第1章 計(jì)算機(jī)概述

第1章

計(jì)算機(jī)概述主講老師：1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類1.3計(jì)算機(jī)技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)第1章

計(jì)算機(jī)概述電子計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)的一項(xiàng)偉大發(fā)明，它的出現(xiàn)帶來了一場新的工業(yè)革命，使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。電子計(jì)算機(jī)能自動(dòng)、高速、精確地對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、傳送和加工處理，它的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，深刻地影響了人們的生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)科學(xué)的成果應(yīng)用于工程實(shí)踐所派生的諸多技術(shù)性和經(jīng)驗(yàn)性成果的總合稱為計(jì)算機(jī)技術(shù)。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1．1．1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)40年代誕生的精靈，至今已發(fā)展了四代。第一代電子計(jì)算機(jī)(1946-1958)世界公認(rèn)的第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年面世的ENIAC，全稱為“電子數(shù)值積分計(jì)算器”。使用了電子管和磁鼓儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。占地面積170多平方米，重量約30噸，消耗近150千瓦的電力。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第二代電子計(jì)算機(jī)(1959-1964)采用晶體管邏輯元件及快速磁芯存儲(chǔ)器；開始使用面向過程的程序設(shè)計(jì)語言，如FORTRAN、ALGOL等；計(jì)算機(jī)速度從每秒幾千次提高到幾十萬次；具有體積小、效率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)；造就了美國國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)。在1958年研制全球第一臺(tái)全部使用晶體管的電子計(jì)算機(jī)RCA501，第二年生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計(jì)算機(jī)IBM7090。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第三代電子計(jì)算機(jī)(1964-1972)采用中小規(guī)模集成電路作為計(jì)算機(jī)的邏輯器件；計(jì)算機(jī)變得更小，功耗更低，速度更快；使用了操作系統(tǒng)；典型的機(jī)型是IBM360系列。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第四代電子計(jì)算機(jī)(1972-至今)大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)、甚大規(guī)模集成電路(ULSI)的應(yīng)用；單核CPU技術(shù)飛速發(fā)展（數(shù)億個(gè)）、多媒體個(gè)人電腦普及；多核（2~16個(gè)）CPU技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步提高了計(jì)算機(jī)的性能；超級(jí)巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我國的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算成績重新問鼎TOP500。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展CrayXT5“美洲豹”超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河－1”超級(jí)計(jì)算機(jī)美國的“泰坦”超級(jí)計(jì)算機(jī)中國的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)1．1．2摩爾定律Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonMoore提出了著名的“摩爾定律”：集成電路(IC)上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

摩爾定律延伸為：若在相同面積的單晶硅圓片下生產(chǎn)同樣規(guī)格的集成電路，每隔一年半，集成電路產(chǎn)量就可增加一倍，換算為成本，即每隔一年半成本可降低一半。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

摩爾定律的意義在于鞭策IC制造商不斷改進(jìn)技術(shù)和工藝、努力達(dá)到該定律目標(biāo)的動(dòng)力，促進(jìn)IC產(chǎn)品持續(xù)降低成本、提升性能和增加功能。預(yù)計(jì)在未來10至15年仍然適用。后摩爾時(shí)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)熱點(diǎn)

將在三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展：光互聯(lián)、3維芯片和基于處理的加速器。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1．1．3現(xiàn)代計(jì)算模型圖靈機(jī)英國數(shù)學(xué)家艾倫?麥席森?圖靈(AlanMathisonTuring)于1936年提出的一種抽象計(jì)算模型，其基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程。圖靈機(jī)是用數(shù)學(xué)方法精確定義的計(jì)算模型?，F(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)其實(shí)就是一種通用圖靈機(jī)，它能接受一段描述其他圖靈機(jī)的程序并運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)該程序所描述的算法。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮?諾伊曼(JohnvonNeumann)于1945年6月發(fā)表了一份長達(dá)101頁的報(bào)告，提出了著名的馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)(程序存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu))。馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)包含三個(gè)要點(diǎn)：

