概论计算机发展简史和分类ppt课件.ppt

第一章、计算机系统概述1 1. .本章主要内容•计算机发展简史•计算机分类、应用•计算机硬件系统•计算机软件系统•计算机系统层次结构2 2计算机发展简史•1717世纪之前，中国人的智慧之光世纪之前，中国人的智慧之光•1616世纪世纪-17-17世纪初期，西方人的灵感世纪初期，西方人的灵感•1717世纪中期世纪中期-19-19世纪中期世纪中期 先驱的探索先驱的探索– –机械式计算机机械式计算机•1919世纪后期世纪后期 机械到电的飞跃机械到电的飞跃– –机电式计算机机电式计算机•2020世纪世纪 电子文明的曙光电子文明的曙光– –电子计算机电子计算机3 317世纪以前中国人的智慧之光4 4. .最古老的计算工具• •算筹春秋时期出现纵式和横式表示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、开方及其自然数，可进行加减乘除、开方及其它的代数计算它的代数计算• •一纵十横，百立千僵一纵十横，百立千僵 ，，“ “运筹帷幄运筹帷幄” ”• •负数出现后，算筹分红黑两种，红筹负数出现后，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，在当时世界上是独工具和运算方法，在当时世界上是独一无二的一无二的 • •祖冲之用祖冲之用1515年时间计算圆周率，精确年时间计算圆周率，精确到小数点后到小数点后7 7位位5 5最古老的计算器•算盘被誉作中国算盘被誉作中国“ “第五大发明第五大发明” ”，，•陕西歧山西周宫室遗址中出土了陕西歧山西周宫室遗址中出土了9090粒青黄两色陶丸，青色粒青黄两色陶丸，青色2020粒，粒，黄色黄色7070粒，将算盘的发明时间已粒，将算盘的发明时间已经提前到二千多年前的西周时期经提前到二千多年前的西周时期•“ “价格低廉，绝无故障，节约能价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养源，十年中无需任何保养” ” 6 616世纪-17世纪初期西方人的灵感7 7. .1621年冈特计算尺• •在发明计算机之前，计算尺是科学研究、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用最便捷、最有价值的计算工具• •在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺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为人类进步、世界文明作出了无法估量的伟大贡献的伟大贡献。

8 8达芬奇机械式计算机•15001500年达芬奇手稿关于年达芬奇手稿关于机械式计算工具的描述机械式计算工具的描述•后人根据达芬奇手稿仿制后人根据达芬奇手稿仿制的机械式计算机的机械式计算机 9 917世纪中期-19世纪中期 先驱的探索机械式计算机1010. .1642年PASCAL(1623)加法机•法国数学家、物理学家和思想家法国数学家、物理学家和思想家•人类史上第一台机械式计算机，其原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理对后续计算机产生了持久的影响•采用齿轮传动设备完成运算，穿孔卡采用齿轮传动设备完成运算，穿孔卡存储数据存储数据•pascalpascal从加法机的成功中得出结论：人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，的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械模拟人的思维因此可以设想用机械模拟人的思维•19711971年瑞典人年瑞典人沃斯沃斯发明发明PASCALPASCAL高级语高级语言向其表示敬意言向其表示敬意11111673年G.Leibnitz乘法机器•16731673年，德国数学家莱布尼年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，兹发明乘法机，•步进轮可利用多次加法完成步进轮可利用多次加法完成乘法乘法•可以运行完整的四则运算的可以运行完整的四则运算的计算机。

计算机•莱布尼兹同时还提出了莱布尼兹同时还提出了“ “可可以用机械代替人进行繁琐重以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作复的计算工作” ”的伟大思想，的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机求新的计算机12121805 Jacquard 1313程序控制思想的萌芽•如何将人的思想传送给机器，让机器按人的意志自动执行 •1725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•1805 J.Jacquard 发明采用穿孔卡片的自动提花机•编程序＝编织花布14141805 Jacquard 151516161821年Babbage差分机•18211821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，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专门用于航海和天文计算可处理3 3个个5 5位位数，计算精度达到数，计算精度达到6 6位小数 •“ “差分差分” ”是把函数表的复杂算式转化为差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分运算，用简单的加法代替平方运算•2020岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花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了程序控制的灵光────它能够按照设计者的它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。

