1、第二章計算機發展及應用第二章計算機發展及應用計算機組成原理計算機組成原理作者：唐朔飛作者：唐朔飛高等教育出版社高等教育出版社 主講人：李主講人：李 新新 山東大學山東大學 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院2第二章第二章 教學目的：教學目的： 建立起單建立起單機系統的機系統的整體整體概念，并初步了解有概念，并初步了解有關計算機硬件系統的基本常識和基本概念。關計算機硬件系統的基本常識和基本概念。 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院3內容提要內容提要2.3 計算機的展望計算機的展望 2.2 計算機的應用計算機的應用 2.1 計算機的發展史計算機的

2、發展史 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院4一、計算機的產生和發展一、計算機的產生和發展1946年年 美國美國 ENIAC1955年退役年退役十進制運算十進制運算18 0001 500150301 500多個電子管多個電子管多個繼電器多個繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動開關和拔插電纜來編程用手工搬動開關和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機 ENIAC(1946)計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院5第一臺數字電子計算機ENIAC Herman H. Goldstine 二戰期間美國設在馬里蘭州阿伯丁試驗基地的彈二戰期間美國

3、設在馬里蘭州阿伯丁試驗基地的彈道研究室每天要為陸軍提供道研究室每天要為陸軍提供6張火力表。彈道的計算張火力表。彈道的計算比較復雜，不同的大炮有不同的彈道軌跡，同時還受比較復雜，不同的大炮有不同的彈道軌跡，同時還受到地形、風向、射擊角度和炮彈的類型等許多因素的到地形、風向、射擊角度和炮彈的類型等許多因素的制約，一張表要計算幾百條彈道軌跡。制約，一張表要計算幾百條彈道軌跡。 一個熟練的計算人員用臺式計算機計算一條飛行一個熟練的計算人員用臺式計算機計算一條飛行時間時間60秒的彈道就得需要秒的彈道就得需要20多小時。多小時。 當時，負責阿伯丁彈道研究室彈道計算任務的是當時，負責阿伯丁彈道研究室彈道計算

4、任務的是擁有數學博士學位的擁有數學博士學位的陸軍中尉赫爾曼陸軍中尉赫爾曼戈德斯坦戈德斯坦。一。一個偶然的機會，戈德斯坦得知賓夕法尼亞大學莫爾電個偶然的機會，戈德斯坦得知賓夕法尼亞大學莫爾電工學院有人正在進行電子計算裝置的研制，便當即決工學院有人正在進行電子計算裝置的研制，便當即決定給予支持。定給予支持。計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院6第一臺數字電子計算機ENIAC John W. Mauchly 1942年年8月，戈德斯坦與莫爾學院莫克萊共同起草了一份題為月，戈德斯坦與莫爾學院莫克萊共同起草了一份題為高速電子管計高速電子管計算裝置的使用算裝置的使用(The Use of High-S

5、peed Vacuum Tube Device for Calculating)的報告，的報告，提出了電子計算機的設計方案，它是一臺提出了電子計算機的設計方案，它是一臺“電子數值積分計算機（電子數值積分計算機（Electronic Numerical Integrator And Calculator）”，簡稱，簡稱ENIAC。 Herman H. Goldstine計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院7ENIAC 埃克特Accumulator Decade Plug-in Unit, from ENIAC Progress Report, 30 June, 1944John Prespe

6、r Eckert計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院8第一臺數字電子計算機ENIAC 埃克特于埃克特于1944年年1月寫出了磁帶計算機的報告，提出將數據和月寫出了磁帶計算機的報告，提出將數據和指令存放到同一類型的存儲器或磁帶上的想法指令存放到同一類型的存儲器或磁帶上的想法最早出現的最早出現的存儲程序思想；存儲程序思想； 1944年年3月，他又提出了使用水銀延遲線制作存儲裝置的設想。月，他又提出了使用水銀延遲線制作存儲裝置的設想。計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院9President Truman in front of ENIAC第一臺數字電子計算機ENIAC 計算機科學與技術學院計

7、算機科學與技術學院10ENIAC研制小組主要成員，左一為埃克特，右四為莫克萊，左四為戈德斯坦。第一臺數字電子計算機ENIAC 埃克特戈德斯坦莫克萊計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院11紀錄片制片人（左）和紀錄片制片人（左）和4名名“奶奶級奶奶級”電腦電腦高手在一起，她們分別是貝蒂（左二）、高手在一起，她們分別是貝蒂（左二）、馬琳（左三）、凱瑟琳（右一），前排坐馬琳（左三）、凱瑟琳（右一），前排坐著的貝蒂著的貝蒂辛德辛德霍伯頓目前也已去世。霍伯頓目前也已去世。隱形電腦：隱形電腦：ENIAC程序師的故事程序師的故事 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院12 ENIAC主頻主頻100 kH

