计算机硬件技术基础第01章.ppt

第1章 计算机硬件概论,本章将论述信息与数字化的关系，计算机硬件在数字化中的作用，计算机硬件的历史变革及其发展前景，总体概况，硬件与软件的关系，计算机硬件设计的基本原则，硬件的设计内容和设计方法，性能指标及评价标准。,1.1 信息与数字化,信息是事物属性的表征。信息活动存在于包括人类在内的一切生物和社会系统之中，也存在于人工创造的一些机器系统中，信息在这些系统中起着极为重要的作用。,为什么会出现数字技术一统信息技术天下的局面呢？关键就在于数字具有特别强大的信息表达能力，而这种能力是任何其他信息媒介都难以企及的。主要理由有以下几点：第一，各种信息形式，如文字、符号、声音和图形图像等众多信息形式，都可以方便地转换成数字形式，而以数字形式保存的信息又可以方便地转换为上述人能够理解的各种信息形式；,第二，数字能将人的思维活动和人们掌握的自然规律通过程序表达出来，这是一种极为强大的能力，也是数字技术一统信息技术的关键所在；第三，数字能够以单一的形式来进行处理、传输和存储，具有技术实现上的统一性和简单性；第四，数字技术具有精确、准确的特点，是高质量信息的代名词。,图灵机是一个由磁头和无限长的带子构成的理论模型机。只要按一定的步骤对磁带进行左移、右移，并写0、写1或者保持不变，任何数学计算问题都可以得到解决。这里的意思是指理论上存在着解决信息问题的可能性。现在很多问题不能解决，是因为计算机硬件对数字的处理和传输的速度还不够快，存储容量还不够大，一旦硬件技术发展到了所需要的速度与容量，这些信息问题一定能够解决。,1.2 计算机硬件与数字化,其一是软件层面：软件是计算机的灵魂，它将人们的思想、办法、自然规律以及各种形式的信息和数据数字化，它决定了按什么样的步骤来对数字进行操作，即如何编写程序才能达到目的；其二是硬件层面：硬件是对数字进行操作的机器系统，它决定执行操作的机器系统一共有哪些基本操作以及这些操作是如何实现的，以及保证这些操作有足够的处理速度、足够的存储容量和足够的传输带宽。,计算机硬件的定义如下： 计算机硬件是在指令的控制下自动对数字进行操作，并将数字信息与其他形式信息进行相互转换的机器系统。 当信息被转变为数字形式后，计算机硬件对数字有三类操作：数字的处理、数字的存储和数字的传输。,此外，计算机还要完成将各种形式的信息（图形图像、声音、文本等）与数字域信息相互转换的操作，这种操作往往由称之为计算机输入输出设备的部分来完成。,1.3 计算机硬件的发展历史与展望,将计算机分为5代：第一代计算机采用电子真空管做处理部件，继电器做存储器，用绝缘导线互联，采用机器语言或汇编语言编程；第二代计算机采用分离式的晶体管做处理部件，用铁氧体磁芯做存储器，用印刷电路板互连，出现了有编译程序的高级语言和批处理监控程序；,第三代计算机采用中小规模集成电路做处理部件，用多层印制板互连，采用了微程序控制技术，并出现了多道程序设计和分时操作系统；第四代计算机采用大规模(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)做处理部件，采用半导体存储器；第五代计算机采用工艺更完善的超大规模和甚大规模集成电路（ULSI）做处理部件，采用更高密度的半导体存储器。,计算机硬件的发展，得益于器件制造技术的进步，计算机专家为现代计算机的发展总结了下列几个规律： Moore定律：微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番； Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半； Gilder定律：未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍； Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。,半导体存储器发展规律：DRAM的密度每年增加60%，每3年翻4倍。时钟周期改进相对较慢，大约10年降低三分之一。 硬盘存储技术发展规律：20世纪90年代，硬盘的密度每年增加50%，最近每年增加约一倍。存取时间改进较慢，大约10年降低三分之一。,计算机将主要围绕着提供信息服务这个目的向两个方向发展：一是发展以各种无线移动装置为代表的用户智能终端设备，二是发展为这些终端提供服务支持的高性能服务器和相应的基础设施。前者将促进嵌入式处理器和高密度微型化存储技术的发展，后者将进一步推动高性能计算机体系结构的发展和海量存储技术的发展。,1.4 计算机硬件总体概况,计算机硬件分为两类：一是转换硬件，二是数字域硬件。