旨意，自动处理不同函数的计算过程 1717Difference Engine•三个具有现代意义的装置– –保存数据的寄存器（齿轮式装置）；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，从寄存器取出数据进行运算的装置，– –机器的乘法以累次加法来实现；机器的乘法以累次加法来实现；– –控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置；果的装置；•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1818 The first programmer Ada Augusta •adaada描述了分析机如何进行编描述了分析机如何进行编程，最早给出计算机程序设程，最早给出计算机程序设计的许多想法计的许多想法•讨论预言了通用计算机的作讨论预言了通用计算机的作用，控制卡、数据卡、操作用，控制卡、数据卡、操作卡卡 •提出了存储位置或地址的想提出了存储位置或地址的想法法 •“ “循环循环” ”(looping)(looping)的概念的概念•三角函数和级数相乘程序、三角函数和级数相乘程序、伯努利函数程序伯努利函数程序 1919Analytical Engine2020Analytical Engine2121Analytical Engine22221940 Mechanical analog machines designed by Lord Kelvin 2323机电式计算机19世纪后期 机械到电的飞跃2424. .赫尔曼·霍勒斯制表机•赫尔曼赫尔曼· ·霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形•18881888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数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。

据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置2525Punched tape/card•Punched cards accelerated the development of Punched cards accelerated the development of twentieth century commerce and industry. twentieth century commerce and industry. 2626Punched cardThe capacity was 2000 cards, or in modern parlance 20KBytes. It weighed 6.6Kg. 2727Punched card Process2828•18901890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机19001900年美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理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工作只用了1 1年零年零7 7个月时间个月时间•霍勒斯于霍勒斯于18961896年创立了制表机公司，年创立了制表机公司，19111911年该公司并年该公司并入入CTRCTR（计算制表记录）公司（计算制表记录）公司•19241924年年IBMIBM成立成立赫尔曼·霍勒斯制表机29291904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30301906年弗雷斯特发明真空电子三极管•19061906年，美国人德弗雷斯特年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管发明电子三极管•在研究中发现，三极管可以在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增通过级联使放大倍数大增•这使得三极管的实用价值大这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展通信技术的迅速发展3131现代真空电子管32321938年朱斯的Z系列计算机•19381938年，德国科学家朱斯制造出年，德国科学家朱斯制造出Z-Z-1 1计算机计算机•第一台采用二进制和真空电子管的第一台采用二进制和真空电子管的计算机•朱斯先后研制出采用继电器的朱斯先后研制出采用继电器的Z-2Z-2、、Z-3Z-3和和Z-4Z-4Z-3Z-3使用了使用了26002600个继电个继电器，在器，在19441944年美军对柏林进行的空年美军对柏林进行的空袭中被炸毁袭中被炸毁33331943年英国“巨人”计算机Colossus•19431943年英国科学家研制成功第一年英国科学家研制成功第一台台“ “巨人巨人” ”计算机，专门用于破计算机，专门用于破译德军译德军EnigmaEnigma密码。

密码•第一台第一台“ “巨人巨人” ”有有15001500个电子管，个电子管，5 5个处理器并行工作，每个处理个处理器并行工作，每个处理器每秒处理器每秒处理50005000个字母•二战期间共有二战期间共有1010台台“ “巨人巨人” ”在英在英军服役，平均每小时破译军服役，平均每小时破译1111份德份德军情报军情报3434艾肯的MARK—I•19441944年，美国科学家艾肯在年，美国科学家艾肯在IBMIBM的支持的支持下，研制成功机电式计算机下，研制成功机电式计算机MARK-IMARK-I•世界上最早的通用型自动世界上最早的通用型自动机电式计算机电式计算机机之一，它之一，它取消了齿轮传动取消了齿轮传动装置，以装置，以穿孔纸带传送指令穿孔纸带传送指令•MARK-1MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长外壳用钢和玻璃制成，长1515米，米，高高2.42.4米，自重米，自重31.531.5吨，使用了吨，使用了1515万个万个元件和元件和800800公里电线，每分钟进行公里电线，每分钟进行200200次运算3535电子计算机的诞生3636. .世界上第一台电子数字计算机•ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，，美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学19461946年研制成功。

年研制成功•1800018000多个电子管，多个电子管，15001500多个继电器，耗电多个继电器，耗电150150千瓦，重千瓦，重3030吨，占地吨，占地150150平方米，运算速度平方米，运算速度50005000次次/ /秒左右•尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，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计算机的基础宣告人类进入电子计算机时代•担开发任务的担开发任务的“ “莫尔小组莫尔小组” ”由四位科学家和工程师埃克特、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莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅年仅2424岁3737ENIAC3838ENIAC3939Vacuum tube in ENIAC4040Input Pannel (42)4141Cable4242Programing4343Debug(线路检查)4444ENIAC & Von Neumann4545ENIAC的问题•十进制计算机十进制计算机– –每一位数由一圈共每一位数由一圈共1010个真空管表示个真空管表示•通过开关和插拔电缆进行手动编程通过开关和插拔电缆进行手动编程 – –输入程序和数据可能需要半天时间输入程序和数据可能需要半天时间•能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？？能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？？•EVDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic EVDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)Computer)4646现代电子计算机之父•1944~19451944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯年间，美籍匈牙利科学家冯· ·诺伊曼在第一诺伊曼在第一台现代计算机台现代计算机ENIACENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型一个新机型EDVACEDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：的设计方案，其中提到了两个设想：•采用二进制和采用二进制和“ “存储程序存储程序” ”。

