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1、第九部分 計(jì)算機(jī)的軟硬件基礎(chǔ)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與安全計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)How its made?馮.諾依曼在上個(gè)世紀(jì)提出了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的五大模塊,運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入/輸出。但這些模塊是如何協(xié)調(diào)工作的?又是怎么被制造的呢?數(shù)字計(jì)算的基礎(chǔ)bit所有信息都以最簡單的形式表達(dá)0、1這是一個(gè)電路開關(guān)能表達(dá)的最小信息量。我們?yōu)檫@個(gè)最小的信息量賦予名稱:bit。核心處理單元的變遷數(shù)字電路成就了數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字電路簡單可靠,易于集成,可以輕易地?cái)U(kuò)展規(guī)模。晶體管,集成電路IC,超大規(guī)模集成電路VLSI的出現(xiàn)造就了數(shù)字時(shí)代!集成電路發(fā)明53周年1958年,杰克基爾比發(fā)明了集成電路,這一發(fā)明奠定了現(xiàn)代微電子技
2、術(shù)的基礎(chǔ),如果沒有他的發(fā)明,就不會有計(jì)算機(jī)的存在,信息化時(shí)代也只能空談。集成電路發(fā)明53周年1947年12月23日第一塊晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生,從此人類步入了飛速發(fā)展的電子時(shí)代。但是對于從小就對電子技術(shù)感興趣的基爾比來說可不見得是件好的事情:晶體管的發(fā)明宣布了基爾比在大學(xué)里選修的電子管技術(shù)課程全部作廢。但是這并沒有消減這個(gè)年輕人對電子技術(shù)的熱情,反而更加堅(jiān)定了他的道路。集成電路發(fā)明53周年雖然那個(gè)時(shí)代的工程師們因?yàn)榫w管發(fā)明而備受鼓舞,開始嘗試設(shè)計(jì)高速計(jì)算機(jī),但是問題還沒有完全解決:由晶體管組裝的電子設(shè)備還是太笨重了,工程師們設(shè)計(jì)的電路需要幾英里長的線路還有上百萬個(gè)的焊點(diǎn)組成,建造它的難度可想
3、而知。集成電路發(fā)明53周年基爾比提出了一個(gè)大膽的設(shè)想: “能不能將電阻、電容、晶體管等電子元器件都安置在一個(gè)半導(dǎo)體單片上?”這樣整個(gè)電路的體積將會大大縮小,于是這個(gè)新來的工程師開始嘗試一個(gè)叫做相位轉(zhuǎn)換振蕩器的簡易集成電路。1958年9月12日,基爾比研制出世界上第一塊集成電路,成功地實(shí)現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。認(rèn)識集成電路世界上第一塊可工作集成電路由Jack Kilby在1958年發(fā)明集成電路芯片制作流程晶柱Silicon Ingot芯片Wafer光罩制作/光刻離子植入切割、封裝電鍍(Die,晶粒)(Chip,晶芯)蝕刻Mask Making/ Photolithograph
4、yIon ImplantationAssembly&TestingElectroplatingEtching沉積Deposition 中央處理器CPUCPU等芯片的制造是一個(gè)腐朽化為神奇的過程!石英沙,包含25%的硅石英沙融化后,提煉出硅,制作成硅碇,99.99%以上純度從硅碇上切割出一片片晶圓CPU等芯片的制造是一個(gè)腐朽化為神奇的過程!在晶圓上涂灑光刻膠紫外線(UV)通過掩模(Mask)照射光刻膠,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在晶圓上刻下1/4的電路進(jìn)一步通過UV在晶圓上刻下晶體管等部件溶解光刻膠通過化學(xué)腐蝕未被光刻膠保護(hù)的部分消除光刻膠中央處理器CPU中央處理器CPUCPU等芯片的制造是一個(gè)腐朽化為神奇
5、的過程!再次拋灑光刻膠,并通過Mask清除不需要的部分離子注入,改變未被光刻膠保護(hù)部分的導(dǎo)電特性再次清除光刻膠在絕緣材料上蝕出三個(gè)洞,填注銅,使它和晶體管連接電鍍硫酸銅 在晶體管表面形成一個(gè)銅層CPUCPU等芯片的制造是一個(gè)腐朽化為神奇的過程!打磨掉多余的銅,拋光安置金屬層導(dǎo)線從晶圓上切割下獨(dú)立的核心封裝核心以及必要的電路一顆處理器就制造出來了!大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路模具集成電路發(fā)展歷程請注意,這是一張半對數(shù)表戈登 摩爾(Gordon Moore): 一個(gè)人一個(gè)行業(yè)的定律在今天的IT行業(yè)有一個(gè)神話,這個(gè)神話就是一條定律把一個(gè)企業(yè)帶到成功的巔峰,這個(gè)定律就是“摩爾定律”,而這個(gè)
