华中科技大学计算机组成原理课件教学内容.ppt

第一章、计算机系统概述2011版权说明：本课程PPT在计算机学院谭志虎老师ppt基础上修改本章主要内容oo计算机分类、应用oo计算机发展简史oo计算机硬件系统oo计算机软件系统oo计算机系统层次结构2计算机分类电子计算机从总体上来说分为模拟计算机和数字计算机两大类：o电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。o电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。3计算机分类数字计算机与模拟计算机的主要区别4计算机分类计算机电子模拟计算机电子数字计算机通用计算机专用计算机超级计算机 大型机服务器 工作站微型机单片机5计算机的性能指标(1)p吞吐量:表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。o响应时间:表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。o利用率:表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。6计算机的性能指标(2)p处理机字长:指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。p总线宽度:一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。p存储器容量:存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。7计算机的性能指标(3)p存储器带宽:存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。p主频/时钟周期:CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。8计算机的性能指标(4)pCPU执行时间:表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：CPU执行时间CPU时钟周期数CPU时钟周期长oCPI:表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：CPI执行某段程序所需的CPU时钟周期数该程序包含的指令条数9计算机的性能指标(5)oMIPS:表示每秒百万条指令数，用下式计算：MIPS指令条数程序执行时间106时钟频率CPI106MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。o程序执行时间Te为：Te指令条数MIPS10610计算机的性能指标(6)oFLOPS:floating-point operations per second即“每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数”，“每秒峰值速度每秒峰值速度”FLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。o一個MFLOPS(megaFLOPS)等於每秒100萬(=106)次的浮點運算，o一個GFLOPS(gigaFLOPS)等於每秒10億(=109)次的浮點運算，o一個TFLOPS(teraFLOPS)等於每秒1万亿(=1012)次的浮點運算，o一個PFLOPS(petaFLOPS)等於每秒1千万亿(=1015)次的浮點運算，o一個EFLOPS(exascaleFLOPS)等於每秒100亿亿(=1018)次的浮點運算。11本章主要内容o计算机分类、应用o计算机发展简史o计算机硬件系统o计算机软件系统o计算机系统层次结构12计算机发展简史o17世纪之前，中国人的智慧之光o16世纪-17世纪初期，西方人的灵感o17世纪中期-19世纪中期先驱的探索n机械式计算机o19世纪后期机械到电的飞跃n机电式计算机o20世纪电子文明的曙光n电子计算机1317世纪以前中国人的智慧之光最古老的计算工具-算筹（算子）o算筹：春秋时期出现。纵式和横式表示自然数，可进行加减乘除、开方及其它的代数计算。o一纵十横，百立千僵，“运筹帷幄”o负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。这种运算工具和运算方法，在当时世界上是独一无二的。o祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到小数点后7位15最古老的计算器-算盘o算盘被誉作中国“第五大发明”，o陕西歧山西周宫室遗址中出土了90粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色70粒，将算盘的发明时间提前到二千多年前的西周时期。o“价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养”1616世纪-17世纪初期西方人的灵感1621年-冈特计算尺o在发明计算机之前，计算尺是科学研究、工程设计和生产实践中使用最广泛、应用最便捷、最有价值的计算工具。o在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺为人类进步、世界文明作出了无法估量的伟大贡献。18达芬奇机械式计算机o1500年达芬奇手稿关于机械式计算工具的描述o后人根据达芬奇手稿仿制的机械式计算机1917世纪中期-19世纪中期先驱的探索机械式计算机1642年-PASCAL(1623)加法机o法国数学家、物理学家和思想家o人类史上第一台机械式计算机，其原理对后续计算机产生了持久的影响。o采用齿轮传动设备完成运算。opascal从加法机的成功中得出结论：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以用机械模拟人的思维。o1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级语言向其表示敬意21Pascal机械加法机1642o史上第一台机械计算机o十进制运算o齿轮旋转完成加法o齿轮传动完成进位6543210987+786+543219-8-7-6-5-4-3-2-1-9221673年-G.Leibnitz乘法机器o1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，o步进轮可利用多次加法完成乘法o可以运行完整四则运算。o莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。23编程序？编程序？1805-Jacquard自动提花机24程序控制思想的萌芽o如何将人的思想传送给机器，让机器按人的意志自动执行。o1725年，法国纺织机械师B.Bouchon发明利用穿孔纸带控制印花的方法o1805J.Jacquard发明采用穿孔卡片的自动提花机o编程序编织花布251805Jacquard26271821年-Babbage差分机o1821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专门用于航海和天文计算。可处理3个5位数，计算精度达到6位小数。o“差分”是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。o20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。28DifferenceEngineo三个具有现代意义的装置n保存数据的寄存器（齿轮式装置）；从寄存器取出数据进行运算的装置，n机器的乘法以累次加法来实现；n控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置；o最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。