农业信息化导论第2章

农业信息技术第二章计算机组成原理王玉洁北京农学院第二章计算机组成原理第一节计算机的产生与发展第二节计算机的应用第三节计算机系统组成第四节计算机的核心部件第五节机器人与可穿戴计算机计算机是信息系统中重要的组成部分，是其核心部分。计算机是一种能够自动、快捷，准确地实现信息存放数值计算、数据处理过程控制等多种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信息处理。计算机是信息处理机，它是人脑功能的延长，能帮助人更好地存储信息、检索信息、加工信息和再生信息。第一节计算机的产生与发展1、计算机的发展硬件这个术语来自于英文Hardware，原意指金属物品，引申为组成计算机的装置的总称。计算机硬件分为模拟计算机与数字计算机两类。公元600年左右，我国出现新的计算工具——算盘。17世纪欧洲出现计算尺和机械式计算机。19世纪英国数学家巴贝齐(1792-1871)提出通用计算机的基本设计思想。被世人公认为是“计算机之父”。20世纪由于电器元件的发展，出现了机电式计算机。计算机的发展1642BlaisePascal加法器1822差分机1833分析机ENIAC19世纪中叶，英国数学家布尔(1824-1898)创立了布尔代数。1937年英国数学家图灵(1912-1954)提出了著名的“图灵机”的模型。1946年2月世界上第一台电子计算机ENIAC在美国的宾夕法尼亚大学诞生。世界上第一台电子数字计算机1946年，美国宾夕法尼亚大学，ENIAC——ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator[Computer]，电子数字积分计算机，用手工搬动开关和拔插电缆来编程，1955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1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世ENIAC计算机的发展阶段第一代1946年电子管计算机每秒几千次至几万次数据处理机第二代1958年晶体管计算机每秒几万次至几十万次工业控制机第三代1965年中小规模集成电路计算机每秒几十万次至几百万次小型计算机第四代1971年大规模集成电路计算机每秒几百万次至几千万次微型计算机第五代1978年超大规模和巨大规模集成电路计算机每秒几亿次至上千亿次单片计算机40044004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。80081972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。Apple1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs开发出微型计算机AppleI，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。AppleII是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。AppleII及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。2、计算机分类数字计算机模拟计算机数模混合计算机按处理对象按使用范围通用计算机专用计算机按规模……巨型计算机大/中型计算机小型计算机微型计算机工作站或服务器•区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格单板机单片机超级计算机大型机服务器工作站微型机单片机微型计算机发展的几个阶段起迄年份代别位长代表性芯片8位16位Intel8086,Intel80286Z8000,MC6800032位Intel80386和8048664位Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ1971~19771978~19841985~19921993至今一二三四Intel8008一般用户观察到的计算机硬件系统计算机设计者观察到的计算机硬件系统计算机控制器TTLMOS晶体管1门1寄存器1晶体管2外设存储器ALU寄存器2寄存器N门K门2晶体管T............系统级寄存器级门级晶体管级物理级计算机控制器TTLMOS晶体管1门1寄存器1晶体管2存储器ALU寄存器2寄存器N门K门2晶体管T系统级寄存器级门级晶体管级物理级专业用户观察到的计算机硬件系统3、计算机最新技术代表—超级计算机500强超级计算500强排行榜评选由美国田纳西州立大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室和德国曼海姆大学整理，根据世界范围内超级计算机的性能共同完成。每半年发布一次。超级计算机是衡量一个经济体综合实力的重要指标，技术门槛极高，同时也是科研实力的体现。研发功耗更低、性能更优、体积更小的超级计算机，已经成为全球高技术产业竞争越来越激烈的领域。2010年6月1日，国际超级计算机大会在德国汉堡，会上公布了最新的超级电脑500强排行榜。世界最快的超级电脑位于美国田纳西州橡树岭国家实验室，名为“CrayJaguar”，主要用于模武器模拟，去年十一月它的速度是1750万亿次。曙光星云（英文名：DawningNebulae）位于深圳国家超级计算机中心，运算速度1270万亿次，居世界超级电脑500强第二位。在从美国联邦政府经济刺激计划中获得1990万美元的升级经费以后，“美洲豹”XT5系统的运算速度最终达到1.759千万亿次，一举成为当今世界上最快的超级计算机。这台世界上最快的超级计算机致力于解决可能拯救世界的科学难题——气候变化、可再生能源等，而不是用以提升核武器的性能。“美洲豹”XT5系统由美国国家科学基金会出资、Cray公司建造，田纳西大学和国家计算科学研究院共同拥有。“星云”由曙光公司的TC3600刀片系统集群组成，内部采用英特尔至强X56502.66GHz六核处理器、NVIDIATeslaC2050图形处理器，总计120640个计算核心，运行Linux操作系统，计算速度为每秒钟1.27千万亿次(PFlops)浮点运算。