前者完成将现实中各种信息形式转换为数字形式或者将数字形式的信息转换为人们所需要的各种信息形式；后者则完成对数字进行各种操作（处理、存储、传输等）的任务。转换硬件包括计算机输入输出设备，但含义更广；数字域硬件则是计算机的核心部分，是本书的重点。,数字域硬件的主要任务是对数字进行操作。对数字的操作可分为三类：处理操作、传输操作和存储操作。处理操作是对数字进行某种有目的的改变性操作，如简单的加、减、乘、除、移位和逻辑运算，或者是较复杂的矩阵和向量计算等；传输操作是将数字从一个空间位置移动到另一个空间位置；存储操作是将数字保存在某个空间位置一段任意长的时间，需要时即可从这个空间取出，存储设备是数字的所在地。,担任处理部件的常用形式有通用处理器、专用处理器、专用芯片等。 担任传输部件的常有形式有总线、通道、接口和网络等。 担任存储部件的常用形式有半导体存储器（ROM、SRAM、DRAM、Flash等），磁表面存储器（硬盘、软盘、磁带等）和光存储器（CD-ROM、CD-R/W、DVD、MO等）。 包括计算机在内的一切数字化信息设备在数字域都是上述三类部件的组合。,1.4.1 处理硬件 处理操作目前主要是由通用处理器来完成的，专用处理器（如用于数字信号处理的DSP芯片以及用于网络设备的网络处理器）和专用芯片（如用于视频压缩解压的芯片以及各种ASIC等）都可以完成处理操作任务。,处理器的主要任务就是执行指令。指令是某个机器系统能够识别和执行的命令，它规定了对数字进行何种操作并指出被操作数的所在。一个机器一共能执行的指令的集合叫指令系统。一个特定的机器能够执行的指令的数目是固定的。 指令系统是计算机软硬件的分界面。指令系统之上是各个层次的软件，如编译系统、操作系统和各种应用软件。无论多么复杂的软件，最终都要转化为由这些基本指令按一定顺序排列而构成的指令流。指令系统之下是硬件。指令通过译码，启动各个不同的硬件电路完成指令规定的操作数据的任务。,处理器的发展历史，就是一个不断提高指令执行速度的历史。提高指令执行的速度主要的手段有两个：其一是提高半导体器件的工作速度，即提高主频；其二是按照摩尔定律增加越来越多的晶体管，在系统结构上采用并行技术来提高指令执行速度。处理器中采用的并行技术叫指令级并行技术，主要有流水线和超标量两种。,1.4.2 存储硬件 随着信息技术及其应用的发展，数字化信息爆炸性增长。数字化的信息最终都转化为计算机的程序和数据保存在存储硬件中。理想的存储器要满足下列要求： 足够大的容量； 与CPU相匹配的速度； 低廉的价格； 所保存的数据安全可靠。,与CPU直接配合、由CPU直接存取的存储系统是内存，它的主体部分是动态存储器（DARM）。它容量较大，价格较低，可被CPU直接寻址。它采用电容保持电荷的原理存储信息，需要不断地刷新来维持信息，断电后信息会消失。,需要长久保存的数据放在硬盘、软盘和光盘这些外存储设备上。硬盘是高速的在线外存储设备，它容量大，速度快，发展十分迅速。一个计算机上几乎所有的信息（操作系统、文件、数据库等）都要存放在硬盘之中，以便随时调用。硬盘是最重要的外存储设备。,软盘一般用于数据拷贝、备份和数据交换，只读光盘用于软件的发布和交换，可擦写光盘的用途与软盘相同，只是容量大得多而已。在移动式设备上，近年来采用闪存芯片（Flash Memory）做存储体的越来越多，它体积小，断电后信息还可长期保存，使用和携带特别方便。但目前的单位容量价格仍比硬盘和软盘贵很多。,1.4.3 传输硬件 一般计算机系统的总线可分为下列4层。 片内总线：微处理器内部各功能单元的连线，又称CPU总线； 片总线：计算机主板上以微处理器为核心与各部件之间的直接连线； 系统总线：主板上扩展卡与扩展卡间连接的总线； 外总线：计算机与外部设备或其它计算机之间通信的数据线。,计算机总线分为并行总线和串行总线。并行总线由数据总线、地址总线和控制总线三部分组成，由于多路并行传输，在距离短的条件下有较大的速度优势。 无论何种总线，都应包括连线、驱动电路、协议变换接口电路、中断和判优几个基本部分。,1.4.4 转换硬件 常见的输入设备有键盘（将文本和符号信息转换为数字信息）、鼠标（将位置信息转化为数字信息）、扫描仪（将图像信息转换为数字信息）等。有些设备没有被称为输入设备，但本质上都是将各种现实的信息形式转换为数字形式。如数码照相机和数码摄像机，就是将图像和视频信息转换为数字信息；话筒加上声卡将声音信息转换为数字信息；摄像头加上视频采集卡也可将视频信息转换为数字信息。这些都可称之为正向转换硬件。,常见的输出设备有显示器（这是最重要的输出设备，它可将数字信息转换为图形、图像、视频和文本等多种可视信息）、打印机（有针打、喷墨、激光等种类，将数字信息转换为纸张上的文本、图形、图像形式）、绘图仪（将数字信息转换为纸张上的图形信息）。