29ThefirstprogrammerAdaAugustaoada描述了差分机如何进行编程，最早给出计算机程序设计的许多想法。o讨论预言了通用计算机的作用，控制卡、数据卡、操作卡o提出了存储位置或地址的想法o“循环”(looping)的概念o三角函数和级数相乘程序、贝努利函数程序30AnalyticalEngine31AnalyticalEngine32AnalyticalEngine331940MechanicalanalogmachinesdesignedbyLordKelvin34机电式计算机19世纪后期机械到电的飞跃赫尔曼霍勒斯制表机o赫尔曼霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形o1888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。36Punchedtape/cardoPunchedcardsacceleratedthedevelopmentoftwentiethcenturycommerceandindustry.37PunchedcardThe capacity was 2000 cards,or in modern parlance 20KBytes.It weighed 6.6Kg.38PunchedcardProcess39o1890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。1900年美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了1年零7个月时间。o霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入CTR（计算制表记录）公司o1924年IBM成立赫尔曼霍勒斯制表机401904年弗莱明发明真空电子二极管o1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。o电子管的诞生，是人类电子文明的起点。411906年弗雷斯特发明真空电子三极管o1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管。o在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增。o这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。42现代真空电子管431938年朱斯的Z系列计算机o1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1计算机o第一台采用二进制和真空电子管的计算机。o朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、Z-3和Z-4。Z-3使用了2600个继电器，在1944年美军对柏林进行的空袭中被炸毁。441943年英国“巨人”计算机Colossuso1943年英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军Enigma密码。o第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。o二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平均每小时破译11份德军情报45艾肯的MARKIo1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持下，研制成功机电式计算机MARK-I。o世界上最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。oMARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米，高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800公里电线，每分钟进行200次运算。46电子计算机的诞生世界上第一台电子数字计算机oENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。o18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，占地150平方米，运算速度5000次/秒左右。o尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础宣告人类进入电子计算机时代。o担任开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。48ENIAC49ENIAC50VacuumtubeinENIAC51InputPannel(42)52Cable53Programing54Debug(线路检查)55ENIAC&VonNeumann56ENIAC的问题o十进制计算机n每一位数由一圈共10个真空管表示o通过开关和插拔电缆进行手动编程n输入程序和数据可能需要半天时间o能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？oEVDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)57现代电子计算机之父o19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：o采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。58现代计算机理论基础o布尔代数o计算机三原则o图林机o维纳现代计算机五大原则o计算机开关电路o冯诺依曼计算机原理59布尔代数o1847和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要著作逻辑的数学分析和思维规律的研究，创立了逻辑代数。o逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。60阿塔纳索夫计算机三原则o阿塔纳索夫三原则；n采用二进制进行运算；n采用电子技术来实现控制和运算；n采用把计算功能和存储功能相分离的结构。o1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。其设计方案启发了ENIAC开发小组的莫克利，并直接影响到ENIAC的诞生。o1972年美国法院判决ENIAC的专利权无效，阿塔纳索夫拥有作为第一个电子计算机方案提出者的优先权。61图林机o1936年，24岁的英国数学家图林发表著名论文论可计算数及其在密码问题的应用，提出了“理想计算机”，后人称之为“图林机”。图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。o现代通用数字计算机的数学模型。o图林发表于1940年的另一篇著名论文计算机能思考吗？，对计算机的人工智能进行了探索，并设计了著名的“图林测验”。1954年图林英年早逝，年仅42岁。62TuringMachine,1936oAnabstractmodelofacomputingmachinen-afinitestatemachinen-aread/writeheadn-aninfinitescannabletapeofsymbols(e.g.,0sand1s)oAnyconceivablealgorithm canbereducedtoaTuringmachineoAuniversalmachine:canemulateanyconceivablecomputingmechanism631940年维纳现代计算机五原则o1940年美国科学家维纳阐述了对现代计算机的五点设计原则n数字式而不是模拟式；n以电子元件构成并尽量减少机械装置；n采用二进制而不是十进制；n内部存放计算表；n内部存储数据。