1、计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础 课程简介课程简介教材：教材：计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础20072007年年8 8月月 高等教育出版社高等教育出版社学时数：学时数：32（116周）周）学分：学分：2主讲教师：裘正定、朱卫东、周洪利、主讲教师：裘正定、朱卫东、周洪利、陈连坤陈连坤办公地点：九教楼北办公地点：九教楼北606室（信息研究所现代信号室（信息研究所现代信号处理与通信研究室）处理与通信研究室）;逸夫楼逸夫楼201;计算中心计算中心电话：电话：88636；85528 E_mail：; 网站网站:202.112.154.65/Hardware 计算机硬件技术基础
2、计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础 课程简介课程简介一、为什么开设这一课程？一、为什么开设这一课程？继计算机文化基础课后基于技术层面的素质教育继计算机文化基础课后基于技术层面的素质教育二、课程简介：二、课程简介：教材共十二章，讲前八章。可分为三大部分：教材共十二章，讲前八章。可分为三大部分：第一、二章第一、二章 计算机发展、组成和工作原理计算机发展、组成和工作原理 第三、四、五章第三、四、五章 微机主机微机主机CPU、内存、总线和主板、内存、总线和主板 第六、七、八章第六、七、八章 微机外设微机外设接口、外存和常用外设接口、外存和常用外设计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础
3、 课程简介课程简介第一、二章主要内容第一、二章主要内容 u微电子器件和计算机的发展过程微电子器件和计算机的发展过程u摩尔定律摩尔定律u计算机的分类计算机的分类u计算机特点以及未来计算机发展方向计算机特点以及未来计算机发展方向u计算机的基本构成计算机的基本构成u信息表示、运算（数值运算和逻辑逻辑）信息表示、运算（数值运算和逻辑逻辑）u数字逻辑电路的基本概念数字逻辑电路的基本概念u计算机的硬件组成和工作原理计算机的硬件组成和工作原理uCPU和指令系统和指令系统计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础 课程简介课程简介第三、四、五章第三、四、五章 的主要内容的主要内容PC的的CPU（M
4、PU，微处理，微处理器）的发展器）的发展主要技术参数主要技术参数 CPU新技术新技术封装和接口封装和接口Intel和和AMD的的CPU存储体系存储体系 内存内存存储器的分类和指标存储器的分类和指标只读存储器、动态存储器、静态只读存储器、动态存储器、静态存储器的构成原理存储器的构成原理存储器模块结构与特点：存储器模块结构与特点：FPM、EDO、SDRAM、RDRAM、DDR、DDRII双通道存储器技术双通道存储器技术不同类型存储器型号标注不同类型存储器型号标注总线的概念、分类和性能总线的概念、分类和性能PC总线的演变，总线的演变，ISA、PCI、PCI-E的技术特点的技术特点芯片组的基本概念，南
5、北桥芯片组的基本概念，南北桥结构和结构和Hub结构芯片组结构芯片组 总线与芯片组总线与芯片组Intel系列芯片组的性能和特点系列芯片组的性能和特点主机板标准主机板标准计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础 课程简介课程简介 接口接口u接口的基本概念接口的基本概念u接口的操作方式接口的操作方式u各种接口的技术特点、各种接口的技术特点、性能指标性能指标 外存储器外存储器硬磁盘系统硬磁盘系统光盘系统光盘系统移动存储系统移动存储系统 常用外部设备常用外部设备u键盘、鼠标的结构、原键盘、鼠标的结构、原理和接口理和接口u扫描仪的结构、原理和扫描仪的结构、原理和技术指标技术指标u显示系统显示
6、系统u显示适配器的基本构成显示适配器的基本构成和技术指标和技术指标u音频适配器和音频设备音频适配器和音频设备u打印机打印机第六、七、八章主要内容第六、七、八章主要内容计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础 课程简介课程简介v课程学习基本要求：课程学习基本要求：原理、概念原理、概念术语、名词术语、名词常用参数、指标常用参数、指标v课程考核方法：课程考核方法：期末考试（为主，机考）期末考试（为主，机考）课后作业、听课记录（参考）课后作业、听课记录（参考）v听课要求：请勿缺席、请勿迟到、早退听课要求：请勿缺席、请勿迟到、早退请勿上课影响别人听课请勿上课影响别人听课计算机硬件技术基础第
7、一章 计算机硬件技术概述 本章主要内容本章主要内容1.1 计算机的发展史计算机的发展史 微电子器件的发展和摩尔定律微电子器件的发展和摩尔定律 计算机的发展、里程碑计算机的发展、里程碑 1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 1.3 计算机的性能和发展趋势计算机的性能和发展趋势1.4 计算机系统：计算机系统：计算机的硬件和软件计算机的硬件和软件 计算机的硬件计算机的硬件 要求掌握和了解：要求掌握和了解：微电子器件和计算机硬件的发展史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特点及分类 计算机的性能和发展趋势计算机的性能和发展趋势 计算机硬件系统的组成计算机硬件系
8、统的组成计算机硬件技术基础1.1 1.1 计算机发展史计算机发展史 1.微电子器件的发展 电子管电子管 特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、可靠性差。可靠性差。半导体晶体管半导体晶体管 特点：体积小、功耗低、可靠性高。特点：体积小、功耗低、可靠性高。包括双极型晶体管和场效应晶体管。包括双极型晶体管和场效应晶体管。集成电路芯片集成电路芯片 (IC:Integrated Circuits)特点：速度特点：速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。计算机硬件技术基础ICIC集成度分类：集成度分类：SSI（小规模集成电路）（