進(jìn)制數(shù)的形式表示數(shù)據(jù)和指令；將指令和數(shù)據(jù)按執(zhí)行順序都存放在存儲(chǔ)器中；由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成計(jì)算機(jī)。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展馮?諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)理論CPU與內(nèi)存分開會(huì)導(dǎo)致所謂的“馮?諾伊曼瓶頸”，在CPU與內(nèi)存之間增加高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)能緩解馮?諾伊曼瓶頸問題；另一種缺陷是：一個(gè)設(shè)計(jì)不良的程序可能會(huì)傷害自己、其他程序甚或是操作系統(tǒng)，導(dǎo)致宕機(jī)。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)提出了若干非馮?諾依曼型的程序設(shè)計(jì)語言，并探索了適合于這類語言的新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以脫離馮?諾依曼原有的計(jì)算機(jī)模式，尋求新型計(jì)算機(jī)模型：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型需求驅(qū)動(dòng)模型模式匹配驅(qū)動(dòng)模型1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(NetworkComputing)是把網(wǎng)絡(luò)連接起來的各種自治資源和系統(tǒng)組合起來，以實(shí)現(xiàn)資源共享、協(xié)同工作和聯(lián)合計(jì)算，為各種用戶提供基于網(wǎng)絡(luò)的各類綜合性服務(wù)。企業(yè)計(jì)算——以實(shí)現(xiàn)大型組織內(nèi)部和組織之間的信息共享和協(xié)同工作為主要需求而形成的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)，其核心是Client/Server計(jì)算模型和相關(guān)的中間件技術(shù)。網(wǎng)格計(jì)算——利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格”。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展對(duì)等計(jì)算——網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都可以“平等”共享其他節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源。所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備都可以建立P2P對(duì)話。普及計(jì)算——強(qiáng)調(diào)人與計(jì)算環(huán)境的緊密聯(lián)系，使計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)更有效地融入人們的生活,讓人們在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能方便快捷地獲得網(wǎng)絡(luò)計(jì)算提供的各種服務(wù)。云計(jì)算——是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算新方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個(gè)人和企業(yè)用戶提供按需即取的計(jì)算。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1.4我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展我國計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展1956年6月我國制定了“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃”，并提出立即籌建研究機(jī)構(gòu)。同年8月國務(wù)院正式批準(zhǔn)成立中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所。1958年8月，我國成功仿造蘇聯(lián)M-3小型數(shù)字電子計(jì)算機(jī)——“103計(jì)算機(jī)”，標(biāo)志著我國第一臺(tái)通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)誕生，運(yùn)算速度為每秒1800次。1965年研制成功我國第一臺(tái)109乙型通用晶體管計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著我國整機(jī)研制技術(shù)已進(jìn)入第二代。1973年研制了我國第一臺(tái)百萬次集成電路電子計(jì)算機(jī)——150機(jī)研制成功，該機(jī)字長48位，存儲(chǔ)容量13KB。標(biāo)志著我國整機(jī)研制技術(shù)已進(jìn)入第三代。1983年，國防科技大學(xué)研制成功銀河I號(hào)巨型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒1億次，標(biāo)志著我國巨型機(jī)研制成功1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1993年，由國防科技大學(xué)研制的銀河計(jì)算機(jī)Ⅱ型通過鑒定，每秒運(yùn)算l0億次；1995年，銀河Ⅲ型并行巨型計(jì)算機(jī)通過基準(zhǔn)程序的測試，其峰值速度是130億次。1999年，銀河Ⅳ超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)問世，峰值性能達(dá)到每秒1.0647萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算。2001年，曙光3000通用超級(jí)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制成功，快運(yùn)算速度達(dá)每秒4032億次。2009年，我國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“天河－1”的誕生，2010年升級(jí)后的“天河－1A”問鼎TOP5001.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展2013年，我國的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居TOP500榜首，至2015年6月“天河二號(hào)”實(shí)現(xiàn)了TOP500的“五連冠”。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展我國的CPU芯片技術(shù)的發(fā)展我國從2001年開始進(jìn)行CPU芯片——龍芯的研制。2002年，創(chuàng)建了北京神州龍芯集成電路設(shè)計(jì)有限公司；2002年9月，發(fā)布了龍芯1號(hào)通用CPU芯片。采用0.18微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，定點(diǎn)字長32位，浮點(diǎn)字長64位，主頻266MHz，實(shí)際運(yùn)行功耗小于0.5瓦；2006年初龍芯2E流片成功。該芯片采用90納米工藝，主頻達(dá)到1GHz，實(shí)際性能已相當(dāng)于中、低檔的Intel奔騰4芯片；1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展2008年末4內(nèi)核的龍芯3A流片成功，采用65納米工藝，主頻1GHz，晶體管數(shù)目達(dá)到4.25億個(gè)；2009年，龍芯3B推出，它是首款國產(chǎn)商用8核處理器，主頻達(dá)到1GHz，支持向量運(yùn)算加速，峰值計(jì)算能力128GFLOPS；2010年上海高性能集成電路設(shè)計(jì)中心推出了16核CPU——申威SW1600，其采用65nm工藝和64位RISC架構(gòu)及自主指令集；2015年7月正式推出全新一代“龍芯3B2000”處理器。龍芯3B2000使用全新微架構(gòu)設(shè)計(jì)——64位處理器核