8、z，加法時間，加法時間0.2ms，乘法時間，乘法時間2.8ms。ENIAC重達重達30噸，占噸，占地地170平方米，共用了平方米，共用了18600個電子管，運算速度達到每秒個電子管，運算速度達到每秒5000次，比當時的計算器次，比當時的計算器快快1000倍，是手工計算的倍，是手工計算的200, 000倍。但也存在著嚴重的不足：倍。但也存在著嚴重的不足： 使用十進制，一方面造成數據存儲十分困難，因為很難找到具有十種不同穩使用十進制，一方面造成數據存儲十分困難，因為很難找到具有十種不同穩定狀態的電氣元件；另一方面十進制運算電路比較復雜，影響了計算速度。定狀態的電氣元件；另一方面十進制運算電路比較復

9、雜，影響了計算速度。 無程序存儲功能，無程序存儲功能，ENIAC為外插接型計算機，所有計算的控制需要通過手為外插接型計算機，所有計算的控制需要通過手工與其板面開關和插接導線來完成。工與其板面開關和插接導線來完成。 存儲容量小，只有存儲容量小，只有20個字節的寄存器存儲數字。個字節的寄存器存儲數字。 故障率高，維護量大。故障率高，維護量大。ENIAC由近由近2萬只電子管組成，電子管工作時散發的萬只電子管組成，電子管工作時散發的熱量很大，影響了電子管的使用壽命。熱量很大，影響了電子管的使用壽命。 功耗大，功耗大，ENIAC工作時耗電量為工作時耗電量為150千瓦。千瓦。 第一臺數字電子計算機ENIA

10、C 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院13ENIAC的啟示 科學研究和技術發明最有可能成功的領域是那些符合時代潮流的技術領域，即科學研究和技術發明最有可能成功的領域是那些符合時代潮流的技術領域，即符合當時社會的需要；符合當時社會的需要； 科學研究和技術發明依賴于當時社會工業條件和科學技術準備。科學研究和技術發明依賴于當時社會工業條件和科學技術準備。ENIAC當時的當時的有利條件包括：在機械式和機電式計算機的制造中積累了豐富的經驗；而電子技術有利條件包括：在機械式和機電式計算機的制造中積累了豐富的經驗；而電子技術的發展，是重要的技術前提；理論方面包括巴貝奇提出的通用計算機的結構，圖靈的發展

11、，是重要的技術前提；理論方面包括巴貝奇提出的通用計算機的結構，圖靈機的提出及布爾代數的創立等；機的提出及布爾代數的創立等； 獲得經濟上的支持，是獲得經濟上的支持，是ENIAC成功的重要條件；成功的重要條件； ENIAC的成功，從某種意義上說，是科學管理的一個勝利。科學管理可以使技的成功，從某種意義上說，是科學管理的一個勝利。科學管理可以使技術設想與社會需要吻合；使技術在實際中應用的情況迅速反映到技術改進中，以促術設想與社會需要吻合；使技術在實際中應用的情況迅速反映到技術改進中，以促使技術不斷克服弱點、不斷創新；科學管理，符合當代技術發明和科學研究綜合化使技術不斷克服弱點、不斷創新；科學管理，符

12、合當代技術發明和科學研究綜合化的趨勢。現代的發明和創造依靠許多人的合作，而協作精神和科學管理起著關鍵作的趨勢。現代的發明和創造依靠許多人的合作，而協作精神和科學管理起著關鍵作用。用。計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院14馮諾依曼的EDVAC方案 1944年年1月月29日，埃克特經過嚴密思考，寫了一個有關日，埃克特經過嚴密思考，寫了一個有關磁盤計算機的報告，首次提出了將程序和數據都放在磁盤上磁盤計算機的報告，首次提出了將程序和數據都放在磁盤上的設想；的設想； 1945年年6月，馮月，馮諾依曼提出了一個全新的存儲程諾依曼提出了一個全新的存儲程序通用計算機方案序通用計算機方案“EDVAC” (

