第1章计算机系统基本组成Word文件下载.docx
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算盘上的珠子可以记(计)数,按照口诀拨动珠子可以进行四则运算。
与现代计算机相比,算盘的结构和功能还太简单,它只能存储计算结果,所有的操作都要靠人的大脑和手完成。
但即使这样,对于简单的加减运算,至今算盘还扮演着非常活跃的角色。
在漫长的计算历史中,许多计算工具都消失了,但算盘还在使用。
图1.1算盘图1.2第一台机械计算机
1623年,德国科学家契克卡德(W.Schickard)制造了人类有史以来第一台机械计算机,这台机器能够进行六位数的加减乘除运算。
1642年法国科学家帕斯卡(B.Pascal)发明了著名的帕斯卡机械计算机,首次确立了计算机器的概念。
它是一个齿轮传动装置的机械计算机,只能做加法运算,但能够自动完成逢9进1的进位操作。
1674年,大数学家莱布尼茨在对帕斯卡的计算机进行了改进之后,发明了能够进行加减乘除运算的手摇计算机。
这台计算机在进行乘法运算的时候,采用了进位-加的方法,后来演化为二进制,被现代计算机普遍采用。
至此,计算机已经初步实现了机械化,或者说半自动化,但距离自动计算尚有很大的差距。
有趣的是,缩短这个差距的竟是两个纺织机械师。
1725年,法国纺织机械师布乔(B.Bouchon)发明了“穿孔纸带”技术。
在织布上编织图案,如同画画,需要有的地方着色,有的地方不着色。
对织布来说,就是有的地方织线,有的地方不织线。
准备一卷与织布同样宽幅的纸带,按照图案——就像作画一样——在上面一排一排地打上小孔,然后铺在织布上,当编织机开始编织的时候,就会在有孔的地方织线,在没有孔的地方不织线,于是图案就编织出来了。
布乔想出了这个绝妙的想法,但真正的应用还是在80年后,另一位法国机械师杰卡德(J.Jacquard)利用“穿孔纸带”技术,发明了“自动提花编织机”,由此奏响了19世纪机器自动化的序曲。
杰卡德编织机“千疮百孔”的穿孔卡片,蕴含着程序控制思想的萌芽,在早期的电子计算机中,就是用这种穿孔纸带和穿孔卡片来存储程序和数据的。
1822年,30岁的巴贝奇(C.Babbage)受杰卡德编织机的启迪,花费10年的时间,设计并制作出了差分机。
这台差分机能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。
它可以
处理3个不同的5位数,计算精度达到6位小数,巴贝奇用它制作出精确无误的数学用表。
其后近50年的岁月里,巴贝奇把全部的精力投入到制作精度更高的差分机和设计分析机的工作中。
1834年,巴贝奇设计出具有堆栈、运算器、控制器的分析机,阿达为之编写了人类历史上第一个程序。
因为当时科技发展水平的限制,巴贝奇的第二个差分机和分析机均未能制造出来。
直到巴贝奇去世70多年之后,MarkⅠ在IBM的实验室制作成功,巴贝奇的夙愿才得以实现。
而这个时候,电子计算机已经呼之欲出了。
保存数据为目的,更是以利用数据为目的。
图1.3巴贝奇差分机
1.1.2电子计算机
在巴贝奇提出分析机设想后近100年的时间里,电子科学与工程技术取得了长足的进展,数学、物理等自然科学领域的成果也为电子计算机的诞生奠定了坚实的基础,而社会的迫切需求最终催生了电子计算机。
1946年2月,ENIAC在宾夕法尼亚大学制作成功,这是世界上公认的第一台电子计算机。
ENIAC完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存储,其运算速度是当时继电器计算机的1000倍。
