计算机组成原理(第二章).ppt

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1、第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用2.3 计算机的展望计算机的展望2.2 计算机的应用计算机的应用2.1 计算机的发展史计算机的发展史2.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC 电子数字积分机与计算机电子数字积分机与计算机首要任务军事用途：测定氢弹可靠性的复杂运算首要任务军事用途：测定氢弹可靠性的复杂运算十进制十进制运算运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆

2、来编程一个同时存放指令和数据的主存储器一个同时存放指令和数据的主存储器一个二进制的算逻运算部件一个二进制的算逻运算部件一个解释存储器中指令并能控制指令执行的程序控制部件一个解释存储器中指令并能控制指令执行的程序控制部件由控制部件操作的由控制部件操作的I/O设备设备2.1 1945年，年，ENIAC的顾问、数学家冯诺依曼在为一台新的计的顾问、数学家冯诺依曼在为一台新的计算机算机EDVAC（电子离散变量计算机）制定计划时首次提出了存（电子离散变量计算机）制定计划时首次提出了存储程序的概念，将程序和数据一起存放在存储器中，编程更加储程序的概念，将程序和数据一起存放在存储器中，编程更加方便。成为后来通

3、用计算机的原型。方便。成为后来通用计算机的原型。算逻部件算逻部件I/O设备设备程序控制部件程序控制部件主主存存储储器器计算机的发展经历了五代变化计算机的发展经历了五代变化2.1第一代第一代 电子管计算机时代（电子管计算机时代（1945-1950年后期）年后期）采用采用电子管电子管作为基本部件，体积大，速度慢，可靠性低，作为基本部件，体积大，速度慢，可靠性低，确定了程序设计的基本方法，确定了程序设计的基本方法，“数据处理机数据处理机”开始得到应用。开始得到应用。运算速度：每秒钟几千次，几万次。运算速度：每秒钟几千次，几万次。第二代第二代 晶体管计算机时代（晶体管计算机时代（50年代后期到年代后期

4、到60年代初期）年代初期）这个时代的计算机由电子管改为这个时代的计算机由电子管改为晶体管晶体管，大大地缩小了它的，大大地缩小了它的 体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，价格不断下降；体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，价格不断下降；在此期间，在此期间，“工业控制机工业控制机”开始得到了应用。开始得到了应用。运算速度：每秒几万次至几十万次。运算速度：每秒几万次至几十万次。计算机的发展经历了五代变化计算机的发展经历了五代变化2.1第三代第三代 中小规模集成电路计算机时代（中小规模集成电路计算机时代（60年代中到年代中到70年代前期）年代前期）这个时期的计算机采用这个时期的计算机采用集成电路集成

5、电路为基本器件。为基本器件。可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步下降，可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步下降，集成电路的出现，形成计算机通用化，生产系列化，集成电路的出现，形成计算机通用化，生产系列化，使用系使用系 统化，这时统化，这时“小型计算机小型计算机”开始出现。开始出现。运算速度：每秒几十万次到几百万次运算速度：每秒几十万次到几百万次第四第四/五代五代 大大/超大规模集成电路计算机时代（为超大规模集成电路计算机时代（为1971年开始至今）年开始至今）可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，由几片由几片大规模集

6、成电路大规模集成电路组成的组成的“微型计算机微型计算机”开始出现。开始出现。运算速度：每秒几百万次至几千万次。运算速度：每秒几百万次至几千万次。硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二

7、二一一2.1二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片集成电路技术把计算机集成电路技术把计算机控制单控制单元元和和算逻单元算逻单元集成到一个芯片集成到一个芯片上，制成了微处理器芯片。上，制成了微处理器芯片。1971年，美国工程师霍夫研制年，美国工程师霍夫研制成世界上第一个成世界上第一个4位微处理器位微处理器芯片芯片4004，集成，集成2300个晶体管个晶体管。8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位二进制信息位二进制信息 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位2.1