这两个设想对于现代计算这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯机至关重要，也使冯· ·诺伊曼成为诺伊曼成为“ “现代电子计算机之现代电子计算机之父父” ”，冯，冯· ·诺伊曼机体系延续至今诺伊曼机体系延续至今4747现代计算机理论基础•逻辑代数逻辑代数•计算机三原则计算机三原则•图林机图林机•维纳现代计算机五大原则维纳现代计算机五大原则•计算机开关电路计算机开关电路•冯诺依曼计算机原理冯诺依曼计算机原理4848逻辑代数•18471847和和18541854年，英国数学家年，英国数学家布尔发表了两部重要著作布尔发表了两部重要著作《《逻辑的数学分析逻辑的数学分析》》和和《《思思维规律的研究维规律的研究》》，创立了逻，创立了逻辑代数•逻辑代数系统采用二进制，逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和是现代电子计算机的数学和逻辑基础逻辑基础4949阿塔纳索夫计算机三原则•阿塔纳索夫三原则；阿塔纳索夫三原则；– –采用二进制进行运算；采用二进制进行运算；– –采用电子技术来实现控制和运算；采用电子技术来实现控制和运算；– –采用把计算功能和存储功能相分离的结构采用把计算功能和存储功能相分离的结构。

•19391939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ “ABCABC机机” ”，但未能完工其设计方案启发了，但未能完工其设计方案启发了ENIACENIAC开发小开发小组的莫克利，并直接影响到组的莫克利，并直接影响到ENIACENIAC的诞生•19721972年美国法院判决年美国法院判决ENIACENIAC的专利权无效，阿塔纳索夫拥的专利权无效，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有作为第一个电子计算机方案提出者的优先权5050图林机• •19361936年，年，2424岁的英国数学家图林发表著名论文岁的英国数学家图林发表著名论文《《论可计算数及论可计算数及其在密码问题的应用其在密码问题的应用》》，提出了，提出了“ “理想计算机理想计算机” ”，后人称之为，后人称之为“ “图林机图林机” ”图林通过数学证明得出理论上存在图林通过数学证明得出理论上存在“ “通用图林机通用图林机” ”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为，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。

以制造出来的 • •现代通用数字计算机的数学模型现代通用数字计算机的数学模型• •图林发表于图林发表于19401940年的另一篇著名论文年的另一篇著名论文《《计算机能思考吗？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“ “图林测验图林测验” ”19541954年图林英年早逝，年仅年图林英年早逝，年仅4242岁5151Turing Machine, 1936• •An abstract model of a computing machineAn abstract model of a computing machine– –- a finite state machine- a finite state machine– –- a read/write head- a read/write head– –- an infinite scannable tape of symbols (e.g., 0s and 1s)- an infinite scannable tape of symbols (e.g., 0s and 1s)• •Any conceivable Any conceivable algorithm algorithm can be reduced to a Turing machinecan be reduced to a Turing machine• •A universal machine: can emulate any conceivable computing mechanismA universal machine: can emulate any conceivable computing mechanism52521940年维纳现代计算机五原则•19401940年美国科学家维纳阐述了对现代计算机的五点设计年美国科学家维纳阐述了对现代计算机的五点设计原则原则– –数字式而不是模拟式；数字式而不是模拟式；– –以电子元件构成并尽量减少机械装置；以电子元件构成并尽量减少机械装置；– –采用二进制而不是十进制；采用二进制而不是十进制；– –内部存放计算表；内部存放计算表；– –内部存储数据。

内部存储数据•维纳在维纳在19481948年完成了著作年完成了著作《《控制论控制论》》，这不仅使维纳成，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能的研究产生了深刻的影响5353计算机开关电路•19381938年，信息论的创始人、美国科学年，信息论的创始人、美国科学家香农发表论文家香农发表论文《《继电器和开关电路继电器和开关电路的符号分析的符号分析》》•首次阐述了如何将布尔代数运用于逻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辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础电路的理论基础5454 IAS计算机（Institute of Advance Study）•主存储器 用于存储数据和指令•能操作二进制数的算术逻辑单元•控制单元，翻译内存中的指令并执行•有控制单元操纵的输入、输出设备•1946-1952 通用计算机的原型55551946-1959 第一代电子管计算机时代•UNIVAC UNIVAC 埃克特和莫克利埃克特和莫克利第一个进行批量生产的计算机。

