课件第一章.ppt
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公司公司徽标徽标第1章计算机系统概论本章结构11.1计算机的发展历程21.2计算机的种类31.3计算机的基本组成51.5计算机系统的分层组织结构41.4计算机语言1.1计算机的发展历程计算机技术的飞速发展离不开其所依赖的器件技术的发展。
在计算机界,人们普遍把计算机的发展划分为5个年代,而这一划分所依据的正是计算机所使用的基本元器件。
可以说,器件技术是计算机发展的重要物质基础和技术保障。
计算机的发展年代第四代第四代第三代第三代第二代第二代第一代第一代第零代第零代第零代:
机械时代世界上第一台以齿轮驱动的计算机器是由德国人WilhelmSchickard教授于1623年设计并建造的计算钟(CalculatingClock)。
1642年法国数学家、物理学家帕斯卡发明的机械加法器Pascaline。
英国数学家巴贝奇CharlesBabbage于1822年设计的差分机DifferenceEngine。
1938年,德国工程师朱斯(KonradZuse)成功制造了第一台二进制计算机Z-1,此后他继续研制了Z系列计算机,其中Z-3型计算机是世界上第一台通用程序控制的机电计算机,它使用了2600个继电器,采用二进制进行运算,运算一次加法只用0.3秒。
1944年,美国麻省理工学院科学家艾肯研制成功了一台通用型机电计算机MARK-I。
电子计算机的发展阶段表发展阶段大致时间所采用的技术典型速度119461957真空管几万次219581964晶体管十几到几十万次319651971中小规模集成电路百万次419721977大规模集成电路千万次19781991超大规模集成电路亿次1991巨大规模集成电路十亿次以上电子计算机区别于机械式计算机的最主要特点是使用了电子元器件作为其存储和控制部件,计算机能够依靠电子元器件自动完成计算。
电子计算机发展阶段也正是以其所采用的基本电子元器件及技术作为划分的基础。
1946年诞生的第一台电子计算机ENIAC第一代:
真空管计算机ENIAC的主要技术指标:
的主要技术指标:
1955年退役年退役十进制运算十进制运算180001500150301500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5000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来编程第一代电子计算机的主要特点:
采用真空管作为基本元器件,体积庞大,功耗大,可靠性低。
引入存储程序的思想,开始使用存储器存储程序,但最初使用的存储设备为汞延迟线或静电存储管,存储容量很小,后来采用了磁鼓、磁芯,虽有一定改进,但存储空间仍然有限。
输入输出设备简单,主要采用穿孔纸带或卡片,速度很慢。
程序设计语言为机器语言,几乎没有系统软件。
第二代:
晶体管计算机第一代真空管技术的计算机并不是非常可靠,原因是这些真空管被烧坏的速度太快,以至于这种真空管计算机的停机维修时间常常比正常运行的时间还多。
1948年,贝尔实验室的三位研究员JohnBardeen、WalterBrattain和WilliamShockley发明了晶体管,这项影响深远的发明,让他们共同获得了1956年度诺贝尔物理学奖。
这种新型的技术不但掀起了电子器件、电视和无线电广播等领域的革命,也推动计算机的发展进入了一个新的时代。
第二代电子计算机的主要特点:
采用晶体管代替电子管作为基本元器件。
与电子管相比,晶体管具有体积小、重量轻、耗电少、速度快、寿命长等优点,这使计算机的设计结构和性能都发生了飞跃。
采用磁芯存储器作为主存,使用磁盘和磁带作为辅存。
使存储容量增大,可靠性提高,为系统软件的发展创造了条件。
提出了操作系统的概念,开始出现汇编语言,并产生了如COBOL、FORTRAN等编程语言以及批处理系统。
第三代:
集成电路计算机1952年,英国皇家雷达研究所的G.W.A.Dummer首先提出了集成电路设想:
根据电子线路的要求,将电子线路所需要的晶体管、晶体二极管和其他必要元件统统完整地制作(集成)在单块半导体晶片上,从而构成一个具有预定功能的电子线路。
1958年,美国的JackKilby和RobertS.Noyce同时发明了集成电路,并分别在德克萨斯仪器公司和仙童公司研制成功第一块集成电路,从而开创了第三代乃至以后计算机发展的新纪元。
第三代电子计算机的主要特点:
采用集成电路取代晶体管作为基本元器件。
采用半导体存储器作为计算机主存储器,存储容量进一步扩大,而体积更小,可靠性更高。
操作系统功能进一步明确和完善,高级语言进一步发展,使计算机功能更强。
计算机的研制生产开始系列化、通用化和标准化。
计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域。
IBMSystem360这一时期典型的系列机如IBM360/370。
系列化:
即同一公司在不同时期生产的机器采用相同的系统结构,在指令系统、数据格式、字符编码、控制方式、输入输出等方面保持统一,从而保证了程序兼容(称为向前兼容)。
这种向前兼容在很大程度上可以保护用户在尤其是软件方面的投资,当用户进行机器更新时,原来在低档机上编写的程序可以不作修改就使用在高档机上。
通用化:
机器指令系统丰富,兼顾科学计算、数据处理、实时控制等方面,可以适应各种应用的需要。
标准化:
采用标准的输入输出接口,因而各个机型的外部设备都是通用的,除各个型号机器的CPU独立设计以外,存储器、外部设备等都采用标准部件组装。
第四代:
大规模超大规模集成电路计算机集成度:
单个芯片上所容纳的晶体管数量。
集成电路发展阶段单块芯片集成的晶体管数量小规模集成电路(SSI)10-100中规模集成电路(MSI)100-1000大规模集成电路(LSI)1000-10000超大规模集成电路(VLSI)10000以上巨大规模集成电路(ULSI)1000000以上第四代电子计算机的特点:
在计算机体系结构上,发展了如虚拟存储器技术、流水线技术、高速缓冲存储器技术及各种并行处理技术等。
在计算机内存配置上,容量和速度都大大提高。
计算机外围设备的种类越来越丰富,从文字的处理发展到图像、声音等多媒体信息的处理。
系统软件功能越来越强,从单用户、单道程序系统发展到多用户、多道程序系统,从字符界面的命令行操作系统发展到图形界面的视窗操作系统。