9、小规模集成电路）晶体管数100个以下MSI（中规模集成电路）（中规模集成电路）晶体管数1003000个LSI（大规模集成电路）（大规模集成电路）晶体管数3000105个VLSI（超大规模集成电路）（超大规模集成电路）晶体管数105108个ULSI（甚大规模集成电路）（甚大规模集成电路）晶体管数以上P4集成度超过1081.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史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的发展史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、磁芯存储器：延迟线、磁芯 无高级语言，甚至没有汇编器无高级语言，甚至没有汇编器 科学计算、
10、为军事与国防尖端科技服务科学计算、为军事与国防尖端科技服务 没有商业化没有商业化晶体管计算机（50年代中期到60年代后期）磁芯存储器，存储量从几千提高到磁芯存储器，存储量从几千提高到1010万字以上万字以上 运算速度从每秒几千次提高到几十万次运算速度从每秒几千次提高到几十万次 军事与尖端技术、气象、工程设计、数据处理以及其军事与尖端技术、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的发展史中、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。功耗、体积、价格等进一步下降。速度及
11、可靠性相应的提高速度及可靠性相应的提高 范围进一步扩大范围进一步扩大大、超大规模集成电路计算机（70年代初到至今）20世纪世纪60年代后，半导体存储器取代了磁芯存储器，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。并不断向大容量、高集成度、高速度发展。70年代初，出现微型计算机（年代初，出现微型计算机（PC）以微处理器以微处理器（MPU，单片，单片IC的的CPU）为核心的电子计算机。）为核心的电子计算机。计算机进入了几乎所有的行业。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 1.1.2 摩尔定律 1965年，年，Intel的创办人的创办人之一摩尔发现
12、：之一摩尔发现：“在相等面积在相等面积(制作成本制作成本)上，上，CPU上的晶体上的晶体管数量以每管数量以每18个月倍增的趋个月倍增的趋势增加，执行势增加，执行性能的提升大性能的提升大体也符合这个体也符合这个趋势。趋势。”计算机硬件技术基础1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑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“埃尼亚克”ENIAC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
13、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 每秒5000次运算是个什么概念呢？以自动车辆行驶为例：每小时60KM/时，要求处 理速度10100GIPS，即每秒100亿1000亿指令运算1G=，十亿;1M=，百万。87年最快处理速度为200MIPS，即每秒2亿次，则行车速度为 5000次相当于69200 10601.2/10 10KM时33295 1060 10103/10 10cm时910610计算机硬件技术基
14、础1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重要里程碑 “埃尼阿克”有两大缺点，一是没有内存储器，二是要由人像搭积木一样，将大量运算部件搭配成各种解题布局，每算一题 就要重搭一次，又费时，又麻烦。有的题只要计算1秒钟，准备工作却 要花上几十分钟。对“埃尼阿克“的改进应用归功于匈牙利裔美国数学家冯.诺依曼。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 以美籍匈牙利数学家以美籍匈牙利数学家冯冯诺依曼诺依曼为首的研制小组与参为首的研制小组与参与研制与研制ENIAC主要人员联名发表了一篇长达主要人员联名发表了一篇长达101页纸的页纸的报
15、告，即计算机史上著名的报告，即计算机史上著名的“101页报告页报告”，提出了，提出了“存存储程序控制储程序控制”的计算机结构的计算机结构(即诺依曼机），奠定了现代即诺依曼机），奠定了现代计算机的体系结构。计算机的体系结构。计算机（指硬件）由五大基本部件组成；运算器、存储计算机（指硬件）由五大基本部件组成；运算器、存储器、控制器、输入和输出系统器、控制器、输入和输出系统 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；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，然后再执将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再执行程序。行程序。计算机硬件技术基础1.1.3 计算机发展