第一个进行批量生产的计算机 19511951年，电脑开始走出实验室服务年，电脑开始走出实验室服务于社会与公众于社会与公众19521952年，年，UNIVACUNIVAC因准确地预测美国总统大选结果而因准确地预测美国总统大选结果而名声大噪名声大噪•EDVACEDVAC 冯诺依曼冯诺依曼 19501950问世的第一台并行计算机问世的第一台并行计算机EDVACEDVAC，首次实现了冯，首次实现了冯· ·诺依曼的两诺依曼的两个重要设想：存储程序和采用二进制个重要设想：存储程序和采用二进制•IBM 701IBM 701 19521952年年IBMIBM公司推出的公司推出的IBM 701IBM 701在商战中击败在商战中击败UNIVACUNIVAC，不仅使，不仅使IBMIBM实实现了全面的转型，更奠定了现了全面的转型，更奠定了IBMIBM产业霸主地位产业霸主地位5656存储器的出现•19511951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBMIBM于于19561956年购买了这项技术专利年购买了这项技术专利5757比尔·盖茨曾说过•如果在如果在8080年代那位年代那位“ “眼光远大的工程师眼光远大的工程师” ”没有贻没有贻误战机的话，今天可能就没有什么微软公司了。

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律师，而我少年时代在个人计算机方面的迷恋 只只会成为我个人的某种遥远的回忆会成为我个人的某种遥远的回忆 ” 5858高级语言的出现•1956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59591959-1964晶体管造就第二代计算机•19471947年，贝尔实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明年，贝尔实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明点触型晶体管；点触型晶体管；19501950年又发明了面结型晶体管年又发明了面结型晶体管•晶体管体积小、重量轻、寿命长、发热少、功耗晶体管体积小、重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路结构大大改观，运算速度大幅提高低，电子线路结构大大改观，运算速度大幅提高•肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于19561956年共同获得诺贝尔物理学奖年共同获得诺贝尔物理学奖6060•19551955年，在美国原子能委员会的支持下，年，在美国原子能委员会的支持下，IBMIBM和生产和生产UNIVACUNIVAC的兰德公司分别开始实施的兰德公司分别开始实施 StretchStretch计划和计划和LARCLARC计划，计划，希望设计更快速的计算机。

希望设计更快速的计算机•美国贝尔实验室于美国贝尔实验室于19541954年研制成功第一台使用晶体管的第年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机二代计算机TRADICTRADIC相比采用定点运算的第一代计算机，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•IBMIBM公司于公司于19581958年制成的年制成的14011401及后续的及后续的1410/14401410/1440系列计系列计算机，是第二代计算机中的代表算机，是第二代计算机中的代表6161•计算机商务处理的开始计算机商务处理的开始•第二代计算机除了大量用于科学计算，还逐渐被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，高级语言工商企业用来进行商务处理，高级语言FORTRANFORTRAN和和COBOLCOBOL因此也得到了广泛应用因此也得到了广泛应用62621964-1970 第三代计算机•19581958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路集成电路•集成电路的出现使得计算机脱胎换骨集成电路的出现使得计算机脱胎换骨6363世纪豪赌 IBM S/360•S/360S/360极强的通用性适用于各极强的通用性适用于各方面的用户，它具有方面的用户，它具有360360度度” ”全方位的特点，因此得名。

全方位的特点，因此得名•IBMIBM投入了投入了5050亿美元的研发亿美元的研发费用，远远过制造原子弹的费用，远远过制造原子弹的“ “曼哈顿计划曼哈顿计划” ”的的2020亿美元64641970至今 第四代计算机•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•随着技术的进展，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、中型机、小型机和微型机、单片机6565霍夫和Intel 4004 •19711971年年1 1月，月，IntelIntel公司的霍夫研制成功世界上第公司的霍夫研制成功世界上第一块一块4 4位微处理器芯片位微处理器芯片Intel 4004Intel 4004，标志着第一代，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微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始•19711971年年1111月，月，IntelIntel推出推出MCS-4MCS-4微型计算机系统其微型计算机系统其包括包括4001 ROM4001 ROM芯片、芯片、4002 RAM4002 RAM芯片、芯片、40034003移位移位寄存器芯片和寄存器芯片和40044004微处理器。

微处理器6666Intel 4004p包含包含23002300个晶体管，计算性个晶体管，计算性能远远超过当年的能远远超过当年的ENIACENIAC，，最初售价为最初售价为200200美元 6767Intel 8008p19721972年年4 4月，霍夫等人开月，霍夫等人开发出第一个发出第一个8 8位微处理器位微处理器Intel 8008Intel 800880088008采用的采用的是是P P沟道沟道MOSMOS微处理器，微处理器，属第一代微处理器属第一代微处理器 68688080 第二代微处理器•19731973年年8 8月，霍夫等人研制出月，霍夫等人研制出8 8位微处理器位微处理器Intel 8080Intel 8080，以，以N N沟道沟道MOSMOS电路取代了电路取代了P P沟道，第二代微处理器就此诞生沟道，第二代微处理器就此诞生 •主频主频2MHz2MHz的的80808080芯片运算速度比芯片运算速度比80088008快快1010倍，可存取倍，可存取64KB64KB存储器，使用了基于存储器，使用了基于6 6微米技术的微米技术的60006000个晶体管，处个晶体管，处理速度为理速度为0.64MIPS0.64MIPS。

