第1章计算机组装概述.docx

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1、回;第1章.ppt第1章计算机组装概述学习目的与要求:本章通过对计算机发展和分类的学习，要求对计算机系统的历史演进有较深入的了解，并且能够把握未来发展趋势；通过简要介绍计算机组成与基本结构，要求明确计算机的整体组成和软、硬件系统的划分，以方便后面章节知识点的学习。1.1计算机发展简介随着人类科技的发展，人们在生产劳动中创造并改进了多种计算工具。计算工具是人类大脑的延伸，可以让人的潜力得到更大的发展。人类最初用手指计算。人有两只手，10个手指头，所以人们自然而然地习惯运用十进制记数法。用手指计算固然方便，但不能存储计算结果，于是人们用石头、刻痕或结绳来延长自己的记忆能力。以算筹为基础产生的算盘是

2、计算工具发展史上的第一次重大改革，是公认的最早使用的计算工具。随着历史的发展，商业、航海和天文学等方面都提出了许多复杂的计算问题，为计算工具的发展提供了契机。1642年，法国数学家、物理学家布莱士帕斯卡(BlaiSePaSCaI)发明了第一台机械加法器Pascaline,这也是机械式计算工具的代表。1888年，美国统计学家赫尔曼霍勒瑞斯(HermanHonerith)为人口统计局创建了第一台机电式穿孔卡系统制表机。这台制表机参与了美国1890年的人口普查，是人类历史上第一次利用计算工具进行的大规模数据处理。1 .现代计算机的发展阶段1944年8月至1945年6月是计算机科学技术快速发展的时期。

3、冯诺依曼(JohnvonNeUmarm)博士(见图1.1)与莫尔学院科研小组合作，提出了一个全新的存储程序通用数字电子计算机方案EDVAC(electronicdiscretevariableautomaticcomputer,离散变量自动电子计算机)，这就是人们通常所说的冯诺依曼型计算机，如图1.2所示。该计算机采用“二进制”代码表示数据和指令，并提出了“程序存储”的概念，从而奠定了现代计算机的坚实基础。1)第一代电子管计算机(19451956年)1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院物理学家莫奇利(JohnW.Mauchly,如图1.3所示)和工程师埃克特(J.PresperECkert)

4、领导的科研小组共同开发了数字电子计算机ENIAC(electronicnumericalintegratorandcalculator,电子数值积分计算机)。ENIAC是计算机发展史上的里程碑，被广泛认为是世界上第一台现实意义上的计算机，如图1.4所示。图 1.2 EDVAC图1.3 ENIAC研发团队(左为莫奇利)图1.4第一台电子管计算机(ENIAC)ENlAC是一个庞然大物，其占地面积为WOn?,总重量达301。机器中约有18000支电子管、1500个继电器以及其他各种元器件，其机器表面布满电表、电线和指示灯，每小时耗电量约为MOkW.这样一台“巨大”的计算机，每秒可以进行5000次加法

5、运算，相当于手工计算的20万倍，机电计算机的100O倍。ENIAe的成功是计算机发展史上的一座里程碑。第一代计算机的特点是操作指令为特定任务而编制，每种机器有各自不同的机器语言,功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓存储数据，如图L5所示。2)第二代晶体管计算机(19561963年)1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大的电子管，电子设备的体积不断减小，如图1.6所示。1956年，晶体管在计算机中广泛使用，晶体管和磁芯存储器促使了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用

6、于原子科学的大量数据处理，这些机器价格昂贵，生产数量极少。I960年，出现了一些成功用于商业领域、大学和政府部门的第二代计算机，比如著名的UNIVACLARC计算机。LARC机是20世纪60年代初期功能最强的一台计算机，也是最早的晶体管计算机之一。它在设计上有许多创新，例如能与主机并行操作的外围处理机，用以控制各种输入输出设备并行地与主存交换信息，从而使机器能高速地同时完成几个操作。它有2个运算器，10个存储器模块。图15电子管图1.6晶体管第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件：打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用

7、于商业用途。在这一时期出现了更高级的COBC)L(COmmOnbusiness-orientedlanguage)#FoRTRAN(formulatranslation)等语言，以单词、语句和数学公式代替了二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业，如程序员、分析员和计算机系统专家，甚至整个软件产业由此诞生。3)第三代集成电路计算机(19641971年)虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管在使用中会产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部件，集成电路的出现使得这种状况得到了改善，集成电路如图L7所示。1964年，美国IBM公司成功研制了第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM3

8、60系统，如图1.8所示。它的体系结构既便于事务处理，又便于科学计算；系列中各机型具有兼容性；有标准的输入、输出接口和通用的输入、输出设备，它们与中央处理器相对独立；软件既有兼容性又有可扩充性，从而可最大限度地保护用户的软件投资。这些特征大多成为以后计算机设计与开发所遵循的基本原则。1964年IBM为美国Airlines提供SABRE系统；1966年IBM为社会保障管理机构提供管理系统；在1969年APolIoll登月计划中，IBM360系统更是大显身手。图1.7集成电路图1.8旧M 360系统随后，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的

