1、计算机硬件技术基础,本章主要内容：微电子器件和计算机硬件的发展史、摩尔定律、计算机发展过程中的重要里程碑和现代计算机的特点及未来计算机的发展趋势。最后简要介绍计算机系统的组成。要求掌握和了解： 微电子器件和计算机硬件的发展史 计算机的特点及分类 计算机的发展趋势 计算机硬件系统的组成,第一章 计算机硬件技术概述,计算机硬件技术基础,1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机发展史,1.微电子器件的发展电子管（真空管）（20世纪初） 半导体晶体管（晶体管）（1948年） 集成电路（Integrated circuits）芯片（IC）（1959年） 超大规模集成电路（1970年）,计算机硬件技术基
2、础,电子管（真空管）（20世纪初）,1904年英国电气工程师弗莱明（J.Fleming）研制出世界上第一只电子管，也就是人们所说的真空二极管。 1906年，德福雷斯特在弗莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网，形成第三个极。发明真空三极管。 特点：体积大、功耗高、寿命短、可靠性差。,计算机硬件技术基础,半导体晶体管（晶体管）（1948年）,由贝尔实验室的科学家肖克利（W.Shockley） 、布拉顿（W. Brattain）和巴丁（J.Bardeen）发明。 特点：体积小、功耗低、可靠性高。,计算机硬件技术基础,集成电路（Integrated circuits）芯片（IC）（1959年）,1959
3、年由德克萨斯仪器公司（TI）的基尔比（J. kilby）和诺依斯为首的仙童（Fairchild）半导体公司同时发明。 基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。 特点：速度快、功耗低、可靠性高等。,计算机硬件技术基础,SSI（小规模集成电路） 晶体管数100个以下 MSI（中规模集成电路） 晶体管数1003000个 LSI（大规模集成电路） 晶体管数300030000个 VLSI（超大规模集成电路）晶体管数100000100000000个 ULSI（甚大规模集成电路）晶体管数100000000以上,分类：集成度,计算机硬件技术基础,1.1
4、.1 从微电子器件的发展看电子计算机发展史,2.计算机的发展史 电子管计算机（1946年到50年代后期） 存储器：延迟线、磁芯 无高级语言，甚至没有汇编器 科学计算、为军事与国防尖端科技服务。 晶体管计算机（50年代中期到60年代后期） 磁芯存储器 运算速度从每秒几千次提高到几十万次；内存的存储量从几千单元提高到10万单元以上。 在军事与尖端技术、气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等领域。,计算机硬件技术基础,1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机发展史,中、小规模集成电路集成电路计算机（从60年代中期到70年代前期） 功耗、体积、价格等进一步下降。 速度及可靠性相应的提高 范围进一
5、步扩大 大、超大规模集成电路计算机（70年代初到至今） 20世纪60年代后，半导体存储器取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高集成度、高速度发展。 70年代初，出现了以包含CPU的单片IC（微处理器）为核心的电子计算机微型计算机。 计算机进入了几乎所有的行业。,计算机硬件技术基础,1.1.2 摩尔定律,摩尔定律 1965年，Intel公司的创办人之一摩尔发现：“在相等面积(制作成本)上，CPU上的晶体管数量以每18个月倍增的趋势增加，执行性能的提升大体也符合这个趋势。”微处理器的发展,计算机硬件技术基础,1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑,1.第一台电子数字计算机1946年在美国诞生的EN
6、IAC是举世公认的第一台电子计算机。设计的目的是为阿贝丁陆军试炮场进行弹道计算。主要研制者宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫契利（J. Mauchiy）和埃克特（P.Eckert）。 ENIAC共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米。这台耗电量为140千瓦的计算机，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法，至多只能存20个10位的十进制数，无程序存储器。,计算机硬件技术基础,1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑,2.存储程序概念的提出1945年6月，美籍匈牙利数学家冯诺依曼（John Von Naumann）与参与研制
7、ENIAC主要人员联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，提出了“存储程序控制计算机结构”(即诺依曼机），奠定了现代计算机的体系结构。“101页”报告明确规定： 计算机（指硬件）由五大基本部件组成； 计算机内部采用二进制来表示指令和数据； 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。,计算机硬件技术基础,1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑,3.第一台存储程序计算机1949 年5月，英国剑桥大学威尔克 斯（M.Wilkes）教授主持制成了一台由 3000只电子管为主要元件的存储结构 的计算机EDSAC（电子储存程序计算机）。1952年1月，
8、由冯诺伊曼设计的IAS电子计算机问世。IAS计算机总共只采用了2300个电子管，但运算速度却比拥有18000个电子管的ENIAC“埃尼阿克”提高了10倍。 4.晶体管计算机的诞生 1954年，贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机（TRADIC），装有800个晶体管。 1958年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千提高到10万以上。,计算机硬件技术基础,1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑,5.第三代计算机的的标志性产品IBM360系列计算机 1964年， 由IBM公司主设计师吉恩阿姆达尔（G.