6969Intel 8086 第三代微处理器•19781978年年6 6月，月，IntelIntel推出推出4.77MHz4.77MHz的的80868086微处理器，标微处理器，标志着第三代微处理器问世志着第三代微处理器问世•它采用它采用1616位寄存器、位寄存器、1616位数位数据总线和据总线和2900029000个个3 3微米技术微米技术的晶体管，售价的晶体管，售价360360美元 7070Z80微处理器 •ZilogZilog公司于公司于19761976年开发的年开发的Z80Z80微处理器，广泛用微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备当时，于微型计算机和工业自动控制设备当时，zilogzilog、、MotorolaMotorola和和IntelIntel在微处理器领域三足鼎立在微处理器领域三足鼎立7171第一台微型计算机：Altair 8800 •19751975年年4 4月，月，MITSMITS发布第一个通发布第一个通用型用型Altair 8800Altair 8800，售价，售价375375美元，美元，带有带有1KB1KB存储器这是世界上第存储器这是世界上第一台微型计算机。

一台微型计算机 •AltairAltair定位在青年电脑迷市场定位在青年电脑迷市场 •Paul AllenPaul Allen和和Bill GatesBill Gates在三周在三周内为内为AltairAltair开发出开发出BASICBASIC语言，语言，MITSMITS成为两个未来富翁的第一个成为两个未来富翁的第一个客户客户 7272Apple•19761976年年3 3月，月，Steve WozniakSteve Wozniak和和Steve JobsSteve Jobs开发出微型计算机开发出微型计算机Apple IApple I，愚人节这天，两个，愚人节这天，两个SteveSteve成立了成立了AppleApple计算机公司计算机公司 •Apple IIApple II是第一个带有彩色图形的是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为个人计算机，售价为13001300美元Apple IIApple II及其系列改进机型风靡一及其系列改进机型风靡一时，使时，使AppleApple成为微型机时代最成成为微型机时代最成功的计算机公司功的计算机公司 73731981-PC元年•19801980年年7 7月，月，“ “跳棋计划跳棋计划” ”的的1313人人小组秘密来到佛罗里达州波克罗小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的顿镇的IBMIBM研究发展中心，次年研究发展中心，次年8 8月月1212日，日，IBMIBM公司宣布公司宣布IBM PCIBM PC诞生。

诞生•IBMIBM将其命名为将其命名为Personal Personal ComputerComputer•CPUCPU为主频为主频4.77MHz4.77MHz的的Intel 8088Intel 8088•OSOS：：Microsoft MS-DOSMicrosoft MS-DOS7474计算机的发展日新月异•从CPU的发展来看 –40044004－－>8008->8086->8088->80186->8008->8086->8088->80186->80286->80386->80486-586->pentium->PII->80286->80386->80486-586->pentium->PII->PIII->P4>PIII->P4•从计算机的规模，运算速度上看，–巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机单片机75757676计算机的发展日新月异7777History of Intel® CPU•က က1978 8086/8088 5-10 MHz1978 8086/8088 5-10 MHz•က က1982 80286 6-12 MHz1982 80286 6-12 MHz•က က1985 Intel3861985 Intel386™™ 16-33 MHz 16-33 MHz•က က1989 Intel4861989 Intel486™™DX 25-50 MHzDX 25-50 MHz•က က1993 Pentium1993 Pentium®® 60-233 MHz 60-233 MHz•က က1997 Pentium1997 Pentium®® II 233-450 MHz II 233-450 MHz•က က1999 Pentium1999 Pentium®® III 450M-1G Hz III 450M-1G Hz•က က2000 Pentium2000 Pentium®® 4 1.4-3.2 GHz 4 1.4-3.2 GHz7878第一代计算机•19461946开始的电子管计算机时代开始的电子管计算机时代•运算速度一般为每秒几千次到几万次，体积庞大，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。

功耗大，价格昂贵，成本很高，可靠性较低•存储器存储器 ：：水银延迟线水银延迟线 •辅助存储器：辅助存储器：磁鼓、纸带、卡片磁鼓、纸带、卡片 •使用机器语言使用机器语言/ /汇编语言，应用领域集中在科学汇编语言，应用领域集中在科学计算计算•第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础7979第二代计算机•19581958开始的晶体管计算机时代开始的晶体管计算机时代 •运算速度提高到每秒几万次到几十万次，可靠性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，功耗降低提高，体积缩小，成本降低，功耗降低•主存储器：主存储器：磁芯磁芯 •辅助存储器：辅助存储器：磁盘、磁带磁盘、磁带 •在软件上出现了算法语言和操作系统应用领域从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科学计算扩展到了数据处理FORTRAN、ALGOL-60、COBOL 8080第三代计算机•19651965开始的集成电路计算机时代开始的集成电路计算机时代•运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，可靠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。