6、企業(yè)就是Intel。這個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)者不是別人,正是世界CPU市場霸主Intel公司的創(chuàng)始人之一的戈登摩爾。集成電路(IC)上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔24個(gè)月(1975年摩爾將24個(gè)月更改為18個(gè)月)便會增加一倍,性能也將提升一倍,當(dāng)價(jià)格不變時(shí);或者說,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18個(gè)月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度??刂萍拜o助系統(tǒng)單單一顆CPU是無法工作的它需要被控制它需要與其它系統(tǒng)連接。它需要一座橋梁,連接各種控制與系統(tǒng)控制及輔助系統(tǒng)主板!主板,是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)為板載的各項(xiàng)系統(tǒng)提供信息通路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)一些基本的輔助工作控制及輔助系統(tǒng)主板!主板由“南橋”和“北
7、橋”兩個(gè)主要橋接芯片構(gòu)成?!氨睒颉敝饕B接CPU、內(nèi)存、高速接口,為CPU提供前端帶寬?!澳蠘颉边B接各種中低速的設(shè)備與機(jī)構(gòu),如USB、硬盤、網(wǎng)絡(luò)等??刂萍拜o助系統(tǒng)主板!PCB(PrintedCircuitBoard),中文名稱為印制電路板。主板上的所有芯片與元件都安插在PCB電路板上。PCB是一種復(fù)雜的電路技術(shù),它可以將電路很薄的印刷在介質(zhì)上,并可以多層復(fù)合,形成復(fù)雜、3維立體的電路網(wǎng)絡(luò)。主板上的各各芯片就是通過這組復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信的。內(nèi)部存儲器計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要臨時(shí)保存大量的信息,要求數(shù)據(jù)讀寫訪問快,不要求持久保存數(shù)據(jù)。內(nèi)存就是這樣的機(jī)構(gòu),提供相對較大的數(shù)據(jù)空間,供運(yùn)行時(shí)使用存儲系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)
8、硬件可能涉及的專業(yè)知識微電子學(xué)模擬電路數(shù)字電路計(jì)算機(jī)組成原理信號處理 。計(jì)算機(jī)軟件已經(jīng)造出了計(jì)算機(jī),可怎么讓它工作呢?4050年代,人們這么用.人使用計(jì)算機(jī)? Or 計(jì)算機(jī)用人?6080年代90年代至今誰接替了那么多工作?軟件接替了所有的機(jī)械工作!計(jì)算機(jī)雖然越來越快,但它的本質(zhì)從未改變 它一直都不聰明!除了指令,它一概不理解人類只能通過指令來控制它!而軟件則包含了控制中絕大多數(shù)機(jī)械性指令人通過軟件控制計(jì)算機(jī),大大減少勞動量什么是軟件???軟件(英語:Software)是一系列按照特定順序組織的電腦數(shù)據(jù)和指令的集合。維基百科軟件的定位軟件指硬件之上,用戶之下的所有內(nèi)容軟件的分類操作系統(tǒng)和計(jì)算軟件是
9、最初的軟件形式操作系統(tǒng) Operating System系統(tǒng)軟件 System Software應(yīng)用軟件 Application Software最龐大的軟件操作系統(tǒng)OS你可知:在“裸機(jī)”上編寫一個(gè)程序來計(jì)算5+5等于幾,并顯示出結(jié)果“5+5=10”,可能需要10000行代碼。其中,9996行用來驅(qū)動CPU、內(nèi)存、時(shí)鐘、顯示器。等硬件設(shè)備;4行用來計(jì)算5+5=10。并且這9996行代碼會因硬件的變化而變化最龐大的軟件操作系統(tǒng)OS 人們需要一組程序,它負(fù)責(zé)和硬件打交道。負(fù)責(zé)所有和硬件有關(guān)的工作,并隱藏起硬件的差異,給上層提供一個(gè)干凈、統(tǒng)一、一致、易用的程序接口&用戶接口。 這就是操作系統(tǒng)!操作系
10、統(tǒng)包容了所有的硬件特性,因此它異常復(fù)雜,龐大。最龐大的軟件操作系統(tǒng)OSWindows 95,15張軟盤可以放下Windows 98,一張CDROM,內(nèi)容398MWindows Vista,壓縮6倍后放入一張DVDROM最龐大的軟件操作系統(tǒng)OS操作系統(tǒng)為上層軟件提供了邏輯接口,上層軟件使用這些接口,大大降低了開發(fā)與維護(hù)成本。系統(tǒng)軟件提供一些關(guān)鍵功能我們更多與應(yīng)用軟件交互,很少使用系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是一個(gè)泛指的概念,一般來說,它對一些通用的關(guān)鍵功能進(jìn)行封裝并提供上層接口,由應(yīng)用軟件調(diào)用這些接口,完成關(guān)鍵操作。應(yīng)用軟件充分利用底層的各種接口與工具,向用戶提供可交互界面,并面向用戶完成計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)軟件瀏覽