9、Amdahl）， 主持设计的第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM 360系统研制成功，该系列有大、中、小型，共6个型号。阿姆达尔提出了一种全新的思路：IBM360必须是一种“兼容性”的产品，意味着大中小型360系统电脑， 都能用相同方式处理相同的指令， 享用相同的软件，配置相同的外部设备， 而且能够相互连接在一起工作。“兼容性” 是一个伟大的观念变革， 它给现代电脑 发展带来的技术进步，至今还在发挥巨大 作用。 360系列取得了难以置信的成功， 成为第三代电脑的标志性产品。,计算机硬件技术基础,1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑,6.使用超大规模集成电路的第四代计算机美国ILLIAC
10、-IV计算机，是第一台全面使用大规 模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。IBM公司的370系列、43XX、30XX、 ES-9000系列，克雷公司的Cray系列 巨型机，日本富士通公司生产出M系列， 是比较有代表性的第四代计算机 。,计算机硬件技术基础,第一只微处理器的出现,1971年1月，世界上第一只微处理器，即芯片4004问世。它的发明人是Intel公司年仅34岁的霍夫，4004处理器一次可对4个二进制数进行运算，它的功能相当于一台“埃尼阿克”计算机，与1950年时像房子那样大的电路板功能差不多。4004芯片上集成了2250个晶体管。人们首次实现了这样
11、一种设想：仅用一块芯片来承担中央处理器的全部功能。 此后不久，以微处理器为核心的电子计算机微型计算机随之出现，形成了计算机技术发展史上的又一次革命。,计算机硬件技术基础,1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑,7.微型计算机的出现1971年，Intel公司首先推出了微处理器芯片，以微处理器为核心的电子计算机微型计算机随之出现。 1980年成立了埃斯特奇负责的微机研制小组。该研制小组认识到， 要在一年内开发出能迅速普及的微型电脑，IBM必须实行“开放”政策。他们决定采用英特尔8088微处理器作为该电脑的中枢，同时委托独立软件公司为它配置各种软件。 1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBM
12、PC个人电脑出世，个人电脑以前所未有的广度和速度面向大众普及。,计算机硬件技术基础,小结：计算机发展过程,计算机硬件技术基础,1.1.4 现代计算机的特点及其类型,计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。 专用计算机是最有效、最经济、最快速的计算机，但是它的功能单一，适应性很差。 通用计算机功能齐全，适应性很强，但是牺牲了效率、速度和经济性。 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机。,计算机硬件技术基础,1.1.4 现代计算机的特点及其类型,按照计算机的性能和作用进行分类。传统上将计算机分为巨型计算机、小巨型机、主机、
13、小型计算机、工作站、个人计算机。1989年11月IEEE提出一个分类报告，它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用，考虑到计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势，把计算机分成6大类。巨型计算机、小巨型机、主机、小型计算机、工作站和个人计算机。目前国际上比较流行的分类是：巨型计算机主机小型计算机个人计算机,计算机硬件技术基础,1.1.4 现代计算机的特点及其类型,1.巨型计算机（Supercomputer）巨型计算机也称超级计算机，它采用了大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计的处理器组成，有极强的运算处理能力，主要应用于尖端的科学计算和现代化军事领域中，它是一个国家计算机技术水平的
14、重要标志。,计算机硬件技术基础,1.1.4 现代计算机的特点及其类型,2.主机（Mainframe computers）它包括我们通常所说的大 、中型计算机。 大型主机经历了批处理阶段、分时处理阶段，进入了分散处理与集中管理的阶段。IBM公司一直在大型主机市场处于霸主地位，DEC、富士通、日立、NEC也生产大型主机。不过随着微机与网络的迅速发展，大型主机正在走下坡路。现在主要朝着超级服务器方向发展。,计算机硬件技术基础,1.1.4 现代计算机的特点及其类型,3.小型计算机（Minicomputers）小型机的机器规模小、结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操
15、作维护。它们己广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。近年来，小型机的发展也引人注目。特别是RISC （Reduced Instruction Set Computer缩减指令系统计算机）体系结构的广泛使用，大大提高了小型机的性能。,计算机硬件技术基础,1.1.4 现代计算机的特点及其类型,4.微型机（Microcomputers） 微型机主要包括个人计算机PC、笔记本计算机、掌上电脑等。微型机技术在近10年内发展速度迅猛，平均每23个月就有新产品出现，12年产品就更新换代一次。平均每两年芯片的集成度可提高一倍，性
16、能提高一倍，价格降低一半。目前还有加快的趋势。微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统，多媒体技术等领域，并且开始成为城镇家庭的一种常规电器。微型机比小型机体积更小、价格更低廉，并且通用性强、灵活性好、可靠性高、使用方便。,计算机硬件技术基础,1.1.5 计算机的发展趋势,未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。,1巨型化巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、 功能更强。,2微型化微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器 设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实 现“智能化”。随着微电子技术的进一步发
17、展，笔记本型、 掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的 欢迎。,3网络化计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产 物。计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来越重要 的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。,4智能化计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上。智 能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机，将可以 模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说” 、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。,计算机硬件技术基础,1.2.1 计算机中的硬件与软件,1. 硬件和软件的关系 一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。计算机系统
18、= 硬件+软件硬件是计算机系统的物质基础，正是在硬件高度发展的基础上，才有软件赖以生存的空间和活动场所，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起； 同样，软件是计算机系统的灵魂，没有软件的硬件“裸机”将不能提供给用户使用，犹如一堆废铁。因此，硬件和软件是相辅相成的，不可分割的整体。,计算机硬件技术基础,1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统,一般用户是指那些仅局限于对计算机最基本用途使用的用户。,1. 一般用户观察到的计算机硬件系统,计算机硬件技术基础,1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统,专业用户观察到的计算机硬件系统要比一般用户深入更多。,2.专业用户观察到的计算机硬件系统,计算机硬件技术基础,1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统,3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统,计算机的设计者更 多地关心计算机的组成 原理和实现方法。,