低，功耗显著降低•主存储器：主存储器：半导体半导体•在此期间，形成机种多样化，生产系列化，使用在此期间，形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，系统化，“ “小型计算机小型计算机” ”开始出现开始出现•软件技术与计算机外围设备发展迅速软件技术与计算机外围设备发展迅速8181第四代计算机•19711971年开始年开始, ,大规模大规模/ /超大规模集成电路计算机时超大规模集成电路计算机时代代•运算速度提高到每秒几百万次到几千万次，运算速度提高到每秒几百万次到几千万次，MIPS->GIPS->TIPS,MIPS->GIPS->TIPS,可靠性更进一步提高，体积可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低更进一步缩小，成本更进一步降低•在此期间，在此期间，“ “微型计算机微型计算机” ”开始出现开始出现•多机处理多机处理/ /网络化成为第四代计算机的一个重要特网络化成为第四代计算机的一个重要特征征8282计算机发展的趋势• 速度越来越快• 体积越来越小• 成本越来越低• 功耗越来越低8383计算机发展的6个规律• •MooreMoore定律：定律：– –微处理器内晶体管数每十八个月翻一番；微处理器内晶体管数每十八个月翻一番；• •BellBell定律：定律： – –如保持计算能力不变，微处理器价格，每十八个月减少一半；如保持计算能力不变，微处理器价格，每十八个月减少一半；• •GilderGilder定律：定律： – –未来未来2525年（年（19961996年预言），主干网带宽每年预言），主干网带宽每6 6个月增加一倍；个月增加一倍；• •MetcalfeMetcalfe定律定律 – –网络价值同网络用户数的平方成正比。

