2 计算机的发展及应用

第二章计算机发展及应用计算机组成原理作者：唐朔飞高等教育出版社主讲人：陈志勇山东大学计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院2第二章教学目的：建立起单机系统的整体概念，并初步了解有关计算机硬件系统的基本常识和基本概念。计算机科学与技术学院3内容提要2.3计算机的展望2.2计算机的应用2.1计算机的发展史计算机科学与技术学院42.1计算机的发展史一、计算机的产生和发展1946年美国ENIAC1955年退役十进制运算180001500150301500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5000次加法／秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)计算机科学与技术学院5第一台数字电子计算机——ENIACHermanH.Goldstine二战期间美国设在马里兰州阿伯丁试验基地的弹道研究室每天要为陆军提供6张火力表。弹道的计算比较复杂，不同的大炮有不同的弹道轨迹，同时还受到地形、风向、射击角度和炮弹的类型等许多因素的制约，一张表要计算几百条弹道轨迹。一个熟练的计算人员用台式计算机计算一条飞行时间60秒的弹道就得需要20多小时。当时，负责阿伯丁弹道研究室弹道计算任务的是拥有数学博士学位的陆军中尉赫尔曼•戈德斯坦。一个偶然的机会，戈德斯坦得知宾夕法尼亚大学莫尔电工学院有人正在进行电子计算装置的研制，便当即决定给予支持。计算机科学与技术学院6第一台数字电子计算机——ENIACJohnW.Mauchly1942年8月，莫克莱与戈德斯坦共同起草了一份题为《高速电子管计算装置的使用》(TheUseofHigh-SpeedVacuumTubeDeviceforCalculating)的报告，提出了电子计算机的设计方案，它是一台“电子数值积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）”，简称ENIAC。HermanH.Goldstine计算机科学与技术学院7ENIAC埃克特AccumulatorDecadePlug-inUnit,fromENIACProgressReport,30June,1944JohnPresperEckert计算机科学与技术学院8第一台数字电子计算机——ENIAC埃克特于1944年1月写出了磁带计算机的报告，提出将数据和指令存放到同一类型的存储器或磁带上的想法——最早出现的存储程序思想；1944年3月，他又提出了使用水银延迟线制作存储装置的设想。计算机科学与技术学院9PresidentTrumaninfrontofENIAC第一台数字电子计算机——ENIAC计算机科学与技术学院10ENIAC主频100kHz，加法时间0.2ms，乘法时间2.8ms。ENIAC重达30吨，占地170平方米，共用了18600个电子管，运算速度达到每秒5000次，比当时的计算机快1000倍，是手工计算的200,000倍。但也存在着严重的不足：使用十进制，一方面造成数据存储十分困难，因为很难找到具有十种不同稳定状态的电气元件；另一方面十进制运算电路比较复杂，影响了计算速度。无程序存储功能，ENIAC为外插接型计算机，所有计算的控制需要通过手工与其板面开关和插接导线来完成。存储容量小，只有20个字节的寄存器存储数字。故障率高，维护量大。ENIAC由近2万只电子管组成，电子管工作时散发的热量很大，影响了电子管的使用寿命。功耗大，ENIAC工作时耗电量为每小时150千瓦。第一台数字电子计算机——ENIAC计算机科学与技术学院11ENIAC研制小组主要成员，左一为埃克特，右四为莫克莱，左四为戈德斯坦。第一台数字电子计算机——ENIAC计算机科学与技术学院12冯•诺依曼的EDVAC方案1944年1月29日，埃克特经过严密思考，写了一个有关磁盘计算机的报告，首次提出了将程序和数据都放在磁盘上的设想；1945年6月，冯•诺依曼提出了一个全新的存储程序通用计算机方案“EDVAC”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer——意为“离散变量自动电子计算机”)；精通7门语言；鉴于冯•诺依曼在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为“计算机之父”；在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为“博弈论之父”；在物理领域，冯·诺依曼在30年代撰写的《量子力学的数学基础》已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。计算机科学与技术学院13冯•诺依曼的EDVAC方案1945年6月30日，冯•诺依曼起草了《FirstDraftofaReportontheEDVAC》：明确规定新型计算机有5个组成部分：(1)计算器CA；(2)逻辑控制装置CC；(3)存储器M；(4)输入I；(5)输出O同ENIAC相比，EDVAC方案有两个重大改进：(1)为充分发挥电子元件的高速度而采用了二进制；(2)提出了“存储程序”，可以自动地从一个程序指令进到下一个程序指令，其作业顺序可以通过一种称为“条件转移”的指令而自动完成。长达101页的EDVAC方案是计算机发展史上的一个划时代的文献。在这个方案中，首次提出了存储程序的概念，解决了第一台电子计算机ENIAC的重大缺陷。也正是在这一方案中，提出了现代计算机发展的基本体系结构，从而奠定了现代计算机的发展基础。计算机科学与技术学院14冯•诺依曼的EDVAC方案1952年，冯·诺伊曼等人完成了EDVAC机的建造工作。EDVAC只用了3600只电子管，占地面积不足ENIAC的1/3，几乎具备了现代电子计算机的一切特征。