第1章

計算機概述主講老師：1.1計算機的發(fā)展1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類1.3計算機技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)第1章

計算機概述電子計算機是20世紀的一項偉大發(fā)明，它的出現(xiàn)帶來了一場新的工業(yè)革命，使人類社會進入了信息時代。電子計算機能自動、高速、精確地對信息進行存儲、傳送和加工處理，它的廣泛應(yīng)用推動了人類社會的發(fā)展與進步，深刻地影響了人們的生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。計算機科學的成果應(yīng)用于工程實踐所派生的諸多技術(shù)性和經(jīng)驗性成果的總合稱為計算機技術(shù)。1.1計算機的發(fā)展1．1．1計算機的發(fā)展歷程

計算機是20世紀40年代誕生的精靈，至今已發(fā)展了四代。第一代電子計算機(1946-1958)世界公認的第一臺電子數(shù)字計算機是1946年面世的ENIAC，全稱為“電子數(shù)值積分計算器”。使用了電子管和磁鼓儲存數(shù)據(jù)。占地面積170多平方米，重量約30噸，消耗近150千瓦的電力。1.1計算機的發(fā)展第二代電子計算機(1959-1964)采用晶體管邏輯元件及快速磁芯存儲器；開始使用面向過程的程序設(shè)計語言，如FORTRAN、ALGOL等；計算機速度從每秒幾千次提高到幾十萬次；具有體積小、效率高、功耗低等優(yōu)點；造就了美國國際商業(yè)機器公司(IBM)。在1958年研制全球第一臺全部使用晶體管的電子計算機RCA501，第二年生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計算機IBM7090。1.1計算機的發(fā)展第三代電子計算機(1964-1972)采用中小規(guī)模集成電路作為計算機的邏輯器件；計算機變得更小，功耗更低，速度更快；使用了操作系統(tǒng)；典型的機型是IBM360系列。1.1計算機的發(fā)展第四代電子計算機(1972-至今)大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)、甚大規(guī)模集成電路(ULSI)的應(yīng)用；單核CPU技術(shù)飛速發(fā)展（數(shù)億個）、多媒體個人電腦普及；多核（2~16個）CPU技術(shù)的發(fā)展，進一步提高了計算機的性能；超級巨型計算機的發(fā)展，我國的“天河二號”超級計算機，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算成績重新問鼎TOP500。1.1計算機的發(fā)展CrayXT5“美洲豹”超級計算機“天河－1”超級計算機美國的“泰坦”超級計算機中國的“天河二號”超級計算機1．1．2摩爾定律Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonMoore提出了著名的“摩爾定律”：集成電路(IC)上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

摩爾定律延伸為：若在相同面積的單晶硅圓片下生產(chǎn)同樣規(guī)格的集成電路，每隔一年半，集成電路產(chǎn)量就可增加一倍，換算為成本，即每隔一年半成本可降低一半。1.1計算機的發(fā)展

摩爾定律的意義在于鞭策IC制造商不斷改進技術(shù)和工藝、努力達到該定律目標的動力，促進IC產(chǎn)品持續(xù)降低成本、提升性能和增加功能。預(yù)計在未來10至15年仍然適用。后摩爾時代的計算機技術(shù)熱點

將在三個技術(shù)領(lǐng)域取得重要進展：光互聯(lián)、3維芯片和基于處理的加速器。1.1計算機的發(fā)展1．1．3現(xiàn)代計算模型圖靈機英國數(shù)學家艾倫?麥席森?圖靈(AlanMathisonTuring)于1936年提出的一種抽象計算模型，其基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數(shù)學運算的過程。圖靈機是用數(shù)學方法精確定義的計算模型?，F(xiàn)代電子計算機其實就是一種通用圖靈機，它能接受一段描述其他圖靈機的程序并運行，以實現(xiàn)該程序所描述的算法。1.1計算機的發(fā)展馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮?諾伊曼(JohnvonNeumann)于1945年6月發(fā)表了一份長達101頁的報告，提出了著名的馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)(程序存儲體系結(jié)構(gòu))。馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)包含三個要點：