o维纳在1948年完成了著作控制论，这不仅使维纳成为控制论的创始人，而且对计算机后来的发展和人工智能的研究产生了深刻的影响。64计算机开关电路o1938年，信息论的创始人、美国科学家香农发表论文继电器和开关电路的符号分析o首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。65采样定理（samplingtheorem）又称香农采样定理或者奈奎斯特采样定理或者奈奎斯特-香农定理。采样定理指出采样定理指出:如果信号是带限的，并且采样频率高于信如果信号是带限的，并且采样频率高于信号带宽的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中号带宽的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。完全重建出来。从采样定理中，我们可以得出以下结论：如果已知信号的最高频率fH，采样定理给出了保证完全重建信号的最低采样频率。这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特频率，通常表示为fN；相反，如果已知采样频率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信号频率。66u 比如声音信号（音频信号20 Hz20kHz），由人类发出的声音信号中，频率超过5 kHz的成分通常非常小，因此以10 kHz的频率来采样这样的音频信号就足够了。在第二种情况下，我们得假设信号中频率高于采样频率一半的频率成分可忽略不计。这通常是用一个低通滤波器来实现的。u 比如图像信号（模拟视频信号 DC4.5MHz），问题：一般视频AD和DA中的采用频率是多少？为什么要几十MHz，甚至上百MHz？采样定理（samplingtheorem）67香农定理（ShannonsTheorem）奈奎斯特定理奈奎斯特定理：Cmax=2Blog2L这里Cmax指的是信道的最大容量，B是信道的带宽，L还是信号电平的个数。奈奎斯特定理适用的情况是无噪声信道，用来计算理论值。没有噪声的信道在现实中是不存在的。香农定理香农定理：Cmax=Blog2（1+（S/N）其中C是链路速度；B是链路带宽；S是平均信号功率,N是平均噪声功率，S/N指的是信道的信噪比信噪比，常用分贝（dB）表示，分贝数=10log10（S/N）。68计算机的五代变化o第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理；o第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制o第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机o第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机；o第五代为1991年-至今，巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现。691946-1957第一代电子管计算机时代oUNIVAC埃克特和莫克利第一个进行批量生产的计算机。1951年，电脑开始走出实验室服务于社会与公众。1952年，UNIVAC因准确地预测美国总统大选结果而名声大噪。oEDVAC冯诺依曼1950问世的第一台并行计算机EDVAC，首次实现了冯诺依曼的两个重要设想：存储程序和采用二进制。oIBM7011952年IBM公司推出的IBM 701在商战中击败UNIVAC，不仅使IBM实现了全面的转型，更奠定了IBM产业霸主地位70存储器的出现o1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。71比尔盖茨曾说过o如果在80年代那位“眼光远大的工程师”没有贻误战机的话，今天可能就没有什么微软公司了。“我可能就在某个地方成了一位数学家，或一位律师，而我少年时代在个人计算机方面的迷恋只会成为我个人的某种遥远的回忆。”72高级语言的出现o1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一个高级程序语言FORTRAN，它被广泛用于科学计算。731958-1964晶体管造就第二代计算机o1947年，贝尔实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明点触型晶体管；1950年又发明了面结型晶体管。o晶体管体积小重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路结构大大改观，运算速度大幅提高。o肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。74o1955年，在美国原子能委员会的支持下，IBM和生产UNIVAC的兰德公司分别开始实施Stretch计划和LARC计划，希望设计更快速的计算机。o美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。oIBM公司于1958年制成的1401及后续的1410/1440系列计算机，是第二代计算机中的代表。75o计算机商务处理的开始o第二代计算机除了大量用于科学计算，还逐渐被工商企业用来进行商务处理，高级语言FORTRAN和COBOL因此也得到了广泛应用。761965-1971第三代计算机o1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。o集成电路的出现使得计算机脱胎换骨77世纪豪赌IBMS/360oS/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有360度”全方位的特点，因此得名。oIBM投入了50亿美元的研发费用，远远过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。781972-1990年第四代计算机o从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。79霍夫和Intel4004o1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。o1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统其包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器。80Intel4004p包含2300个晶体管，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。81Intel8008p1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。8008采用的是P沟道MOS微处理器，属第一代微处理器。828080第二代微处理器o1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。o主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。83Intel 8086 第三代微处理器o1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。o它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。