PhotographofEDVAC,ca.1948.PlanofEDVAC计算机科学与技术学院15数字电子计算机数字电子计算机第一代：约1946-1957电子真空管第二代：约1957-1964晶体管第三代：约1965-1971中小规模集成电路第四代：约1972-1977大规模集成电路威廉·肖克利，晶体管之父1956年诺贝尔物理学奖杰克·基尔比，集成电路之父2000年诺贝尔物理学奖发明人：罗伯特·诺伊斯、杰克·基尔比计算机科学与技术学院16硬件技术对计算机更新换代的影响100000000超大规模集成电路1978－现在五10000000大规模集成电路1972－19771000000中小规模集成电路1965－1971200000晶体管1958－196440000电子管1946－1957速度/（次/秒）硬件技术时间代三四二一2.1计算机科学与技术学院17二、微型计算机的出现和发展1968年，罗伯特•诺伊斯（RobertNoyce）、戈登•摩尔（GordonMoore）和安迪•格鲁夫（AndyGrove）在硅谷共同创立了英特尔公司。OnlytheParanoidSurvive!-AndyGrove了解计算机科学与技术学院18摩尔定律Moore‘sLaw：Thenumberoftransistorsperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month.这个论断是在第一块平面集成电路产生4年以后的1965年做出的。当时认为这个发展趋势将持续到1975年。Intel公司创建人之一戈登·摩尔事实上，这个发展规律在目前仍是正确的。计算机科学与技术学院19Intel微处理器发展概述1.第1代微处理器•Intel4004/4040—4位微处理器(1971)•Intel8008—低档8位微处理器(1972)2.第2代微处理器•Intel8080/8085—8位微处理器(1974)•指令比较完善，有了中断与DMA•汇编、BASIC、FORTRAN了解计算机科学与技术学院203.第3代微处理器•Intel8086—16位微处理器(1978)数据总线16位、地址总线20位•Intel8088—准16位微处理器(1979)外部数据总线8位，内部数据总线16位IBMPC(1981)、IBMPC/XT•Intel80286—高档16位微处理器(1982)数据总线16位，地址总线24位IBMPC/AT实地址模式、虚地址保护模式虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址Intel微处理器发展概述了解计算机科学与技术学院21Intel微处理器发展概述了解计算机科学与技术学院22Intel公司的典型微处理器产品80808位1974年808616位1979年2.9万个晶体管8028616位1982年13.4万个晶体管8038632位1985年27.5万个晶体管8048632位1989年120.0万个晶体管Pentium64位（准）1993年310.0万个晶体管PentiumPro64位（准）1995年550.0万个晶体管PentiumⅡ64位（准）1997年750.0万个晶体管PentiumⅢ64位（准）1999年950.0万个晶体管PentiumⅣ64位2000年4200.0万个晶体管2.12007年芯片上可集成3亿5千万个晶体管预计2010年芯片上可集成8亿个晶体管计算机科学与技术学院23世界上最快的超级计算机美国IBM公司生产的红杉（Sequoia）超级计算机红杉拥有总计高达157万多颗处理器核心，运算速度为16.32Petaflop(每秒16.32千万亿次浮点运算)，比世界上速度第二快的超级计算机：日本的K计算机快了55%。计算机科学与技术学院24世界上最快的超级计算机中国国家超级计算中心（天津）的Tianhe-1A计算机天河-1A拥有总计高达20多万颗处理器核心，运算速度为2.5Petaflop(每秒2.5千万亿次运算)，2010年曾雄踞Top500的第一位，目前已退居第5位。比当时第二位的计算机高30%计算机科学与技术学院25世界上最快的超级计算机美国洛斯阿拉莫斯国家实验的IBMRoadrunner计算机每秒1.105千万亿次（2008年底第1，目前已退出前10名）计算机科学与技术学院262.1最权威的超级计算机排名的参考网址三、软件技术的兴起和发展机器语言面向机器汇编语言面向机器高级语言面向问题FORTRAN科学计算和工程计算PASCAL结构化程序设计C＋＋面向对象Java适应网络环境1.各种语言2.1计算机科学与技术学院282.系统软件语言处理程序汇编程序编译程序解释程序操作系统DOSUNIXWindowsLinux服务性程序装配调试诊断排错数据库管理系统数据库和数据库管理软件网络软件2.1计算机科学与技术学院293.软件发展的特点⑴开发周期长⑵制作成本昂贵⑶检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档2.1计算机科学与技术学院302.2计算机的应用一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制三、网络技术1.电子商务2.网络教育（远程教育和视频点播）3.敏捷制造（虚拟企业or柔性制造）计算机科学与技术学院31四、虚拟现实（仿真训练系统）五、办公自动化和管理信息系统六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术（动漫制作）八、人工智能（模式识别/语音识别/专家系统/机器人等）2.2计算机科学与技术学院322.3计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级智能功能要求计算机的速度达1015/秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制•芯片集成度受物理极限的制约•按几何级数递增的制作成本•芯片的功耗、散热、线延迟计算机科学与技术学院33三、？替代传统的硅芯片1.光计算机2.DNA生物计算机3.量子计算机（实现量子计算的设备）利用光子取代电子进行运算和存储通过控制DNA分子间的生化反应完成运算利用原子所具有的量子特性2.3