高达 3.2Gbps（400MB/s） USB2.0使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug & Play,即PnP） 使用“USB集线器” 扩展机器的USB接口，最多连接127个设备 可通过USB接口由主机向外设提供电源(5V，100500 mA),USB(2.0)接口的3种类型,接口类型A,通常在PC上出现,接口类型B,通常在USB设备上出现,Mini-USB,数码相机、移动硬盘等设备经常使用,小结： CPU、存储器与I/O设备等的关系,CPU芯片,内存条,4. 关于CPU和计算机的性能,1. CPU产品有哪些类型？发展趋势如何？ 2. 如何提高CPU和计算机的性能？,复习：CPU的任务,CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作,CPU与指令系统,每种CPU可以执行数以百计的不同指令，CPU可以执行的全部指令称为CPU的“指令系统” 不同品种的CPU，通常具有不同的指令系统： Intel公司：Pentium系列、酷睿系列、赛扬系列 等 AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等 IBM公司：Power5、Power6等 SUN公司：Ultra SPARC处理器 HP公司： PA-RISC、Itanium 处理器 A计算机的程序不能在B计算机上直接运行， B计算机的程序也不能在A计算机上直接运行,Intel公司CPU产品的发展变化,Intel公司PC使用的CPU产品发展过程为： 8088（8086）80286 8038680486Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔腾D奔腾至尊酷睿酷睿2 酷睿i3/i5/i7 它们的指令系统是不断增强和扩展的，保持“向下兼容”,Intel 公司CPU集成度的发展,酷睿2双核 （2006）291410M晶体管 酷睿2四核 （2007）820M 晶体管 酷睿i7 六核 （2009） 超过10亿晶体管,关于计算机的性能,计算机性能由哪些因素决定？,(1) CPU性能,(2) 内存容量及存储器总线的传输速率,(3) 硬盘性能及接口传输速率,(4) 显卡性能,CPU的性能指标,衡量CPU性能使用的指标有： CPU位数：8、16、32、64位 CPU速度： 以MIPS和MFLOPS来衡量运算速度：MIPS（百万条定点指令/秒）、MFLOPS（百万条浮点指令/秒）和TFLOPS（万亿条浮点指令秒） 面向应用测试CPU的速度：使用基准测试程序进行测试（Benchmark）,游戏性能测试程序: 3DMark整体综合性能测试程序: PCMark,提高CPU性能的3大措施,提高主频,增加逻辑复杂度,增加内核数目,双核 多核 异构的多核,电路与封装技术的进步，能把多个处理器做在单个芯片上,1改进CPU结构； 2 提高IC速度(主频)；3增加CPU内核数目,什么是双核/四核处理器？,揭开外壳后的Pentium D处理器,共享的L2 cache,单个封装包含两个功能完全相同的处理器(内核) 进一步发展为2个内核做在同一晶片上，提高性价比 2个双核晶片封装在一起成为4核处理器 4个内核做在同一晶片上，共享L3 cache（Core i7）,Pipelining and Parallel Processing,1. 指令排队等候进入CPU处理,并行处理,为什么“多核”可提高计算机性能,(包含3个内核),小结：提高CPU性能的措施,扩展CPU的字长：32位 64位 扩展 提高CPU主频：从1.5GHz 3GHz以上，目前最高已经接近4GHz； 加快CPU前端总线的数据传输速率 增大cache存储器容量、增加cache的级数 改进CPU内部的逻辑结构 采用多内核（多CPU）结构,复习题,计算机的发展过程大体是怎样的，发展趋势如何？ 计算机有哪些特性？其巨大作用体现在哪些方面？ 按照计算机的功能和规模，计算机分成哪些类型，它们各有哪些特点？ 计算机硬件概念上由哪几个部分组成，各有什么作用？ 计算机内存与外存有哪些区别？ 计算机有哪些常用的I/O设备接口？USB接口有何特点？ CPU的任务是什么？其发展趋势如何？ 计算机硬件的性能与哪些因素有关？,