ENIAC使用了18000个电子管,占地1800英尺,采用10进制,程序是外挂式的,存储容量太小,每次运行一个新的程序都要重新连接线路,接线的时间甚至远比运行时间长得多。
尽管如此,5000次/秒的运算速度在当时是巨大的成就。
从硬件的角度来划分,电子计算机的发展经历了四个阶段。
1.电子管时代(1946~1959)
1883年,爱迪生在为电灯泡寻找最佳灯丝材料的时候,发现了一个奇怪的现象:
在真空电灯泡内部碳丝附近安装一截铜丝,结果在碳丝和铜板之间产生了微弱的电流。
英国的电器工程师弗莱明博士对这个“爱迪生效应”进行了深入的研究,于1904年研制出真空二极管。
弗莱明的电子管标志着人类开始进入了电子时代,但是电子管成为真正实用的器件,还是在真空三极管发明之后。
1907年,美国人德福雷斯发明了真空三极管,他的这一发明为他赢得“无线电之父”、“电视始祖”和“电子管之父”的称号。
其实,德福雷斯所做的就是在二极管的灯丝和板极之间加了一块栅板。
ENIAC开启了电子计算机时代,它的主要器件就是电子管。
电子管计算机体积大,要产生很多热量,容易损坏。
存储设备最初使用汞延迟线和静电存储器,容量很小。
后来采用磁鼓(磁鼓在读/写臂下旋转,当被访问的存储器单元旋转到读/写臂下时,数据被写入这个单元或从这个单元中读出),有了很大改进。
输入设备是读卡机,可以读取穿孔卡片上的孔,输出设备是穿孔卡片机和行式打印机,速度都很慢。
在50年代末,出现了磁带驱动器(磁带是顺序存储设备,也就是说,必须按线性顺序读取磁带上的数据),它比读卡机快了很多。
1950年,第一台冯.诺依曼结构计算机诞生。
冯.诺依曼提出了由运算器、控制器、存储器和输入输出设备构成的计算机模型,并提出用二进制替代十进制,将数据和指令统一存储的思想,奠定了现代计算机发展的基础。
这个时期的计算机非常昂贵,而且不易操作,只有一些大的机构,如政府和一些主要的银行才买得起,这还不算容纳这些计算机所需要的可控制温度的机房和能够进行计算机编程的技术人员。
图1.4电子管1.5三极管
2.晶体管时代(1959~1964)
电子管的诸多缺陷使人们急于找到性能更佳的替代品。
1947年,贝尔实验室的肖克莱和巴丁、布拉顿发明了点接触晶体管,两年后肖克莱进一步发明了可以批量生产的结型晶体管(1956年他们三人因为发明晶体管共同获得了诺贝尔奖),1954年德州仪器公司的迪尔发明了制造硅晶体管的方法。
1955年之后,制造晶体管的成本以每年30%的速度下降,到50年代末,这种廉价的器件已经风靡世界,以晶体管为主要器件的计算机也迈入了新的时代。
与电子管计算机相比,晶体管计算机具有体积小、重量轻、发热少、耗电省、速度快、价格低、寿命长等优点,使计算机的结构与性能都发生了很大改变。
存储设备使用麻省理工学院研制的磁芯存储器,稳定而且可靠。
辅助存储设备开始使用磁盘,磁盘上的数据都有位置标识符——称为地址,磁盘的读/写头可以直接被送到磁盘上的特定位置,因而比磁带的存取速度快很多。
这个时期的计算机广泛应用在科学研究、商业和工程应用等领域,典型的计算机有IBM公司生产的IBM7094和CDC(ControlDataCorporation,控制数据公司)生产的CDC1640等。
但是,第二代计算机的输入输出设备很慢,无法与主机的计算速度相匹配。
这个问题在第三代计算机中得到了解决。
3.集成电路时代(1964~1972)
尽管晶体管代替电子管有很多优点,但还是需要使用电线将各个元件逐个连接起来,由于元件数量众多,计算机的重量依然太大。
对于电路设计人员来说,能够用电线连接起来的单个电子元件的数量不能超过一定的限度。
对于手持焊枪和小镊子的工人来说,每天干足8个小时又能连接多少个元件?