16、过程中的重要里程碑3.第一台存储程序计算机 19491949年在英国剑桥大学问世的年在英国剑桥大学问世的EDSACEDSAC，由，由30003000只电子只电子管为主要元件的存储结构的计算机。管为主要元件的存储结构的计算机。19511951年年冯冯诺依曼的诺依曼的EDVACEDVAC问世，总问世，总共只采用了共只采用了23002300个电子管，但运个电子管，但运算速度却比拥有算速度却比拥有1800018000个电子管个电子管的的ENIACENIAC提高了提高了1010倍。倍。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
17、用晶体管线路的年，贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机（计算机（TRADIC），装有），装有800个晶体管。个晶体管。1958年，年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机机RCA501型。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，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，从几千提高到主存储器的存储量，从几千提高到10万以上。万以上。1959年，年，IBM公司又生产出全部晶体管化的数字计算机公司又生产出全部晶体管化的数字计算机IBM 7090。计算机硬件技术基础1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑计算机发展过程中的重
18、要里程碑 5.5.第三代计算机的的标志性产品第三代计算机的的标志性产品IBM360系列计算机系列计算机 1964年，由IBM公司主设计师吉恩阿姆达尔（G.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
19、三代电脑的标志性产品。计算机硬件技术基础第一个第一个ICIC的通用计算机系列（的通用计算机系列（IBM 360IBM 360）1 9 6 41 9 6 4年年计算机硬件技术基础1.1.3 1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑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 65年美国国防部拨款实施的ILLIAC-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陈列计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。76年称为“美国民族智多星”的克雷公司的Cray系列巨型机、以及IBM公司的370系列、43XX、30XX、ES-9000系列、日本富士通公司生产出M系
20、列是比较有代表性的第四代计算机。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Intel系列系列CPU的发展，的发展，特别是特别是1978年推出的年推出的8086 16位位CPU，为微机，为微机的出现奠定了硬件基础。的出现奠定了硬件基础。1980年，年，IBM实行实行“开开放放”政策；采用政策；采用Intel 8088 MPU、委托独立软、委托独立软件公司为它配置各种软件公司为它配置各种软件。件。1981年年8月月12日，日，IBM在在纽约宣布纽约宣布IBM PC个人电个人电脑出世。脑出世。7.微型计算机的出现计算机硬件技术基础 计算机发展过程计算机发展过程 代别代别主要逻辑元件主
21、要逻辑元件软软 件件功能较强的操作系统、功能较强的操作系统、起迄年份起迄年份电子管电子管机器语言、汇编语言机器语言、汇编语言晶体管晶体管高级语言、监控程序、高级语言、监控程序、简单操作系统简单操作系统集成电路集成电路大规模或超大大规模或超大规模集成电路规模集成电路软件工程的研究与应用、数据软件工程的研究与应用、数据库、语言编译系统和网络软件库、语言编译系统和网络软件1946-19571946-19571958-19641958-19641965-19701965-197019701970至今至今一一二二三三四四计算机硬件技术基础Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表1.1.3 计算机
22、发展过程中的重要里程碑Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表代年份字长型号工艺集成度(万个)时钟速率(MHz)运算速度(MIPS)一7144004PMOS0.210.06二7488080NMOS0.5240.4三78168086HMOS2.94.7710300七0132Pentium IVCMOS42001.33.6GHz八0464Pentium IV FCMOS169003.23.6GHz20005000计算机硬件技术基础1.2 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，专用计算机是最有效、最经济、最快速的计算机
23、，但是它的功能单一，适应性很差。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。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、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（应用功能）来划分的。运行的经济性和适应性（应用功能）来划分的。现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机。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1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 计算机按性能和作用分类计算机按性能和作用分类 1989年11月IEEE提出一个