11、器和網(wǎng)速的發(fā)展,讓W(xué)eb應(yīng)用成為可能云與SaaSSaaS(Software-as-a-service)的意思是軟件即服務(wù)。SaaS是基于互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務(wù)的軟件應(yīng)用模式。軟件又是怎么寫出來的呢?從前,軟件是這么“寫”的在過去,打孔紙帶式計(jì)算機(jī)非常流行??椎母袷酱聿煌木幋a非??菰镉?jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!計(jì)算機(jī)再快,它也只是一臺只認(rèn)識0與1的機(jī)器最早期,人就是用0與1同計(jì)算機(jī)交流的,這就是機(jī)器語言如同密碼,開發(fā)者需要知道每一串01組成的意義,小心編寫,開發(fā)難度太大。計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!密碼交流與人類天性是不符的!“匯編語言”問世使用“助記符”代替機(jī)器語言的密碼式交流計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!和機(jī)器語言本質(zhì)上相
12、同,僅“助記符”的作用并未明顯降低軟件編寫難度使用另一個(gè)軟件把匯編語言翻譯成機(jī)器語言計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!密碼式交流的助記符仍然不符合人類天性!高級語言問世經(jīng)典的“Hello World”出現(xiàn)計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!使用一個(gè)更復(fù)雜,更系統(tǒng)化的工具將高級語言翻譯成機(jī)器語言編譯器初步符合數(shù)學(xué)及控制論等人類邏輯系統(tǒng)明顯降低計(jì)算機(jī)編程難度出現(xiàn)了經(jīng)典的C語言這一階段的語言稱為“過程式語言”,由函數(shù)及語句組成整個(gè)程序。緬懷C語言發(fā)明人丹尼斯里奇或許大家對丹尼斯里奇并不太了解,但還是有不少程序員認(rèn)為C語言之父丹尼斯里奇的去世比喬布斯的離去影響更加深遠(yuǎn),因?yàn)槿绻麤]有C語言,相信也不會有蘋果、微軟的軟件,也不會有現(xiàn)在的C
13、+、Java計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!科學(xué)家希望將人類社會中的“委托”,“類型”等思想引入計(jì)算機(jī)語言面向?qū)ο?Object Oriented)編程語言問世“類型”與“對象”成為關(guān)鍵詞計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!編譯器,在發(fā)明高級語言的過程中扮演重要的角色通過詞法器、語法器、語義分析、翻譯機(jī)構(gòu)、優(yōu)化器等機(jī)構(gòu)將人類易讀的高級語言翻譯成最底層的01機(jī)器語言計(jì)算機(jī)語言的進(jìn)化!OO語言為現(xiàn)在最主流的計(jì)算機(jī)語言模型過程式語言也在進(jìn)化,擁有一些更高級的語言特性軟件開發(fā)還是OO語言的天下僅有語言就有軟件了么?語言是一座橋梁問題的解決需要思想的支持符合計(jì)算機(jī)運(yùn)行模式的思想才是軟件的靈魂!算法計(jì)算機(jī)的靈魂計(jì)算機(jī)非???,但計(jì)算機(jī)很傻
14、很天真,除了指令,它什么都不懂。因此,為了完成一個(gè)復(fù)雜工作,人類需要為它編寫指令。指令中所體現(xiàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)思想即是算法算法的作用實(shí)例:看商品猜價(jià)格 首先出示一件價(jià)格在999元以內(nèi)的商品,參與者要猜出這件商品的價(jià)格。在猜價(jià)格的過程中,主持人會根據(jù)參與者給出的價(jià)格,相應(yīng)地給出“高了”或“低了”的提示。遞推、枚舉、遞歸、分治。冒泡排序法 冒泡排序法的基本思想是:對待排序記錄關(guān)鍵字從后往前(逆序)進(jìn)行多遍掃描,當(dāng)發(fā)現(xiàn)相鄰兩個(gè)關(guān)鍵字的次序與排序要求的規(guī)則不符時(shí),就將這兩個(gè)記錄進(jìn)行交換。這樣,關(guān)鍵字較小的記錄將逐漸從后面向前面移動,就象氣泡在水中向上浮一樣,所以該算法也稱為氣泡排序法。幾個(gè)例子說明算法的應(yīng)用 網(wǎng)