8、2.119641964年，年，Intel Intel 公司的缔造者之一戈登公司的缔造者之一戈登摩尔提出摩尔定律：摩尔提出摩尔定律：在芯片上所能集成的晶体管数目将会每三年翻两番在芯片上所能集成的晶体管数目将会每三年翻两番。性能每性能每1010年提高年提高100100倍，但价格基本不变。倍，但价格基本不变。用同样的价格，五年之后能买到性能高十倍的机器。用同样的价格，五年之后能买到性能高十倍的机器。这一法则适用至今：这一法则适用至今：1979-20111979-2011，3232年精确符合，再适用十年。年精确符合，再适用十年。摩尔定律摩尔定律(Moores Law)Intel 公司的典型微处理器产品

9、公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年 世界上第一个世界上第一个8位通用微处理器位通用微处理器8086 16位位 1978年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1997年年 750.

10、0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2.12007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个个晶体管晶体管 预计预计2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管 2011年年 14亿亿当前通用微处理器的发展重点当前通用微处理器的发展重点1.提高复杂度提高复杂度2.线程线程/进程级并行性开发进程级并行性开发3.将存储器集成到处理器芯片内将存储器集成到处理器芯片内4.发展嵌入式处理器发展嵌入式处理器2.1三、软件

11、技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境 1.各种语言各种语言2.12.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软

12、件网络软件网络软件2.13.软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和维护程序软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档所需要的所有文档2.12.2 计算机的应用计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理（航空航天、人口普查）（航空航天、人口普查）二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制（机械制造、导弹发射）（机械制造、导弹发射）三、网络技术的应用三、网络技术的应用1.电子商务电子商务（网络营销、网购）（网络营销、网购）2.网络教育网络教育（远程教育、虚拟课堂

13、）（远程教育、虚拟课堂）3.敏捷制造敏捷制造：21世纪的制造模式，基础结构世纪的制造模式，基础结构+虚拟企业虚拟企业四、虚拟现实四、虚拟现实（虚拟现实演播室、仿真训练系统）（虚拟现实演播室、仿真训练系统）五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统（节约资源、提高效率）（节约资源、提高效率）六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术（声图文的计算机集成）（声图文的计算机集成）八、人工智能八、人工智能（手写输入、语音输入、智能机器人）（手写输入、语音输入、智能机器人）2.22.3 计算机的展望计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超

14、级智能功能智能功能 自组织、自适应、自联想、自修复等能力自组织、自适应、自联想、自修复等能力要求计算机的速度达要求计算机的速度达1015/秒，存储容量秒，存储容量1013二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟等难题芯片的功耗、散热、线延迟等难题三、替代传统的硅芯片三、替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控

15、制DNA分子间的生化反应完成运算分子间的生化反应完成运算利用原子具有的量子特性，运算能力比目前利用原子具有的量子特性，运算能力比目前的以硅芯片为电路基础的计算机要快几亿倍的以硅芯片为电路基础的计算机要快几亿倍2.3延伸知识：云计算延伸知识：云计算云计算概念云计算概念 云计算云计算是一种基于因特网的超级计算模式，在远程的是一种基于因特网的超级计算模式，在远程的数据中心，几万甚至几千万台电脑和服务器连接成一片。数据中心，几万甚至几千万台电脑和服务器连接成一片。因此，云计算甚至可以让你体验每秒超过因此，云计算甚至可以让你体验每秒超过10万亿次的运算万亿次的运算能力，如此强大的运算能力几乎无所不能。用

16、户通过电脑、能力，如此强大的运算能力几乎无所不能。用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按各自的需求进行存笔记本、手机等方式接入数据中心，按各自的需求进行存储和运算。储和运算。云计算由于具有功能强大的服务管理平台，因此在将云计算由于具有功能强大的服务管理平台，因此在将更多的更多的 IT 资源添加到云时，管理成本基本不会增加。随资源添加到云时，管理成本基本不会增加。随着智能移动设备、高速无线连接以及基于浏览器的着智能移动设备、高速无线连接以及基于浏览器的Web 2.0 接口的不断增加，使得基于网络的云计算模型不仅切接口的不断增加，使得基于网络的云计算模型不仅切实可行，而且还有助于降低实可