13、Electronic Discrete Variable Automatic Computer意為意為“離散變量自動電子計算離散變量自動電子計算機機”)；計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院15馮諾依曼的EDVAC方案 1945年年6月月30日，馮日，馮諾依曼起草了諾依曼起草了First Draft of a Report on the EDVAC： 明確規定新型計算機有明確規定新型計算機有5個組成部分個組成部分：(1) 計算器計算器CA；(2) 邏輯控制裝置邏輯控制裝置CC；(3) 存儲器存儲器M；(4) 輸入輸入I；(5) 輸出輸出O同同ENIAC相比，相比，EDVAC方案有兩個重方案

14、有兩個重大改進：大改進： (1) 為充分發揮電子元件的高速度而為充分發揮電子元件的高速度而采用了二進制；采用了二進制； (2) 提出了提出了“存儲程序存儲程序”，可以自動，可以自動地從一個程序指令進到下一個程序指令，地從一個程序指令進到下一個程序指令，其作業順序可以通過一種稱為其作業順序可以通過一種稱為“條件轉條件轉移移”的指令而自動完成。的指令而自動完成。Plan of EDVAC計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院16馮諾依曼的EDVAC方案 1952年，馮年，馮諾伊曼等人完成了諾伊曼等人完成了EDVAC機的建造工作。機的建造工作。EDVAC只用了只用了3600只電子管，占地面積不足只

15、電子管，占地面積不足ENIAC的的1/3。Photograph of EDVAC, ca. 1948. 長達長達101頁的頁的EDVAC方案是計算機方案是計算機發展史上的一個劃時代的文獻。在發展史上的一個劃時代的文獻。在這個方案中，首次提出了這個方案中，首次提出了存儲程序存儲程序的概念，解決了第一臺電子計算機的概念，解決了第一臺電子計算機 ENIAC的重大缺陷。也正是在這的重大缺陷。也正是在這一方案中，提出了現代計算機發展一方案中，提出了現代計算機發展的基本體系結構，從而奠定了現代的基本體系結構，從而奠定了現代計算機的發展基礎。計算機的發展基礎。計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院17數字

16、電子計算機數字電子計算機數字電子計算機數字電子計算機第一代：約第一代：約1946-1957 1946-1957 電子真空管電子真空管第二代：約第二代：約1957-1964 1957-1964 晶體管晶體管第三代：約第三代：約1965-1971 1965-1971 中小規模集成電路中小規模集成電路第四代：約第四代：約1972-19771972-1977 大規模集成電路大規模集成電路威廉威廉肖克利，晶體管之父肖克利，晶體管之父19561956年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎杰克杰克基爾比，集成電路之父基爾比，集成電路之父20002000年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎發明人：羅伯特發明人：羅伯特諾

17、伊斯、杰克諾伊斯、杰克基爾比基爾比計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院18硬件技術對計算機更新換代的影響硬件技術對計算機更新換代的影響 100 000 000 超大規模超大規模 集成電路集成電路 1978現在現在五五 10 000 000 大規模大規模 集成電路集成電路 19721977 1 000 000 中小規模中小規模 集成電路集成電路 19651971 200 000 晶體管晶體管 19581964 40 000 電子管電子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒） 硬件技術硬件技術 時間時間 代代三三四四二二一一計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院19二、微型計算機

18、的出現和發展二、微型計算機的出現和發展1968 年，羅伯特年，羅伯特諾伊斯（諾伊斯（Robert Noyce）、）、戈登戈登摩爾（摩爾（Gordon Moore）和安迪）和安迪格魯夫格魯夫（Andy Grove）在硅谷共同創立了英特爾公）在硅谷共同創立了英特爾公司。司。Only the Paranoid Survive!-Andy Grove了解了解計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院20摩爾定律摩爾定律lMoores Law： The number of transistors per integrated circuit would double every 18 month.l這個論

19、斷是在第一塊平面集成電路產生這個論斷是在第一塊平面集成電路產生4 4年以后的年以后的19651965年做出的。年做出的。l當時認為這個發展趨勢將持續到當時認為這個發展趨勢將持續到19751975年。年。IntelIntel公司創建人公司創建人之一戈登之一戈登摩爾摩爾計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院21IntelIntel微處理器發展概述微處理器發展概述 1. 1. 第第1 1代微處理器代微處理器 Intel4004/4040Intel4004/40404 4位微處理器位微處理器(1971)(1971) Intel8008 Intel8008 低檔低檔8 8位微處理器位微處理器(1972