应用软件越来越丰富,计算机在办公自动化、数据处理、图像处理、语音识别和人工智能等领域大显身手。
随着微型计算机技术的发展,计算机价格越来越便宜,计算机应用越来越普及。
二十世纪80年代计算机网络的发展和90年代Internet技术的发展,一方面使计算机的应用越来越普及,另一方面在很大程度上改变着人们的生活和工作方式。
不同时期微处理器性能:
型号400480088086PentiumPIV发布时间1971年19721978年1993年2000年时钟频率108KHz108KHz5MHz166MHz1.8GHz总线宽度4位8位16位32位64位晶体管数23003500290003.1百万42百万工艺(微米)101030.80.18可寻址存储器640B16KB1MB4GB64GB虚拟存储器64TB64TB第五代计算机1981年10月,日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机,并于1982年4月制订了为期10年的“第五代计算机技术开发计划”。
紧接其后美国和欧洲等国家也先后提出了发展第五代计算机的计划。
第五代计算机又称新一代计算机或人工智能计算机,它是一个能把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。
它除了能进行数值计算及信息处理外,还能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力;能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识;人-机之间可以直接通过自然语言(声音、文字)或图形图像交换信息。
我国计算机技术的发展概况我国从1956年开始研制计算机,1958年研制成功第一台电子管计算机103机,1959年又研制成功运行速度为每秒1万次的104机。
103机和104机的研制成功填补了我国在计算机技术领域的空白,为促进我国计算机技术的发展做出了贡献。
1965年,中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机109乙,之后推出109丙机,该机在我国两弹试验中发挥了重要作用。
1971年我国开始研制以集成电路为主要器件的DJS系列计算机,1974年,清华大学等单位联合设计、研制成功采用集成电路技术的DJS-130小型计算机,运算速度达每秒100万次。
该系列计算机在上个世纪70年代在我国很多行业和部门得到了广泛应用。
在微型计算机方面,1985年,电子工业部计算所研制成功与IBMPC机兼容的长城0520CH微机。
此后我国的长城系列、方正系列、联想系列等微型计算机,如雨后春笋般涌现,为我国计算机的普及应用做出了贡献,也使目前以联想公司为代表的中国计算机公司成为了一个有着巨大影响力的跨国公司,走在了世界先进计算机技术的行列。
在巨型计算机研制方面,1983年,国防科技大学研制成功运算速度每秒亿次的银河-I巨型机,这是我国高性能计算机研制领域的一个重要里程碑。
1992年,国防科技大学又推出了银河-II通用并行巨型机,峰值速度达每秒10亿次。
1997年6月,国防科大研制成功银河-III百亿次并行巨型计算机系统,采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构,由130多个处理结点组成,峰值性能为每秒130亿次浮点运算,系统综合技术达到90年代中期国际先进水平。
2009年10月,“天河一号”取得了世界第一的突破。
峰值计算速度每秒4.7千万亿次2013年6月,“天河二号”再登世界超算之巅,峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次。
2016年6月,“神威太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首,峰值计算速度每秒12.5436亿亿次,持续计算速度每秒9.3015亿亿次“天河三号”正在研制,计算速度每秒超百亿亿次。
1995年,曙光公司推出了国内第一台具有大规模并行处理机(MPP)结构的并行机曙光1000(含36个处理机),峰值速度每秒25亿次浮点运算。
1997至1999年,曙光公司先后在市场上推出具有机群结构(Cluster)的曙光1000A、曙光2000-I和曙光2000-II等超级服务器,峰值计算速度已突破每秒1000亿次浮点运算。
2000年,曙光公司推出每秒3000亿次浮点运算的曙光3000超级服务器。
2003年,百万亿次数据处理超级服务器曙光4000L通过国家验收,再一次刷新国产超级服务器的历史纪录,使得国产高性能机产业再上一个新台阶。
知识拓展:
摩尔定律知识拓展:
摩尔定律摩尔定律是前英特尔联合创始人戈登.摩尔(GordonMoore)首先提出的,其内容是指:
集成电路(IC)芯片中所能集成的晶体管数量每18个月翻一番,性能也随之提升一倍。
1.2计算机的种类计算机按照其用途分为通用计算机和专用计算机。
专用计算机主要是为某一专用领域设计的,在这一领域具有高性能或适应性,如一些专为图像处理设计的计算机,具有很高的图像处理速度;再如工控机,专为一些环境较为恶劣的工业控制领域而设计,具有防尘、防振、高可靠性等特点。
通用计算机则不是专为某一领域而设计,它能适应各种应用的要求。
对计算机种类的划分,更为传统和更为普遍的方法是按照1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法,将计算机分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机。
1.巨型计算机巨型计算机巨型机有极高的速度、极大的容量。
主要应用于国巨型机有极高的速度、极大的容量。
主要应用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等领域。
目前这类机器的运算速度已超过石油勘探等领域。
目前这类机器的运算速度已超过每秒万亿次。
每秒万亿次。
这类计算机在技术上朝两个方向发展:
一是开发高这类计算机在技术上朝两个方向发展:
一是开发高性能器件,特别是缩短时钟周期,提高单机性能;性能器件,特别是缩短时钟周期,提高单机性能;二是采用多处理器结构,构成超级并行计算机,通二是采用多处理器结构,构成超级并行计算机,通常由常由100台以
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