15、絡(luò)路由中的最短路算法 圖像存儲與壓縮網(wǎng)絡(luò)路由問題最短路徑的Dijkstra算法也稱為“寬度搜索”或“層式搜索” 圖像存儲無損編碼:將一行中顏色值相同的相鄰象素(行程)用一個(gè)計(jì)數(shù)值(行程的長度)和該顏色值(行程的灰度)來代替,從而去除像素冗余。例:設(shè)重復(fù)次數(shù)為 iC, 重復(fù)像素值為 iP編碼為:iCiP iCiP iCiP編碼前:aaaaaaabbbbbbcccccccc 編碼后:7a6b8c數(shù)據(jù)量:64*8=512(bit)如果按照方式(a)掃描的順序排列的話,數(shù)據(jù)分布為:130,130,130,130,130,130,130,130,130;129,129,129,129,130,130,1
16、29;127,128,127,129,131,130,132,134,134;133,133,132,130,129,128,127,128,127,128,127,125,126,129,129;127,129,133,132,131,129,130,130;129,130,130,130,129,130,132,132;131,131,130,126,128,128,127,127行程編碼為:數(shù)據(jù)量為:43*(3+8)=473(bit) (94.22%)(7,130),(2,130),(4,129),(2,130),(1,129);(1,127),(1,128),(1,127),(1,12
17、9),(1,131),(1,130),(1,132),(2,134),(2,133),(1,132),(1,130),(1,129),(1,128),(1,127),(1,128),(1,127),(1,128),(1,127),(1,125),(1,126),(2,129),(1,127),(1,129),(1,133),(1,132),(1,131),(1,129),(2,130),(1,129),(3,130),(1,129),(1,130),(2,132),(2,131),(1,130),(1,126),(2,128),(2,127)有損壓縮JPEG圖像壓縮算法流程圖原圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顏色
18、模式轉(zhuǎn)換采樣R紅色Y亮度G綠色U色度B藍(lán)色V濃度JPEG圖像壓縮算法流程圖原圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顏色模式轉(zhuǎn)換采樣離散余弦變換DCTYUV數(shù)據(jù)“之”字型(Zig-Zag)的排列方法離散余弦變換DCTJPEG圖像壓縮算法流程圖原圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顏色模式轉(zhuǎn)換采樣離散余弦變換DCT量化量化過程即經(jīng)過DCT變換的圖像的每個(gè)系數(shù)根據(jù)量化表除以各自量化步長得到量化系數(shù)。量化表是根據(jù)視覺敏感度設(shè)計(jì)的。 例子:存在萬能的算法么?我們時(shí)常認(rèn)為,計(jì)算機(jī)只要夠快,就什么問題都可以計(jì)算出來。其實(shí)不然!有很多問題,根本就算不出來!從可計(jì)算理論來說,當(dāng)一個(gè)問題的復(fù)雜度以超過多項(xiàng)式的級數(shù)增長時(shí),這個(gè)問題在可接受時(shí)間里是算不出來的!這類問
19、題稱為NP問題,計(jì)算機(jī)是無法求得最優(yōu)解的,只能得到近似解。很多直覺上看起來簡單的問題,對于計(jì)算機(jī)無解。 比如,圖論中經(jīng)典的漢密爾頓回路問題。圖論是什么?圖論是離散數(shù)學(xué)中一個(gè)研究的分支它研究點(diǎn)與邊所構(gòu)成的圖所具有的一般到特殊的性質(zhì)互聯(lián)網(wǎng)高可靠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)都依賴于圖論的一些重要發(fā)現(xiàn)圖論的經(jīng)典問題漢密爾頓回路問題簡單:給定n個(gè)點(diǎn)及n個(gè)點(diǎn)之間的邊,求一條路徑,每個(gè)點(diǎn)只經(jīng)過一次且路程最短圖論的經(jīng)典問題漢密爾頓回路直覺解法:計(jì)算機(jī)快,只要把所有路徑都試一遍就出來了。實(shí)際情況:枚舉計(jì)算量過大,達(dá)到(n-1)!級。當(dāng)n足夠大時(shí),再快的計(jì)算機(jī)也無法求解!只能求得近似解,無法得到最優(yōu)解。算法復(fù)雜度決定了可計(jì)算性科學(xué)家證明,只要枚舉的空間以多項(xiàng)式形式增長,這個(gè)問題就是可計(jì)算的。其實(shí)我們?nèi)祟惡芏嘀庇X解法并不適用于計(jì)算機(jī),因?yàn)樗鼈兊慕饪臻g太大了,計(jì)算機(jī)再快也解不出來。算法設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就在此!會了語言,懂了算法,我們寫個(gè)程序吧!別急。如果我是工人語言是工具和材料算法是圖紙我們還缺一個(gè)條件一塊方便施工的工地!數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的工地此工地非彼工地!在計(jì)算機(jī)中,空間是以“地址”為單位劃分的。 它是一個(gè)“一維”的空間結(jié)構(gòu)。這與我們直
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