84Z80微处理器oZilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。85第一台微型计算机：Altair8800o1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。oAltair定位在青年电脑迷市场 oPaul Allen和Bill Gates在三周内为Altair开发出BASIC语言，MITS成为两个未来富翁的第一个客户 86Appleo1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机Apple I，愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。oApple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时，使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。871981-PC元年o1980年7月，“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，次年8月12日，IBM公司宣布IBM PC诞生。oIBM将其命名为Personal ComputeroCPU为主频4.77MHz的Intel 8088oOS：Microsoft MS-DOS881991-至今第五代计算机o巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现89计算机的发展日新月异o从CPU的发展来看n40048008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4o从计算机的规模，运算速度上看，n巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机9091计算机的发展日新月异92HistoryofIntelCPUo19788086/80885-10MHzo1982802866-12MHzo1985Intel38616-33MHzo1989Intel486DX25-50MHzo1993Pentium60-233MHzo1997PentiumII233-450MHzo1999PentiumIII450M-1GHzo2000Pentium41.4-3.2GHz93第一代计算机o1946开始的电子管计算机时代o运算速度一般为每秒几千次到几万次，体积庞大，功耗大，价格昂贵，成本很高，可靠性较低。o存储器：水银延迟线o辅助存储器：磁鼓、纸带、卡片o使用机器语言/汇编语言，应用领域集中在科学计算o第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础94第二代计算机o1958开始的晶体管计算机时代o运算速度提高到每秒几万次到几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低，功耗降低。o主存储器：磁芯o辅助存储器：磁盘、磁带o在软件上出现了算法语言和操作系统应用领域从科学计算扩展到了数据处理。FORTRAN、ALGOL-60、COBOL95第三代计算机o1965开始的集成电路计算机时代o运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，功耗显著降低。o主存储器：半导体o在此期间，形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，“小型计算机”开始出现。o软件技术与计算机外围设备发展迅速。96第四代计算机o1971年开始,大规模/超大规模集成电路计算机时代o运算速度提高到每秒几百万次到几千万次，MIPS-GIPS-TIPS,可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低。o在此期间，“微型计算机”开始出现。o多机处理/网络化成为第四代计算机的一个重要特征97计算机发展的趋势o速度越来越快o体积越来越小o成本越来越低o功耗越来越低98计算机发展的6个规律oMoore定律：n微处理器内晶体管数每十八个月翻一番oBell定律：n如保持计算能力不变，微处理器价格，每十八个月减少一半；oGilder定律：n未来25年（1996年预言），主干网带宽每6个月增加一倍；oMetcalfe定律n网络价值同网络用户数的平方成正比。o半导体存储器发展规律：nDRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍o硬盘存储技术发展规律：n硬盘的密度每年增加约一倍99新摩尔定理 由于国际互联网及电子商务的超高速的由于国际互联网及电子商务的超高速的发展发展，从现在起，每从现在起，每1818个月个月,新增的存储量新增的存储量等于有史以来存储量之和等于有史以来存储量之和!19981998年图灵奖获得者年图灵奖获得者年图灵奖获得者年图灵奖获得者Jim GrayJim Gray100MooresLaw101近100年技术的变革o机械计算机,19世纪n齿轮,链条,滑轮,蒸汽机n穿孔卡片o机电计算机,20世纪早期n开关,继电器n水银延迟线o电子计算机,20世纪中期开始至今n线路连接板,真空管,CRT,晶体管nDRAM,磁存储102Proliferationin40sand50soFromMooreSchoolofEngineering,UofPennsylvanian-ENIAC,Eckert&Mauchly,1946n-EDVAC,vonNeumann,19441952n-EDSAC,Wilkes,1949(first stored program built)n-IAS,Bigelow,1952n-ORDVAC,SEAC,MANIAC,JOHNIAC,ILLIAC.oTheyarenotalone:n-ABC,AtanasoffandBerry,3942n-Z3,Z4,KonradZuselate30searly40sn-Colossus,AlanTuring,1943n-HarvardMarkI.,AikenoDontforgetsoftwareadvances-Fortran was already done in 1954103Commercializationinthe50soUNIVAC,1951,thefirstcommercialcomputerncontractprice$400K,actualcost$1M,sold48copiesoIBM701,1952,shipped20copiesn( Industry!before this,IBM had 4 non-compatible lines of computersn19combinationsofvaryingspeedandmemorycapacityfrom$200K$2Mnstilllivesontodayasthe“highly-profitable”IBMz900series104CheaperandFasterin60sand70soMinicomputersnDECPDP-8,1965,$20K,sizeoflargerefrigeratorsnlesspowerfulthan“mainframes”,10 xcheapernDepartmentalcomputers,timesharing-PDP-11andVAXsnenjoyedextremepopularityinthe70sand80soSupercomputersnperformanceatallcost!