何况,焊枪再小也也有个限度。
1958年,最先进的计算机1640就包含25000个晶体管、10万个二极管、成千上万个电阻和电容,其错综复杂的结构使其可靠性大为降低。
1958年,费尔柴尔德半导体公司的诺伊斯和德州仪器公司的基尔比提出了集成电路的构想:
用同一种材料(硅)制造晶体管、二极管、电阻、电容,然后在一层保护性的氧化硅下面把这些元件互相连接起来,这样几千个元件就可以紧密地排列在一小块薄片上。
采用氧化硅绝缘层的平面渗透技术,以及将细小的金属线直接蚀刻在这些薄片表面上的方法,使得用机器完成这些元件的连接成为一件轻松的事情,集成电路得以大规模生产,人类由此进入了微电子时代。
在几个平方毫米的硅片上,刻上几十个甚至上百个微型晶体管,计算机的体积一下减小了许多,计算机开始向小型化发展。
这个时期的内存储器用半导体存储器淘汰了磁芯存储器,使存储容量和存取速度有了大幅度的提高。
输入设备出现了键盘,使用户可以直接访问计算机。
输出设备出现了显示器,可以向用户提供立即响应。
图1.6集成电路图1.7Intel4004芯片
4.超大规模集成电路时代(1972~)
1964年,Intel公司的摩尔提出摩尔定律,预测晶体管集成度将会每18个月翻一番,而实际的情况几乎就是按照这个定律发展的。
1971年,Intel推出1kb动态随机存储器(DRAM),标志着大规模集成电路的诞生。
1978年,64kb动态随机存储器诞生,不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管,标志着超大规模集成电路(VLSI)时代的来临。
但这段时期最大的成就还是微处理器的诞生。
1969年末的一天,一家生产桌面计算器的日本公司走进了Intel公司的大门,他们要定制11个集成电路,其中部分存储器芯片用来存储数字,其他的电路用来控制电源、键盘、显示器和打印机。
从斯坦福大学过来的霍夫接受了这项任务,他为此想到了一个解决方案:
用一块芯片生产出一个中央处理器,就是把一台计算机的基本电路系统压缩到一块芯片上。
1971年,Intel公司的费德里哥费格金采用新的硅门电路工艺造出了芯片原型,同年年底Intel推出了以4004命名的芯片,这是世界上最早的微处理器之一。
1979年,Intel推出5MHz8088微处理器,IBM基于8088推出全球第一台个人电脑(PC)。
其后计算机的发展历史演变为中央处理器(CPU)的发展历史,确切地说就是CPU的晶体管集成度每18个月翻一番。
4004采用10微米工艺生产,包含2300多个晶体管,时钟频率为108KHz。
2007年,Intel推出首款0.045微米Penryn处理器,其双核心版本集成了4.1亿个晶体管,四核心则有8.2亿个晶体管。
目前,Intel已经成功完成了0.032微米芯片的研发工作,并计划在2009年底开始投产第一批0.032微米的Westmere处理器。
微处理器的发明使计算机在外观、处理能力、价格以及实用性等方面发生了深刻的变化。
20世纪70年代后期出现的微型计算机体积小、重量轻、性能高、功耗低、价格便宜,这使得计算机逐渐走进了办公室,走进了家庭,计算机开始渗透到社会的各个角落。
1.1.3计算机网络
1.远程终端连接
计算机的I/O设备的操作速度总是跟不上CPU的频率,这使得CPU经常处于等待状态。
在计算机出现的早期,计算机还是非常宝贵的资源,这种等待是难以容忍的。
操作系统的分时技术为解决这个问题提供了方法,这就是实行远程终端连接。
一台主机与若干个终端相连,或者说很多个终端连接到一台主机上,共享主机资源。
所谓终端,就是只有显示器和键盘,没有硬盘、内存、CPU。
典型的例子是上世纪五十年代美国的全国机票系统,一台机器与分布在全国各地的2000多个终端相连,最终发展成了一个3万多家旅行社、300万在线客户的网络。
2.ARPAnet
世界上第一个计算机网络是由美国国防部高级研究计划局(ARPA)建立的,称为ARPAnet。
上世纪60年代正是东西方冷战时期,出于防御考虑,美国军方设想建立一个分散的指挥系统:
当其中的某些指挥点被摧毁后,其他点仍能正常工作,并且能绕过那些被摧毁的点而继续保持联系。
为了验证这个设想,于1969年建立了ARPAnet,最初只有4个节点,到1972年网点数达到了40个。
围绕ARPAnet的研究,促成了E-mail和FTP的诞生,二者都是当今Internet的主要应用。
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