GS464，支持雙路8核以及四路16核服務(wù)器。國產(chǎn)CPU為提高我國信息產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力、改變我國信息領(lǐng)域核心技術(shù)受制于人的被動(dòng)局面做出了杰出貢獻(xiàn)。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1.4計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展

計(jì)算機(jī)語言可以分為機(jī)器語言，匯編語言，高級(jí)語言三大類。機(jī)器語言(MachineLanguage)用二進(jìn)制代碼表達(dá)計(jì)算機(jī)指令的語言；指令的前半部二進(jìn)制位表示操作碼，后半部二進(jìn)制位表示地址碼或操作數(shù)；機(jī)器語言是面向機(jī)器的語言，對(duì)不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)來說一般是不同的。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展匯編語言也是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言；用助記符號(hào)代替操作碼，用地址符號(hào)或標(biāo)號(hào)代替地址碼；要由一種程序（匯編程序）將匯編語言翻譯成機(jī)器語言；把匯編程序代碼翻譯成機(jī)器語言的過程稱為匯編；相對(duì)機(jī)器語言，提高了可讀性、易學(xué)性1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展高級(jí)語言與硬件無關(guān)的、近似于人類自然語言的、高效易學(xué)的計(jì)算機(jī)語言；經(jīng)歷了從非結(jié)構(gòu)化語言到結(jié)構(gòu)化、從面向過程到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言的轉(zhuǎn)化；最終目標(biāo)應(yīng)該是發(fā)展成為面向應(yīng)用語言，即能根據(jù)需要能自動(dòng)生成算法、自動(dòng)進(jìn)行處理的程序語言。FORTRAN語言、ALGOL語言、COBOL語言、BASIC語言、PASCAL語言、C語言、C++語言、HTML語言、Java語言等都是常見的高級(jí)程序語言。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.2.1計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)本身具有其它設(shè)備所不具備的諸多特點(diǎn)：運(yùn)算速度快：已經(jīng)從最初的每秒千次級(jí)發(fā)展到每秒億億次級(jí)；計(jì)算精度高：與計(jì)算機(jī)CPU的字長(即每次能夠處理的最大二進(jìn)制位數(shù))的指標(biāo)有關(guān)，字長越長則精度越高；具有“記憶”和邏輯判斷功能：可以把原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、運(yùn)算指令等信息存儲(chǔ)起來，供用戶調(diào)用；CPU的邏輯運(yùn)算功能，在運(yùn)算過程中實(shí)現(xiàn)各種邏輯判斷，并根據(jù)判斷的結(jié)果自動(dòng)決定下一步應(yīng)執(zhí)行的命令。1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類程序運(yùn)行自動(dòng)化：依次取出指令，逐條執(zhí)行，完成各種規(guī)定的操作，不需要人工干預(yù)；可靠性高：連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)間可達(dá)到幾十萬小時(shí)以上，具有極高的可靠性；通用性好：采用“馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)”，對(duì)于解決不同的問題，只是執(zhí)行不同的程序；還具有體積小、重量輕、耗電少、維護(hù)方便、可靠性高、易操作、功能強(qiáng)、使用靈活、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類1.2.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)具有高速精確的、超凡的數(shù)據(jù)處理能力、邏輯判斷能力，其應(yīng)用涉及到科學(xué)研究、軍事技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、文化教育、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域：科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算信息處理實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)人工智能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信辦公自動(dòng)化1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類1．2．3計(jì)算機(jī)的分類IEEE分類法IEEE提出一個(gè)分類報(bào)告，它根據(jù)計(jì)算機(jī)在信息處理系統(tǒng)中的地位與作用，考慮到計(jì)算機(jī)分類的演變過程和可能的發(fā)展趨勢，把計(jì)算機(jī)分為6大類：大型主機(jī)超級(jí)小型計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站巨型計(jì)算機(jī)小巨型計(jì)算機(jī)1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類按計(jì)算機(jī)中信息的表示形式和處理方式劃分從計(jì)算機(jī)中信息的表示形式和處理方式的角度分為三大類：數(shù)字電子計(jì)算機(jī)模擬電子計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬混合電子計(jì)算機(jī)1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類按計(jì)算機(jī)的用途分類計(jì)算機(jī)按其用途可分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)兩類：通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)

需要說明的是：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)計(jì)算機(jī)的分類標(biāo)準(zhǔn)不是固定不變的，而是不斷提高“升值”?，F(xiàn)在的高檔微型機(jī)，其性能指標(biāo)已超過早期的大型機(jī)。1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類