网络价值同网络用户数的平方成正比• •半导体存储器发展规律：半导体存储器发展规律：– –DRAMDRAM密度每年增加密度每年增加60%60%，每三年翻四倍，每三年翻四倍• •硬盘存储技术发展规律：硬盘存储技术发展规律：– –硬盘的密度每年增加约一倍硬盘的密度每年增加约一倍8484新摩尔定理 由于国际互联网及电子商务的超高速由于国际互联网及电子商务的超高速的发展的发展，，从现在起，每从现在起，每1818个月个月, ,新增的存储新增的存储量等于有史以来存储量之和量等于有史以来存储量之和! ! ———1998———1998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 Gray8585Moore’s Law8686近100年技术的变革•机械计算机机械计算机, 19, 19世纪世纪– – 齿轮齿轮, , 链条链条, , 滑轮滑轮, , 蒸汽机蒸汽机– – 穿孔卡片穿孔卡片•机电计算机机电计算机, 20, 20世纪早期世纪早期– –开关开关, ,继电器继电器– –水银延迟线水银延迟线•电子计算机电子计算机, 20, 20世纪中期开始至今世纪中期开始至今– –线路连接板线路连接板, , 真空管真空管, CRT,, CRT,晶体管晶体管– –DRAM, DRAM, 磁存储磁存储8787Proliferation in 40s and 50s• •From Moore School of Engineering, U of PennsylvaniaFrom Moore School of Engineering, U of Pennsylvania– –- ENIAC, Eckert & Mauchly, 1946- ENIAC, Eckert & Mauchly, 1946– –- EDVAC, von Neumann, 1944~1952- EDVAC, von Neumann, 1944~1952– –- EDSAC, Wilkes, 1949 - EDSAC, Wilkes, 1949 (first stored program built)(first stored program built)– –- IAS, Bigelow, 1952- IAS, Bigelow, 1952– –- ORDVAC, SEAC, MANIAC, JOHNIAC, ILLIAC ...- ORDVAC, SEAC, MANIAC, JOHNIAC, ILLIAC ...• •They are not alone:They are not alone:– –- ABC, Atanasoff and Berry, 39~42- ABC, Atanasoff and Berry, 39~42– –- Z3, Z4, Konrad Zuse late 30- Z3, Z4, Konrad Zuse late 30’ ’s early 40s early 40’ ’s s– –- Colossus, Alan Turing, 1943- Colossus, Alan Turing, 1943– –- Harvard Mark I ...., Aiken- Harvard Mark I ...., Aiken• •DonDon’ ’t forget software advances---t forget software advances---Fortran was already done in 1954Fortran was already done in 19548888Commercialization in the 50s• •UNIVAC, 1951, the first commercial computerUNIVAC, 1951, the first commercial computer– –contract price $400K, actual cost ~$1M, sold 48 copiescontract price $400K, actual cost ~$1M, sold 48 copies• •IBM 701, 1952, shipped 20 copiesIBM 701, 1952, shipped 20 copies– –( –leased at $15K per monthleased at $15K per month• •IBM 650, 1953, mass produced ~2000 unitsIBM 650, 1953, mass produced ~2000 units– –$200K ~ 400K$200K ~ 400K• •IBM System/360, 1964IBM System/360, 1964– –a family of binary compatible computer a family of binary compatible computer Redefines Industry!Redefines Industry! before this, IBM had 4 non-compatible lines of computers before this, IBM had 4 non-compatible lines of computers– –19 combinations of varying speed and memory capacity19 combinations of varying speed and memory capacity from $200K ~ $2M from $200K ~ $2M– – still lives on today as the still lives on today as the “ “highly-profitablehighly-profitable” ” IBM z900 series IBM z900 series8989Cheaper and Faster in 60s and 70s• •MinicomputersMinicomputers– – DEC PDP-8, 1965, $20K, size of large refrigerators DEC PDP-8, 1965, $20K, size of large refrigerators– – less powerful than less powerful than “ “mainframesmainframes” ”, 10x cheaper, 10x cheaper– – Departmental computers, timesharing---PDP-11 and VAXs Departmental computers, timesharing---PDP-11 and VAXs– –enjoyed extreme popularity in the 70s and 80senjoyed extreme popularity in the 70s and 80s• •SupercomputersSupercomputers– – performance at all cost!! (ECL, liquid-cooling, hand-built,...) performance at all cost!! (ECL, liquid-cooling, hand-built,...)– – Biggest customers: national security, nuclear weapons, Biggest customers: national security, nuclear weapons, cryptography, (also aerospace, petroleum, automotive, cryptography, (also aerospace, petroleum, automotive, pharmaceutical, sciences) pharmaceutical, sciences) check out http://www.top500.org/check out http://www.top500.org/– – Seymour Cray, 1925~1996 Seymour Cray, 1925~1996• •worked for UNIVAC initiallyworked for UNIVAC initially• •later CDC 6600 and 7600, the first supers and pioneeredlater CDC 6600 and 7600, the first supers and pioneered• •many of the high-performance techniques in use todaymany of the high-performance techniques in use today• •Cray Research Inc. and later Cray Computer CorpCray Research Inc. and later Cray Computer Corp9090The “Killer Micros” from 70s and on• •Intel 4004, first single chip CPUIntel 4004, first single chip CPU– – 4-bit processor for a calculator. 4-bit processor for a calculator.– –1K data memory1K data memory– –4K program memory4K program memory– –2,300 transistors2,300 transistors– –16-pin DIP package16-pin DIP package– –740kHz (eight clock cycles per740kHz (eight clock cycles per– –CPU cycle of 10.8 microseconds)CPU cycle of 10.8 microseconds)– –~100K OPs per second~100K OPs per second9191Intel Itanium 2, 2002• •Performance leader inPerformance leader in floating-point apps floating-point apps– –- 64-bit processor- 64-bit processor– –- 3 MByte in cache!!- 3 MByte in cache!!– –- 221 million transistors- 221 million transistors– –- 1 GHz, issue up to 8- 1 GHz, issue up to 8– –instructions per cycleinstructions per cycle• •In ~30 years, about In ~30 years, about 100,000 fold growth in 100,000 fold growth in transistor count and transistor count and performance!performance!9292Evolution of Single-Chip Micros19701970’ ’s s19801980’ ’s s19901990’ ’s s20102010Transistor CountTransistor Count10K-100K10K-100K100K-1M100K-1M1M-100M1M-100M1B1BClock FrequencyClock Frequency0.2-2MHz0.2-2MHz2-20MHz2-20MHz20M-1GHz20M-1GHz10GHz10GHzInstruction/CycleInstruction/Cycle< 0.1< 0.10.1-0.90.1-0.90.9- 2.00.9- 2.010 (?)10 (?)MIPS/MFLOPSMIPS/MFLOPS< 0.2< 0.20.2-200.2-2020-2,00020-2,000100,000100,0009393我国计算机技术的发展•19531953年开始，年开始，19581958年研究出第一台计算机年研究出第一台计算机103103型通用计算型通用计算机。

机•5050年来相继研究出了第二代，第三代计算机年来相继研究出了第二代，第三代计算机•8080年代研究出了每秒１亿次的巨型机，银河年代研究出了每秒１亿次的巨型机，银河I,II,I,II,其他如曙其他如曙光天演光天演( (清华清华BBS,BBS,学校高性能计算中心学校高性能计算中心) )19851985年年6 6月，中月，中国第一台自行研制的微机长城国第一台自行研制的微机长城05200520研制成功，其广告词研制成功，其广告词是：是：“ “一台我们自己制造的能够处理中文的电脑一台我们自己制造的能够处理中文的电脑” ” •在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部件机的核心部件CPUCPU技术还远远落后技术还远远落后•中科院研究开发的龙芯／中科院研究开发的龙芯／GODSONGODSON94949595本章主要内容•计算机发展简史•计算机分类、应用•计算机硬件系统•计算机软件系统•计算机系统层次结构9696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巨型机大型机中型机小型机微型机单片机97972.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06））1. .IBM: Seaborg6 080个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF (1012)98982. .IBM: ASCI White8 192个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF (1012)2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06））99992.13. .Linux NetworX : MCR Linux Cluster 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06））2 304个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.634 TF (1012)1001002.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06））4. HP : ASCI Q4 096个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF (1012)1011012.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06））5. .NEC: Earth Simulator5 120个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF (1012)102102•计算机发展简史•计算机分类、应用•计算机硬件系统•计算机软件系统•计算机系统层次结构103103计算机硬件系统•计算机硬件：一切构成计算机的物理实体•计算机的基础理论大部分已经有50年。