(ECL,liquid-cooling,hand-built,.)nBiggestcustomers:nationalsecurity,nuclearweapons,cryptography,(alsoaerospace,petroleum,automotive,pharmaceutical,sciences)check out http:/www.top500.org/nSeymourCray,19251996oworkedforUNIVACinitiallyolaterCDC6600and7600,thefirstsupersandpioneeredomanyofthehigh-performancetechniquesinusetodayoCrayResearchInc.andlaterCrayComputerCorp105The“KillerMicros”from70sandonoIntel 4004,first single chip CPUn4-bitprocessorforacalculator.n1Kdatamemoryn4Kprogrammemoryn2,300transistorsn16-pinDIPpackagen740kHz(eightclockcyclespernCPUcycleof10.8microseconds)n100KOPspersecond106IntelItanium2,2002oPerformance leader in floating-point appsn-64-bitprocessorn-3MByteincache!n-221milliontransistorsn-1GHz,issueupto8ninstructionspercycleoIn 30 years,about 100,000 fold growth in transistor count and performance!107EvolutionofSingle-ChipMicros1970s1980s1990s2010TransistorCount10K-100K100K-1M1M-100M1BClockFrequency0.2-2MHz2-20MHz20M-1GHz10GHzInstruction/Cycle0.10.1-0.90.9-2.010(?)MIPS/MFLOPStransistor-IC-VLSIndoublingevery1.5years:omemory capacity oprocessor speednDue to advances in technology andorganization113WhatisaComputer?Users ViewlApplication ProgramslOS UtilitieslHardware PeripheralsProgrammers ViewlHLL(e.g.C,C+,Pascal)mMachine independentlAssembly LanguagemInstructionsmMemorymRegistersArchitects ViewlData pathmRegisters,ALU,etc.lControl UnitlExternalsmMemory SystemmI/O SystemLogic Designers View32IR 2.031.031DecoderBus5 4 3321100=00 0 0CONinD QQCON114冯诺依曼思想o存储程序o程序控制o计算机五大功能部件115外围设备HOST存储器输入设备输出设备CPU运算器控制器计算机硬件系统的组成o运算器完成算术运算，逻辑运算o控制器控制指令的执行序列，根据指令的功能给出实现指令功能所需的控制信号o主存储器存放程序及数据o输入设备o输出设备BUS116VonNeumann117轻松一哈118硬件：对数字操作的机器系统o数字硬件：对数字进行处理、传输、和存储的硬件o转换硬件：将各种形式的信息转换为数字信息，或者将数字信息转换为各种形式的硬件（图像、声音、文字输入输出设备，目前重要的设备是显示器）119数字技术的三分天下o处理：CPU,DSP,计算机，服务器o传输：总线(CPU内部、系统总线,I/O总线),网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET,无线网）o存储：RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统RAID，NAS，SAN）120oo计算机分类、应用oo计算机发展简史oo计算机硬件系统oo计算机软件系统oo计算机系统层次结构121计算机软件系统o计算机硬件是载体，软件是灵魂。n系统软件n应用软件o一切程序的集合o固件：具有软件功能，具有硬件形态的部件122软件新定义o可运行的思想和内容的数字化o思想：算法、规律、办法-程序表达o内容：图形、图像、数据、声音、文字等o归结为程序和数据o软件的核心:算法o好的算法可以代替大量的硬件:FFT,MPEG123所有的硬件都是相似的，软件则各有各不同o各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（处理、传输、存储）o软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己的软件，所以是各不相同的o真正的价值体现在软件o硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件124计算机软件系统分类软件系统应用软件系统软件数据处理程序情报检索程序科学计算程序自动控制程序工业设计程序语言处理程序标准子程序SIN操作系统服务性程序系统125计算机系统硬件系统软件系统外设主机应用软件系统软件固件存储器CPU控制器输入设备输出设备运算器126oo计算机分类、应用oo计算机发展简史oo计算机硬件系统oo计算机软件系统oo计算机系统层次结构127传统机器级计算机系统的层次结构5.高级语言级4.汇编语言级3.操作系统级2.一般机器级1.微程序设计级128MachineStructureI/O systemProcessorCompilerOperating System(Unix;Windows 2000)Application(Netscape)Digital DesignCircuit DesignInstruction Set ArchitectureDatapath&Control transistors,IC layoutMemoryHardwareSoftwareAssembler本课程内容本课程内容129ComputerSystemAbstractions130FutureofComputersoEndofMooreslawnVLSItechnologypredictednottoscalepass2015 Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in electrons!BTW,this doesnt mean VLSI is finished,just no more scalingnmanypreviously-unimportantproblemswillstarttocreepinbetweennowandthen,e.g.,complexity,wiredelay,powerandreliabilityoNon-vonNeumannarchitecturesnparallelanddistributedprocessingnreconfigurablehardwarecomputingoNon-silicontechnologiesnnanotechnologies:carbonnanotubes,molecularswitchesnbiological/cellularcomputers:DNA,proteinsandenzymesnquantumcomputers:magneticresonanceandquantumdots.131132