20、)(1972)2. 2. 第第2 2代微處理器代微處理器 Intel8080/8085Intel8080/8085 8 8位微處理器位微處理器(1974)(1974) 指令比較完善，有了中斷與指令比較完善，有了中斷與DMADMA 匯編、匯編、BASICBASIC、FORTRANFORTRANIntel 4004Intel 8085了解了解計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院223. 3. 第第3 3代微處理器代微處理器 Intel8086Intel80861616位微處理器位微處理器(1978)(1978)Intel8088 Intel8088 準準1616位微處理器位微處理器(1979)

21、(1979)Intel80286Intel80286 高檔高檔1616位微處理器位微處理器(1982)(1982) IntelIntel微處理器發展概述微處理器發展概述 了解了解計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院23IntelIntel微處理器發展概述微處理器發展概述了解了解計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院24Intel 公司的典型微處理器產品公司的典型微處理器產品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 萬個晶體管萬個晶體管80286 16位位 1982年年 13.4 萬個晶體管萬個晶體管80386 32位位 1985年年 27.5 萬個晶體管萬個

22、晶體管80486 32位位 1989年年 120.0 萬個晶體管萬個晶體管Pentium 64位（準）位（準） 1993年年 310.0 萬個晶體管萬個晶體管Pentium Pro 64位（準）位（準） 1995年年 550.0 萬個晶體管萬個晶體管Pentium 64位（準）位（準） 1997年年 750.0 萬個晶體管萬個晶體管Pentium 64位（準）位（準） 1999年年 950.0 萬個晶體管萬個晶體管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 萬個晶體管萬個晶體管2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 億億 5 千萬千萬 個個晶體管晶體管 預計預計2010 年年

23、 芯片上可集成芯片上可集成 8 億億 個晶體管個晶體管計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院25世界上最快的計算機世界上最快的計算機l美國洛斯阿拉莫斯國家實驗的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗的IBM RoadrunnerIBM Roadrunner計算機計算機 每秒每秒1.1051.105千萬億次千萬億次 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院26最權威的超級計算機排名的參考網址最權威的超級計算機排名的參考網址 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院27三、軟件技術的興起和發展三、軟件技術的興起和發展機器語言機器語言 面向機器面向機器 匯編語言匯編語言

24、面向機器面向機器 高級語言高級語言 面向問題面向問題 FORTRAN 科學計算和工程計算科學計算和工程計算 PASCAL 結構化程序設計結構化程序設計 C 面向對象面向對象 Java 適應網絡環境適應網絡環境 1. 各種語言各種語言計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院28l世界上第一位程序員是誰？世界上第一位程序員是誰？l普羅米修斯普羅米修斯唐璜唐璜的作者？的作者？英國詩人拜倫計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院29愛達洛夫雷斯 在愛達在愛達27歲時歲時(1843年年) ，她成為巴貝奇科，她成為巴貝奇科學研究上的合作伙伴。愛達非常準確地評價道：學研究上的合作伙伴。愛達非常準確地評價道：

25、“分析機分析機編織編織的代數模式同杰卡德織布機的代數模式同杰卡德織布機編織的花葉完全一樣編織的花葉完全一樣”。于是，為分析機編制。于是，為分析機編制一批函數計算程序的重擔，落到了她的肩頭。一批函數計算程序的重擔，落到了她的肩頭。愛達開天辟地第一次為計算機編出了程序，其愛達開天辟地第一次為計算機編出了程序，其中包括計算三角函數的程序、級數相乘程序、中包括計算三角函數的程序、級數相乘程序、伯努利函數程序等等。愛達編制的這些程序，伯努利函數程序等等。愛達編制的這些程序，即使到了今天，電腦軟件界的后輩仍然不敢輕即使到了今天，電腦軟件界的后輩仍然不敢輕易改動一條指令。人們公認她是世界上第一位易改動一條指令。人們公認她是世界上第一位軟件工程師。軟件工程師。愛達洛夫雷斯英國詩人拜倫之女 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院30愛達的主要貢獻1、指出分析機可以編程，發現編、指出分析機可以編程，發現編程的基本要素，如循環、子程序，程的基本要素，如循環、子程序，被譽為世界上第一位程序員。被譽為世界上第一位程序員。2、建議分析機用二進制存儲。、建議分析機用二進制存儲。3、預言分析機能唱歌、繪畫。、預言分析機能唱歌、繪畫。身披素雅的斗蓬身披素雅的斗蓬鬢角上斜插一朵白色的康乃馨鬢角上斜插一朵白色的康乃馨顯得那么典雅端莊顯得那么典雅端莊 計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院312. 系統軟