9、控制协调下可以同时运行许多不同的程序。4）第四代大规模集成电路计算机（I97l年至今）出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路（LSl）可以在一个芯片上容纳儿百个元件，如图L9所示。到了20世纪80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级，可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。mfcEcoL(-二HIinriIhIIkHiBihUHtnitlIHIlIiUI图1.9大规模集成电路三三=三三三=_=I06I9Z6I一 tnZI6 Z 一2020年Il月16日，TOP50

10、0组织发布了全球超算TOP500第56期榜单。高性能计算业界正在实现技术突破，攀登新的计算高峰。如图1.10所示，本次的榜单冠军超级计算机“富岳”（FUgakU）是世界上第一台ARM架构处理器驱动的TOP500高性能计算集群，认证算力超过51.3亿亿次每秒。中国部署的超级计算机数量也继续位列全球第一，TOP500超算中中国客户部署了226台，占总体份额超过45%；中国厂商联想、曙光、浪潮是全球前三的超算供应商，总交付312台，占TOP500份额超过62%。联想不仅在HPC的设计、交付能力上全球领先，在追求超级计算机的新技术高峰上同样正在集聚势能。榜单显示，在全球浮点运算性能最强的500台超级计

11、算机中，联想交付的超算贡献总算力超过35.5亿亿次，联想制造的超算入围180台，较上份榜单的173台增加7台，数量远超其他厂商，再次名列全球高性能计算提供商份额第一名。图 1.10 “富岳”（FUgakU）2 .计算机的发展趋势目前计算机技术的发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化4个方向发展。1）巨型化巨型化是指运算速度高、存储容量大、功能更完善的计算机系统，其运算速度一-般在每秒万亿次，一直被誉为“现代科技的大脑”。巨型机主要用于尖端科技和国防系统的研究与开发，如航空航天、军事工业、气象、人工智能等几十个学科领域，特别是在复杂的大型科学计算领域，其他机种难以与之抗衡。巨型机加工数据吞吐

12、量极大，其主机由高速运算部件和大容量快速主存储器构成，在系统结构、硬件、软件、工艺和电路等方面采取各种支持并行处理技术。巨型机的应用已从实体经济转到战略领域的航空航天、地质勘探、车船设计、动漫制作、环境保护、新药研发、生物信息、气象监测等诸多方面。仅半年，富士通与日本理化学研究所共同开发的超级计算机“富岳”己经将其混合精度HPC-AI基准上的性能从1.4exaFLOPs提高到2.0exaFLOPso特斯拉的DojO超级计算机在2021年年底问世，该超级计算机也能够实现I（X）OPetaFLOPs,会更好地帮助特斯拉从汽车摄像头和道路上收集数据。2）微型化微型化得益于大规模和超大规模集成电路的飞

13、速发展。微处理器自1971年问世以来，发展非常迅速，几乎每隔两三年就会更新换代一次，这也使得以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升。微型化、多功能、高可靠性、防静电和抗电磁干扰的各类片式电子元器件不断发展，顺应了计算机微型化的发展方向，便携、网络化和多媒体化以及更轻、更薄、更短、更小的特点，使得微型机的发展日新月异。现在，除了放在办公桌上的台式微型计算机外，还有可随身携带的膝上型计算机、可以握在手上的掌上型计算机，以及在生活电器中广泛使用的嵌入式计算机，如电视机顶盒、数字电视、汽车、数码相机、家庭自动化系统、空调、PoS机、工业自动化仪表与医疗仪器，使用范围覆盖了各行各业。这些微型机的体积

14、小、使用方便、价格便宜，操作简单且技术更新快，迅速进入社会各个领域。3）网络化网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享数据和软硬件资源的目的。整个互联网相当于一台巨大的超级计算机，当然也可以构造地区性的网络、企事业内部网络、局域网络，家庭网络甚至个人网络。目前各国都在致力于“三网合一”的开发与利用，即将计算机网络、有线电视网、通信网合为一体，通过网络更加高效地传送文本、声音、图形和视频，用户不但可以随时随地上网，而且可以方便地使用可视电话或者收看世界各地的电视节目。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业

15、等各行各业中得到广泛应用。云计算、物联网、虚拟化、移动通信、网络安全与管理都是当今计算机网络化发展研究的热点，未来的计算机网络将向着开放、集成、智能的方向发展。4）智能化智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，这是第五代计算机要实现的目标。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。2021年2月22日，中国人工智能头部企业深兰科技与世界500强韩国LG线上线下举行智能机器人采购项目签约仪式。根据协议，LG计划在三年内完成对深兰科技数万台智能机器人的采购订单，首批产品最早从2021年4月下线出货，陆续装船发运美国。如图1.11所示为深兰科技AI消毒清洁机器人。图1.11

16、Al消毒清洁机器人专家系统AI机器人已经在管理调度、辅助决策、医疗诊断、人脸识别、故障诊断、地质测绘、产品设计、教育咨询等方面广泛应用，在文字、语音、图形图像的识别与理解以及机器翻译等领域也取得了重大进展，比如在线翻译系统、人脸识别等产品已经问世且在不断地改进。如图1.12所示为深兰科技Al安防机器人。图1.12Al安防机器人展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。从目前的发展趋势来看，未来的计算机将是超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。第一台超高速全光数字计算机，已由欧盟的英、法、德、意等国的70多名科学家和工程师合作研制成功，光子计算机的运算速度比电子计算机快IoOo倍。2013年9月26日，斯坦福大学宣布人类首台基于碳纳米晶体管技术的