声卡加上音箱可将数字信息转换为声音信息。这些都可以称为反向变换设备。,1.5 硬件与软件的关系,本节论述软硬件关系的两个原理：等效原理与互动原理。 数字技术是硬件和软件的结合体，从最底层的角度看，软硬件所产生的结果就是按某种次序对数字进行了一系列操作。虽然说软件的运行是不可能离开硬件的，但是硬件平台的性能和复杂程度却相差十分巨大。,有人证明，即使用字长为一位、只有几条最简单指令的极为简单的计算机，如果不考虑运行速度和运行时间，也能完成最复杂的计算机所能完成的所有任务。一个计算任务，可以在复杂的计算机上用一条指令指挥复杂的硬件电路来完成，也可以在简单的计算机上通过一段软件子程序来完成，最终的结果完全一样，所不同的只是完成任务所花费的时间。,打一个形象的比喻，你可以用一辆载重卡车将河边的一堆鹅卵石一次性地运到建筑工地，也可以用一个人一担一担地用箩筐挑过去，结果是一样的，只是效率不一样。我们将这个原理称为软硬件结果等效原理： 要达到对数字操作的某种结果，可以用复杂的硬件实现，也可以在简单的硬件上用软件实现，其结果是等效的，不同的是两者的速度。,使用硬件实现或使用软件实现的具体原则如下。 （1）速度要求高、功能单一的任务，产品批量又较大，可以用逻辑电路来实现。简单的用逻辑门电路，复杂且批量小的可用FPGA、CPLD等可编程逻辑器件，批量生产可用专用集成电路来实现。这种实现单一功能的硬件电路可以看作为“只有一条指令的计算机”。,（2）开发周期短、功能变化多的任务，宜在通用的计算机或通用的微处理器上用软件实现。 （3）对一些重要而量大面广的领域，可采用专用处理器来解决速度问题。如在数字化仪器领域和数字控制领域，大量采用数字信号处理器（DSP）；在网络设备中，大量采用网络处理器。,（4）如果目前的通用处理器和专用处理器都达不到所需要的速度，就只能用硬件来实现或者用硬件来辅助实现。但必须认识到，通用处理器的发展是很快的，以前很多要用到硬件板卡的功能现在都可以用软件来实现了。这样的例子十分常见，如以前的中文文字处理要用汉卡，视频解压要用压缩卡，现在都可以用软件实现。,我们用软件实际能够实现的、保证时间要求的功能又是受限于硬件平台的性能的。这样就得到下列软硬件互动原理： 在有时间限制的条件下，软件能够实现的功能受限于硬件的性能，硬件每发展一步，软件所能实现的应用就能向前发展一大步；反过来说，软件可能实现的功能要求更高性能的硬件平台。,1.6 计算机硬件设计的基本原则,下面就是计算机硬件设计要遵循的最基本、最为广泛采用的原则： 加快经常性事件 (Make The Common Case Fast)。 经常性事件就是发生得最频繁、占时间最多的事件。,加快经常性事件可以由Amdahl定律来定量表达。 若用Sn表示加速比，To表示加速前的总时间，Tn表示采取加速措施后的总时间，则Amdahl定律为： Sn= To/Tn,若用Fe表示待加速部分的时间与加速前的总时间（T0）之比（它反映了待加速部分是不是经常性事件），Se表示加速的倍数（它反映加快了多少），则有： Sn= To/Tn= 1/(1Fe)+Fe/Se,1.7 计算机硬件的设计内容与方法,目前一般认为下列内容都属于硬件工程师要完成的任务：电路设计、可编程器件的逻辑设计、专用集成电路设计、指令系统设计、计算机系统设计、微程序控制设计、汇编语言程序设计、设备驱动程序设计和系统的仿真和调试与测试。目前，嵌入式硬件的设计师还要懂得嵌入式实时操作系统，才能有效地构成较复杂的系统。,1.8 计算机硬件的性能指标及评价标准,计算机作为一个系统，评价其性能指标是一个较为复杂的事情。为简单起见，一般常用下列两个标准衡量： （1）MIPS (Million Instructions Per Second)：机器每秒钟执行的兆条指令数。 （2）MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)：机器每秒钟兆次浮点操作的次数。,衡量一个计算机系统性能的好坏，最可靠的标准就是执行某个程序所花费的时间。一个程序，放在不同的计算机上运行，执行时间最短的，对这个程序而言就是性能最好的计算机。所以，人们现在更多地采用基准测试程序的方法来评价计算机的性能。,国际上成立了一些组织和公司，专门从事基准程序的选择和标准的制定，较为著名的有SPEC( Standard Performance Evaluation Corporation)和ZD（Ziff-Davis）实验室。他们研究、选择和发布基准程序套件，目的是使这些基准的测试程序尽量反映实际的工作负载，并要随着应用的发展反映新出现的流行程序类型。基准程序实际是在真实的应用程序中精心选择的程序套件。,