進制數(shù)的形式表示數(shù)據(jù)和指令；將指令和數(shù)據(jù)按執(zhí)行順序都存放在存儲器中；由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成計算機。1.1計算機的發(fā)展馮?諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)理論CPU與內(nèi)存分開會導致所謂的“馮?諾伊曼瓶頸”，在CPU與內(nèi)存之間增加高速緩沖存儲器(Cache)能緩解馮?諾伊曼瓶頸問題；另一種缺陷是：一個設(shè)計不良的程序可能會傷害自己、其他程序甚或是操作系統(tǒng)，導致宕機。1.1計算機的發(fā)展非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)提出了若干非馮?諾依曼型的程序設(shè)計語言，并探索了適合于這類語言的新型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以脫離馮?諾依曼原有的計算機模式，尋求新型計算機模型：數(shù)據(jù)驅(qū)動模型需求驅(qū)動模型模式匹配驅(qū)動模型1.1計算機的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)計算網(wǎng)絡(luò)計算(NetworkComputing)是把網(wǎng)絡(luò)連接起來的各種自治資源和系統(tǒng)組合起來，以實現(xiàn)資源共享、協(xié)同工作和聯(lián)合計算，為各種用戶提供基于網(wǎng)絡(luò)的各類綜合性服務(wù)。企業(yè)計算——以實現(xiàn)大型組織內(nèi)部和組織之間的信息共享和協(xié)同工作為主要需求而形成的網(wǎng)絡(luò)計算技術(shù)，其核心是Client/Server計算模型和相關(guān)的中間件技術(shù)。網(wǎng)格計算——利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的超級計算機”，其中每一臺參與計算的計算機就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)格”。1.1計算機的發(fā)展對等計算——網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點都可以“平等”共享其他節(jié)點的計算資源。所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的設(shè)備都可以建立P2P對話。普及計算——強調(diào)人與計算環(huán)境的緊密聯(lián)系，使計算機和網(wǎng)絡(luò)更有效地融入人們的生活,讓人們在任何時間、任何地點都能方便快捷地獲得網(wǎng)絡(luò)計算提供的各種服務(wù)。云計算——是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算新方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個人和企業(yè)用戶提供按需即取的計算。1.1計算機的發(fā)展1.1.4我國計算機技術(shù)的發(fā)展我國計算機系統(tǒng)和高性能計算機的發(fā)展1956年6月我國制定了“十二年科學技術(shù)發(fā)展遠景規(guī)劃”，并提出立即籌建研究機構(gòu)。同年8月國務(wù)院正式批準成立中國科學院計算技術(shù)研究所。1958年8月，我國成功仿造蘇聯(lián)M-3小型數(shù)字電子計算機——“103計算機”，標志著我國第一臺通用數(shù)字電子計算機已經(jīng)誕生，運算速度為每秒1800次。1965年研制成功我國第一臺109乙型通用晶體管計算機，標志著我國整機研制技術(shù)已進入第二代。1973年研制了我國第一臺百萬次集成電路電子計算機——150機研制成功，該機字長48位，存儲容量13KB。標志著我國整機研制技術(shù)已進入第三代。1983年，國防科技大學研制成功銀河I號巨型計算機，運算速度達每秒1億次，標志著我國巨型機研制成功1.1計算機的發(fā)展1993年，由國防科技大學研制的銀河計算機Ⅱ型通過鑒定，每秒運算l0億次；1995年，銀河Ⅲ型并行巨型計算機通過基準程序的測試，其峰值速度是130億次。1999年，銀河Ⅳ超級計算機系統(tǒng)問世，峰值性能達到每秒1.0647萬億次浮點運算。2001年，曙光3000通用超級并行計算機系統(tǒng)研制成功，快運算速度達每秒4032億次。2009年，我國首臺千萬億次超級計算機系統(tǒng)“天河－1”的誕生，2010年升級后的“天河－1A”問鼎TOP5001.1計算機的發(fā)展2013年，我國的“天河二號”超級計算機以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居TOP500榜首，至2015年6月“天河二號”實現(xiàn)了TOP500的“五連冠”。1.1計算機的發(fā)展我國的CPU芯片技術(shù)的發(fā)展我國從2001年開始進行CPU芯片——龍芯的研制。2002年，創(chuàng)建了北京神州龍芯集成電路設(shè)計有限公司；2002年9月，發(fā)布了龍芯1號通用CPU芯片。采用0.18微米CMOS工藝實現(xiàn)，定點字長32位，浮點字長64位，主頻266MHz，實際運行功耗小于0.5瓦；2006年初龍芯2E流片成功。該芯片采用90納米工藝，主頻達到1GHz，實際性能已相當于中、低檔的Intel奔騰4芯片；1.1計算機的發(fā)展2008年末4內(nèi)核的龍芯3A流片成功，采用65納米工藝，主頻1GHz，晶體管數(shù)目達到4.25億個；2009年，龍芯3B推出，它是首款國產(chǎn)商用8核處理器，主頻達到1GHz，支持向量運算加速，峰值計算能力128GFLOPS；2010年上海高性能集成電路設(shè)計中心推出了16核CPU——申威SW1600，其采用65nm工藝和64位RISC架構(gòu)及自主指令集；2015年7月正式推出全新一代“龍芯3B2000”處理器。龍芯3B2000使用全新微架構(gòu)設(shè)計——64位處理器核