•但是计算机的关键部件没有大的改变104104What is a computer ?•Components:Components:– –input (mouse, keyboard)input (mouse, keyboard)– –output (display, printer)output (display, printer)– –memory (disk drives, DRAM, SRAM, CD)memory (disk drives, DRAM, SRAM, CD)– –NetworkNetwork•Rapidly changing field:Rapidly changing field:– –vacuum tube -> transistor -> IC -> VLSIvacuum tube -> transistor -> IC -> VLSI– –doubling every 1.5 years:doubling every 1.5 years:• •memory capacity memory capacity • •processor speedprocessor speed– –Due to advances in technology andorganizationDue to advances in technology andorganization105105What is a Computer?User’s ViewlApplication ProgramslOS UtilitieslHardware PeripheralsProgrammer’s ViewlHLL (e.g. C, C++, Pascal)mMachine independentlAssembly LanguagemInstructionsmMemorymRegistersArchitect’s ViewlData pathmRegisters, ALU, etc.lControl UnitlExternalsmMemory SystemmI/O SystemLogic Designer’s View32IR 2..031..031DecoderBus5 4 3321100=00 0< 0CONinD CON106106冯诺依曼思想•存储程序•程序控制•计算机五大功能部件107107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•运算器运算器完成算术运算，逻完成算术运算，逻辑运算辑运算•控制器控制器控制指令的执行序控制指令的执行序列，根据指令的功能给出列，根据指令的功能给出实现指令功能所需的控制实现指令功能所需的控制信号信号•主存储器主存储器存放程序及数据存放程序及数据•输入设备输入设备•输出设备输出设备BUS108108Von Neumann109109硬件：对数字操作的机器系统•数字硬件： 对数字进行处理、传输、和存储的硬件对数字进行处理、传输、和存储的硬件•转换硬件： 将各种形式的信息转换为数字信息，或者将数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）字输入输出设备，目前重要的设备是显示器）110110数字技术的三分天下•处理：CPU, DSP,计算机，服务器•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）•存储：RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN）111111•计算机发展简史•计算机分类、应用•计算机硬件系统•计算机软件系统•计算机系统层次结构112112计算机软件系统•计算机硬件是载体，软件是灵魂。

–系统软件系统软件–应用软件应用软件•一切程序的集合•固件：具有软件功能，具有硬件形态的部件113113软件新定义•可运行的思想和内容的数字化•思想：算法、规律、办法------程序表达•内容：图形、图像、数据、声音、文字等•归结为程序和数据•软件的核心: 算法•好的算法可以代替大量的硬件: FFT, MPEG114114所有的硬件都是相似的，软件则各有各不同•各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（处理、各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（处理、传输、存储）传输、存储）•软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己的软件，所以是各不相同的的软件，所以是各不相同的•真正的价值体现在软件真正的价值体现在软件•硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件115115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ＤＢＡ系统116116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117117•计算机发展简史•计算机分类、应用•计算机硬件系统•计算机软件系统•计算机系统层次结构118118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119119Machine StructureI/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120120Computer System Abstractions121121Future of Computers• •End of MooreEnd of Moore’ ’s laws law– –VLSI technology predicted not to scale pass 2015 VLSI technology predicted not to scale pass 2015 Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in electrons!! electrons!! BTW, this doesn BTW, this doesn’ ’t mean VLSI is finished, just no more scalingt mean VLSI is finished, just no more scaling– –many previously-unimportant problems will start to creep inmany previously-unimportant problems will start to creep in between now and then, e.g., complexity, wire delay, power and reliability between now and then, e.g., complexity, wire delay, power and reliability• • Non-von Neumann architectures Non-von Neumann architectures– –parallel and distributed processingparallel and distributed processing– –reconfigurable hardware computingreconfigurable hardware computing• • Non-silicon technologies Non-silicon technologies– –nanotechnologies: carbon nanotubes, molecular switchesnanotechnologies: carbon nanotubes, molecular switches– –biological/cellular computers: DNA, proteins and enzymesbiological/cellular computers: DNA, proteins and enzymes– –quantum computers: magnetic resonance and quantum dots.quantum computers: magnetic resonance and quantum dots.122122123123。