据了解，“星云”将于今年年底交付国家超级计算深圳中心，用于科学计算、互联网智能搜索、基因测序等行业和领域。国防科技大学研制、去年十月底刚刚亮相、位于天津国家超级计算中心的天河一号(Tianhe-1)排在第七位。这是我国超级计算机的最好成绩，此前曙光4000A和曙光5000A曾两次排到第十位。已经有426套系统使用了四核心处理器，在几乎所有方面都加速了性能提升，另外双核心系统59套、单核心系统只剩4套，还有3套使用AMD六核心伊斯坦布尔、6套使用九核心的IBMCell。3、厂商方面HP制造的系统仍略微多于IBM的，210套对185套，但就总体性能来说还是IBM更高，34.8％对22.8％，只不过二者份额均有所下滑(Cray崛起)。处理器家族分布图“走鹃”(Roadrunner)超过1PFLops到底是什么概念呢？粗略地说相当于大约10万部笔记本。美国国家核安全局局长ThomasAgostino打了个形象的比喻：如果让全世界60亿人每天24小时、每周7天执行纯手工计算，那么需要46年的时间才能完成Roadrunner一天的工作量。天河一号采用IntelXeonE55402.53GHz/E54503.00GHz四核心处理器(分别为Nehalem和Penryn架构)、Infiniband网络、Linux操作系统，共有71680个处理核心、98304GB内存，最大性能563.10TFlops，峰值性能1206.19TFlops，主要用来执行石油勘探、大飞机设计模拟等任务。特别值得一提的是，这是一套混合设计系统，使用Intel处理器和AMDRadeonHD4870X2显卡共同进行加速处理，每个节点内包含两颗Xeon和一块双芯片的RadeonHD4870X2。天河一号在此项榜单中，IBM从惠普手中夺回了系统占有率第一的交椅，从安装率上看，IBM也是第一名；另外，Cray的XT系列系统保持了在大型研究客户中的欢迎程度，Top50中有十名客户使用了Cray的系统。在这期榜单中，来自中国的系统占到了24台，是个非常大的提升。Top500官方称，由于中国高性能计算迅猛发展和德国的下降，现在中国在高性能计算方面仅次于美国、英国和法国，位居第四。81.6%的占有率和90%以上四核的系统都使得英特尔几乎垄断了高端处理器市场。在整个榜单中，85%的系统采用了四核处理器，而有5%的系统已经使用了六核或者更多核的处理器。第二节计算机的应用1.科学计算科学研究和工程技术领域节省大量时间、人力和物力2.自动控制微型机单片机3.测量测试对测量和测试设备本身进行控制采集数据并进行数据处理6.家用电器独立电器蓝牙电器网络电器7.人工智能使计算机能够模仿人的高级思维活动模式识别文字、图像、颜色、自然景物、声音语言等机器人索尼公司生产的AIBO狗。AIBO有16个自由度，保证了能够进行复杂的姿态运动，传感器有微CCD摄像机、麦克风和加速度传感器，能够进行图象处理、语音信号处理和姿态估计。AIBO的实现主要有行为模型、情绪模型以及学习进化的模型。每一部分模型的设计和实现都相当复杂。AIBO的情绪模型使用的是前面提到的早稻田大学高西的情绪模型。“勇气”号如图所示，拥有自己的大脑、躯体、头颈、感官、手臂、轮腿、温控、能源及通讯等九大器官。这被NASA称作迄今为止最聪明的机器器人开创的不仅是人类探索太空的历史，也将人机交互技术的最先进成果直观地展现给了全世界。第三节计算机系统组成计算机是一个十分复杂的软、硬件结合而成的整体，由计算机硬件系统与软件系统组成。计算机系统的基本构成主存I/O接口运算器控制器内部寄存器组CPU系统总线主机辅存I/O设备外设计算机硬件计算机系统计算机软件1、计算机系统硬件组成计算机硬件（Hardware）：是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。1、中央处理器CPU由运算器和控制器组成，负责数据运算处理、分析指令并向其它部件发出控制信号。2、存储器存放数据与程序3、输入输出设备将各种待处理信息转换并输入计算机；将处理结果转换并输出。4、总线连接各功能部件并传送信息的公共通道。存储器运算器控制器适配器与输入输出设备CPU主存外设系统总线计算机组成内部总线控制器运算器寄存器组CPU组成总线系统：各部件之间传送信息的通路和器件计算机硬件系统的基本构成2、计算机的设计思想存储程序控制“存储程序”是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序；“程序控制”是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务。冯诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按地址顺序执行。冯.诺依曼机的特点（1）采用二进制表示数据和指令；（2）计算机系统以运算器为中心，由五个部分组成，控制器集中控制整个系统；（3）存储器线性编址，按址访问其单元，单元的位数固定。存储器存放数据与指令；（4）指令在存储器中按其顺序存放。计算机的结构组成运算器控制器主存储器输入设备输出设备辅助存储器CPU控制数据地址或指令主机外设存储器计算机系统的基本构成系统软件应用软件计算机软件计算机系统计算机硬件操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库。。。MISERPOFFICEOUTLOOK。。。3、计算机系统软件组成计算机软件（Software）：是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。计算机程序是为完成某个任务而编写的一组指令的有序集合。指令是指挥计算机完成一个操作的命令。一台计算机全部指令的集合，称为计算机的指令系统。计算机能理解并执行的指令是用二进制编码编写的，称为机器指令。这种编码称为机器语言。用助记符来编写指令称为汇编语言；其程序为汇编语言程序。脱离硬件的编程语言，因其功能强，被称为高级语言。计算机系统的层次结构应用程序数据库管理系统等系统软件操