17、行，而且还有助于降低 IT 资源的复杂性。资源的复杂性。延伸知识：云计算延伸知识：云计算云安全与云存储云安全与云存储 云安全云安全是云计算在安全领域的成功应用。它大大提高是云计算在安全领域的成功应用。它大大提高了杀毒软件的工作效率，节约了成本。不过，我最担心的了杀毒软件的工作效率，节约了成本。不过，我最担心的是，当云计算被应用于病毒的传播，结果将会怎样？可以是，当云计算被应用于病毒的传播，结果将会怎样？可以预见在不久的将来云病毒将带给我们怎样的灾难。预见在不久的将来云病毒将带给我们怎样的灾难。360杀毒软件杀毒软件 云存储云存储是在云计算是在云计算(cloud computing)概念上延伸和

18、发概念上延伸和发展出来的一个新的概念。云存储是指通过集群应用、网格展出来的一个新的概念。云存储是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。提供数据存储和业务访问功能的一个系统。金山快盘金山快盘延伸知识：泛在计算延伸知识：泛在计算 数九寒天，可以通过手机事先调节家里的空调，以便数九寒天，可以通过手机事先调节家里的空调，以便回到家里时温度适中；回到家里时温度适中；出门时慌慌张张忘了把大

19、门锁上，可用公司的计算机出门时慌慌张张忘了把大门锁上，可用公司的计算机通过通过InternetInternet下达锁门的指令；下达锁门的指令；出发前忘了把会议资料交给上司，在旅途中的宾馆里出发前忘了把会议资料交给上司，在旅途中的宾馆里访问公司的计算机，取出资料，用电子邮件发给上司；访问公司的计算机，取出资料，用电子邮件发给上司；泛在计算泛在计算（Ubiquitous ComputingUbiquitous Computing）环境实现后的社）环境实现后的社会可能就是这样吧。会可能就是这样吧。延伸知识：泛在计算延伸知识：泛在计算 泛在计算被誉为计算机革命中的第三次浪潮，正处于起步阶段。泛在计算被

20、誉为计算机革命中的第三次浪潮，正处于起步阶段。第一次浪潮是被很多人共享的大型机。第一次浪潮是被很多人共享的大型机。第二次浪潮即个人计算机时期，人和机器之间通过界面进行交流。第二次浪潮即个人计算机时期，人和机器之间通过界面进行交流。接下来就是泛在计算阶段，或称为冷静技术时代。接下来就是泛在计算阶段，或称为冷静技术时代。苹果公司的艾伦苹果公司的艾伦凯称之为计算机的凯称之为计算机的“第三范例第三范例”也就是第三次浪潮。也就是第三次浪潮。泛在计算泛在计算，或称为普适计算或环境智能，最早由，或称为普适计算或环境智能，最早由Mark WeiserMark Weiser在在2020世纪世纪8080年代后期提

21、出，他认为这也是计算机技术的发展趋势。年代后期提出，他认为这也是计算机技术的发展趋势。泛在计算强调计算和环境融为一体，而计算机本身则从人们的视泛在计算强调计算和环境融为一体，而计算机本身则从人们的视线里消失。在泛在计算环境中，人们能够在任何时间、任何地点、以线里消失。在泛在计算环境中，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理，而这个过程是在计算设备的帮助下任何方式进行信息的获取与处理，而这个过程是在计算设备的帮助下高度自动化完成的。在计算机技术发展经历过大型机时代（多人一机）高度自动化完成的。在计算机技术发展经历过大型机时代（多人一机），PCPC时代（一人一机）之后，泛在计算在未来的一人多机时代将成为时代（一人一机）之后，泛在计算在未来的一人多机时代将成为占主导地位的计算模式。占主导地位的计算模式。