1、2第1章 緒論 本章主要描述計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程和計(jì)算機(jī)的構(gòu)成及性能，使讀者在開始了解全書內(nèi)容之前，首先對(duì)計(jì)算機(jī)有一個(gè)概念上的認(rèn)識(shí)。 31.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，無(wú)疑是人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上最偉大的發(fā)明之一。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)深刻地影響了人類的精神文明和物質(zhì)文明的發(fā)展。在20世紀(jì)70年代前，電子計(jì)算機(jī)包括電子模擬計(jì)算機(jī)和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。前者是由模擬電子器件(如模擬加法器、減法器、乘法器、除法器等)構(gòu)成的，它早已完成了其歷史使命，再無(wú)人提及。因此，本書中所講述的是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是指能對(duì)用離散邏輯符號(hào)表示的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行自動(dòng)處理的電子裝置。41.1.1 發(fā)展經(jīng)歷1

2、. 第0代：機(jī)械計(jì)算器2. 第1代：電子管計(jì)算機(jī)3. 第2代：晶體管計(jì)算機(jī)4. 第3代：集成電路計(jì)算機(jī)5. 第4代：超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)6. 第5代：高性能智能計(jì)算機(jī)51.1.2 摩爾定律1摩爾定律的由來(lái)1965年4月，電子學(xué)雜志刊登了戈登摩爾(Gordon Moore)撰寫的一篇文章。戈登摩爾當(dāng)時(shí)是飛兆半導(dǎo)體公司研發(fā)部門的主管。文章講述了他如何將50個(gè)晶體管集成在一塊芯片中，并且預(yù)言，到1975年，就可能將6.5萬(wàn)個(gè)這樣的元件集成在一塊芯片上，制成高度復(fù)雜的集成電路。摩爾定律并不是一個(gè)物理定律(定律是放之四海而皆準(zhǔn)的)，而是一種預(yù)言，但它鞭策工業(yè)界不斷地改進(jìn)，并努力去實(shí)現(xiàn)它。 40 多年的

3、實(shí)踐證明摩爾定律有利于工業(yè)的發(fā)展及人類的需求。直至今日，半導(dǎo)體工業(yè)還是按照DRAM每18個(gè)月、微處理器每24個(gè)月集成度翻倍的規(guī)律發(fā)展著。61.1.2 摩爾定律2摩爾定律的未來(lái)隨著晶體管新材料的改進(jìn)，既可以通過大幅提升CPU主頻來(lái)實(shí)現(xiàn)更高性能，也可以通過降低主頻來(lái)提升能源效率。同時(shí)，微細(xì)加工技術(shù)的線寬仍在不斷地減小，目前生產(chǎn)線上所用的是45nm，而且30nm也已開始應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室所能做到的最小線寬為9nm。最新發(fā)展的納米技術(shù)使得制造性能更佳的計(jì)算機(jī)成為可能，而這已經(jīng)突破了硅技術(shù)所能達(dá)到的極限。 納米技術(shù)的出現(xiàn)使得半導(dǎo)體工業(yè)向制造分子級(jí)電子設(shè)備的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。研究顯示，碳納米管在性能

4、上不會(huì)遜色于硅晶體管，因?yàn)樗鼈兊捏w積要小得多，所以有很大希望成為將來(lái)納米電子技術(shù)的基礎(chǔ)。納米技術(shù)的前景非常廣闊，這樣的技術(shù)會(huì)使摩爾定律得以延續(xù)?？梢钥吹?，新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，使芯片的集成度進(jìn)一步提高成為可能。盡管集成度不可能無(wú)限地增加下去，但人們預(yù)計(jì)今后10年、20年甚至30年，芯片的制造依舊會(huì)繼續(xù)遵循摩爾定律。摩爾定律將會(huì)繼續(xù)激勵(lì)人們向更高的高度攀登。71.2 計(jì)算機(jī)的基本組成1.2.1 硬件系統(tǒng)1硬件組成2馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)3PC的結(jié)構(gòu)81.2.2 軟件系統(tǒng)1系統(tǒng)軟件1) 操作系統(tǒng)2) 語(yǔ)言處理程序3) 通用程序4) 各種服務(wù)支持軟件2應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指用戶在各自的應(yīng)用中，為解決自己