24、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：巨型计算机巨型计算机 主机（大、中型机）主机（大、中型机）小型计算机小型计算机 个人计算机个人计算机计算机硬件技术基础1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型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
25、是一个国家计算机技术水平的重要标志。银河II十亿次巨型计算机 计算机硬件技术基础1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型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。IBM 360大型计算机 计算机硬件技术基础1.2 1.2 现代计算机的特点及其类型现代计算机的特点及其类型 3.小型计算机（
26、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1.2 现代计算机的特点及其类型4 4、微型机、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2
27、3个月就有新产品出现，12年产品就更新换代一次。体积桌面化体积桌面化-掌上化，掌上化，小型化小型化通用化通用化维护简单化，操作简单化维护简单化，操作简单化价格平民化、低廉化价格平民化、低廉化 功能多媒体化、网络化功能多媒体化、网络化计算机硬件技术基础1.3 1.3 计算机的性能和发展趋势计算机的性能和发展趋势1、运算速度：MIPS（Million Instructs per Second）每秒百万条指令；CPI(Cycle per Instruct)执行一条指令所需时钟周期数；FLOPS(Floating Point Operation per Second)每秒浮点运算次数；2、存储器器容量
28、：B(Byte)字节 KB=1024 B(Kilo Byte)千字节,MB1024 KB(Million Byte)兆字节,GB=1024 MB(Gilbert Byte)吉字节计算机硬件技术基础1.3 1.3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。1巨型化巨型化 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
29、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1.3 计算机的发展趋势 目前计算机的发展是向“两极”(多级)分化微型化、网络化、高性能、通用化。微型化、网络化、高性能、通用化。巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。巨型化、超高速、并行处
30、理、智能化方向发展。计算机的性能的提高计算机的性能的提高速度、容量。速度、容量。未来计算机的发展趋势计算能力进一步提高计算能力进一步提高将出现每秒将出现每秒10001000万亿次的超万亿次的超级计算机。级计算机。计算机将进入人工智能时代计算机将进入人工智能时代具备学习、判断、推具备学习、判断、推理及自然语言能力。理及自然语言能力。将出现新型材料计算机将出现新型材料计算机光子计算机、生物计算机、光子计算机、生物计算机、超导计算机、量子计算机、纳米计算机。超导计算机、量子计算机、纳米计算机。计算机硬件技术基础1.4 1.4 计算机系统计算机系统硬件与软件 计算机系统计算机系统硬件系统和软件系统的结
31、合的整体。硬件系统和软件系统的结合的整体。计算机系统计算机系统 =硬件硬件+软件软件硬件：计算机的物质存在的实体，软件的实现平台。硬件：计算机的物质存在的实体，软件的实现平台。软件：计算机功能和数据信息的二进制表示。软件：计算机功能和数据信息的二进制表示。运行在硬件环境中的程序运行在硬件环境中的程序例：计算机通信例：计算机通信具体功能可以由硬件实现，可以由软件实现，也可以由硬件和软件具体功能可以由硬件实现，可以由软件实现，也可以由硬件和软件实现。实现。硬件完成：增加设计制造成本、速度快、稳定、灵活性差。硬件完成：增加设计制造成本、速度快、稳定、灵活性差。软件完成：成本低、修改升级简单、速度受限
32、制。软件完成：成本低、修改升级简单、速度受限制。硬件软件化硬件软件化软件硬件化软件硬件化判判决决电信号电信号字节字节同步同步二进制二进制位位帧帧同步同步字节字节包包交换交换信息帧信息帧信息包信息包计算机硬件技术基础1.4 1.4 不同对象观察到的计算机硬件系统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1.4 1.4 不同对象观察到的计算机硬件系统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1.4 不同对象
33、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。现方法。3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统 计算机控制器运算器存储器I/O寄存器1寄存器2寄存器3寄存器N门1门2门3门N晶体管1晶体管2晶体管3晶体管N 系统级 寄存器级 门电路级 晶体管级计算机硬件技术基础输出设备计算机硬件技术基础第一章 小结 本章要求掌握和了解主要内容本章要求掌握和了解主要内容：微电子器件和计算机硬件的微电子器件和计算机硬件的发展史发展史 计算机的特点及分类计算机的特点及分类 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 计算机硬件系统的组成计算机硬件系统的组成习题与思考题习题与思考题1.1、4、5、6、7、8