GS464，支持雙路8核以及四路16核服務(wù)器。國產(chǎn)CPU為提高我國信息產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力、改變我國信息領(lǐng)域核心技術(shù)受制于人的被動局面做出了杰出貢獻。1.1計算機的發(fā)展1.1.4計算機語言的發(fā)展

計算機語言可以分為機器語言，匯編語言，高級語言三大類。機器語言(MachineLanguage)用二進制代碼表達計算機指令的語言；指令的前半部二進制位表示操作碼，后半部二進制位表示地址碼或操作數(shù)；機器語言是面向機器的語言，對不同型號的計算機來說一般是不同的。1.1計算機的發(fā)展匯編語言也是面向機器的程序設(shè)計語言；用助記符號代替操作碼，用地址符號或標號代替地址碼；要由一種程序（匯編程序）將匯編語言翻譯成機器語言；把匯編程序代碼翻譯成機器語言的過程稱為匯編；相對機器語言，提高了可讀性、易學性1.1計算機的發(fā)展高級語言與硬件無關(guān)的、近似于人類自然語言的、高效易學的計算機語言；經(jīng)歷了從非結(jié)構(gòu)化語言到結(jié)構(gòu)化、從面向過程到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言的轉(zhuǎn)化；最終目標應(yīng)該是發(fā)展成為面向應(yīng)用語言，即能根據(jù)需要能自動生成算法、自動進行處理的程序語言。FORTRAN語言、ALGOL語言、COBOL語言、BASIC語言、PASCAL語言、C語言、C++語言、HTML語言、Java語言等都是常見的高級程序語言。1.1計算機的發(fā)展1.2.1計算機的主要特點

計算機本身具有其它設(shè)備所不具備的諸多特點：運算速度快：已經(jīng)從最初的每秒千次級發(fā)展到每秒億億次級；計算精度高：與計算機CPU的字長(即每次能夠處理的最大二進制位數(shù))的指標有關(guān)，字長越長則精度越高；具有“記憶”和邏輯判斷功能：可以把原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、運算指令等信息存儲起來，供用戶調(diào)用；CPU的邏輯運算功能，在運算過程中實現(xiàn)各種邏輯判斷，并根據(jù)判斷的結(jié)果自動決定下一步應(yīng)執(zhí)行的命令。1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類程序運行自動化：依次取出指令，逐條執(zhí)行，完成各種規(guī)定的操作，不需要人工干預(yù)；可靠性高：連續(xù)無故障運行時間可達到幾十萬小時以上，具有極高的可靠性；通用性好：采用“馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)”，對于解決不同的問題，只是執(zhí)行不同的程序；還具有體積小、重量輕、耗電少、維護方便、可靠性高、易操作、功能強、使用靈活、價格便宜等特點。1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類1.2.2計算機的應(yīng)用

計算機具有高速精確的、超凡的數(shù)據(jù)處理能力、邏輯判斷能力，其應(yīng)用涉及到科學研究、軍事技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、文化教育、日常生活等各個領(lǐng)域：科學計算科學計算信息處理實時控制計算機輔助系統(tǒng)人工智能計算機網(wǎng)絡(luò)通信辦公自動化1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類1．2．3計算機的分類IEEE分類法IEEE提出一個分類報告，它根據(jù)計算機在信息處理系統(tǒng)中的地位與作用，考慮到計算機分類的演變過程和可能的發(fā)展趨勢，把計算機分為6大類：大型主機超級小型計算機個人計算機工作站巨型計算機小巨型計算機1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類按計算機中信息的表示形式和處理方式劃分從計算機中信息的表示形式和處理方式的角度分為三大類：數(shù)字電子計算機模擬電子計算機數(shù)字模擬混合電子計算機1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類按計算機的用途分類計算機按其用途可分為通用計算機和專用計算機兩類：通用計算機專用計算機

需要說明的是：隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展，對計算機的分類標準不是固定不變的，而是不斷提高“升值”?，F(xiàn)在的高檔微型機，其性能指標已超過早期的大型機。1.2計算機的特點、應(yīng)用和分類