5、的有關(guān)問題而編寫的程序。 91.3 計(jì)算機(jī)的分層組織結(jié)構(gòu)從前面介紹的內(nèi)容可知，計(jì)算機(jī)是由硬件、軟件系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜的電子系統(tǒng)。不同的人從不同的角度、以不同的目的理解和描述的計(jì)算機(jī)是不一樣的。本節(jié)將說明在不同的層次上對(duì)計(jì)算機(jī)的不同理解，以利于用戶對(duì)本書后續(xù)內(nèi)容的理解和掌握。101.3.1 計(jì)算機(jī)分層結(jié)構(gòu)形式計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。111.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的表示形式。尋址方式。內(nèi)部寄存器組。指令集。中斷系統(tǒng)。處理器工作狀態(tài)及其切換。存儲(chǔ)系統(tǒng)。輸入/輸出結(jié)構(gòu)。信息保護(hù)及特權(quán)。高性能設(shè)計(jì)等。121.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)2計(jì)算機(jī)組成數(shù)據(jù)通路的寬度

6、。專用部件的設(shè)置(如乘除法專用部件、浮點(diǎn)運(yùn)算專用部件等)。各功能部件的并行程度，各種操作的相容性與互斥性。控制機(jī)構(gòu)的組成方式。緩沖與排隊(duì)技術(shù)的應(yīng)用。預(yù)估、預(yù)判方法。高可靠性技術(shù)等。3計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)131.4 計(jì)算機(jī)的分類及性能描述1.4.1 計(jì)算機(jī)的分類1早期的計(jì)算機(jī)分類方法2以用途分類|(1) 按照用途的不同，計(jì)算機(jī)可分按照用途的不同，計(jì)算機(jī)可分為通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)為通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)(專專用計(jì)算機(jī)用計(jì)算機(jī))。|(2) 按照用途的不同，通用計(jì)算機(jī)按照用途的不同，通用計(jì)算機(jī)又可分為個(gè)人計(jì)算機(jī)又可分為個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)和服務(wù)和服務(wù)器。器。141.4.1 計(jì)算機(jī)的分類3Flynn分類法Fl

7、ynn分類法將計(jì)算機(jī)分為4類，如圖1-5所示。|1) 單指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)單指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)|2) 單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)|3) 多指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)多指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)|4) 多指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)多指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)151.4.1 計(jì)算機(jī)的分類161.4.2 計(jì)算機(jī)的性能描述1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置1) 個(gè)人計(jì)算機(jī)配置2) 服務(wù)器配置2每秒鐘執(zhí)行指令的百萬(wàn)條數(shù)(MIPS)3每秒鐘執(zhí)行浮點(diǎn)數(shù)的百萬(wàn)次操作的數(shù)量(MFLOPS)171.4.2 計(jì)算機(jī)的性能描述4用測(cè)試程序來(lái)測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)的性能 1) 關(guān)于基準(zhǔn)測(cè)試程序|(1) 實(shí)際應(yīng)用程序，也就是計(jì)算機(jī)工作的真實(shí)程序。實(shí)際應(yīng)

8、用程序，也就是計(jì)算機(jī)工作的真實(shí)程序。|(2) 修正的實(shí)際應(yīng)用程序，即對(duì)上面真實(shí)程序進(jìn)行某些修改構(gòu)成的測(cè)試程序。修正的實(shí)際應(yīng)用程序，即對(duì)上面真實(shí)程序進(jìn)行某些修改構(gòu)成的測(cè)試程序。|(3) 核心程序，提取真實(shí)程序中的核心部分構(gòu)成的測(cè)試程序。核心程序，提取真實(shí)程序中的核心部分構(gòu)成的測(cè)試程序。|(4) 小測(cè)試程序，具有特定目的的且小測(cè)試程序，具有特定目的的且100行以內(nèi)的測(cè)試程序。行以內(nèi)的測(cè)試程序。|(5) 合成測(cè)試程序合成測(cè)試程序 2) SPEC CPU 2000基準(zhǔn)測(cè)試程序|(1) CINT 2000 |(2) CFP 2000 3) PC性能測(cè)試|(1) CPU基本性能測(cè)試。基本性能測(cè)試。|(2) 基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試。基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試。v 辦公應(yīng)用。辦公應(yīng)用。v 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作。多媒體創(chuàng)作。v 3D游戲處理性能。游戲處理性能。v 3D圖形性能。圖形性能。|(3) 實(shí)際應(yīng)用軟件測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用軟件測(cè)試。v MPEG-4編碼。編碼。v MP3編碼。編碼。v 文件壓縮。文件壓縮。181.