第1讲 微机基础

冯·诺依曼的构想
• 冯·诺依曼在一个报告中对 EDVAC计划进行了描述。 冯·诺依曼的报告被称为 “在计算机科学史上最具 影响力的论文”。该报告 是最早专门定义计算机部 件并描述其功能的文档。 • 基于冯·诺依曼论文中提出 的概念，我们可以定义 “计算机”为一种可以接 受输入、处理数据、存储 数据并产生输出的装置。
hello executable stored on disk
小结
• • • • • • 计算机 计算机系统分类 冯诺依曼体系结构 CPU 主存和辅存 外设（I/O）
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– Lack of clock frequency growth – multicore
• 2015
– Data carrying capability and efficiency of wire – IS there a way?
摩尔定律还能继续吗？
• 二维光刻的极限
– 硅原子的直径约为0.5纳米(nm)，按目前的提高 速度，到2022~2024年，光刻系统将能够使用5 纳米技术在原子尺度上制造出晶体管
，使测量和 操控单个量子体系成为可能。
目前发展的系统
• 包括如下物理系统：
– 液态核磁共振量子电脑（liquid-state NMR quantum computer） – 固态核磁共振量子电脑（silicon-based NMR quantum computer） – 离子陷阱（ion trap） – 量子光学（quantum optics） – 腔室量子电动力学（cavity QED） – 超导体方案 – 拓扑量子计算（topological quantum computing）
计算机的分类
• 个人计算机：台式计算机、便携计算机
– 性能价格比
• 服务器（商用）
– 高可靠性、吞吐率 – 低时延 – 可扩展
• 嵌入式计算机系统（专用）
– 低成本，低功耗，小体积
电子计算机及其发展
1 电子管时代（从ENIAC诞生到50年代后期） 2 晶体管时代（50年代中期到60年代中期） 3 集成电路时代（60年代中期到70年代前期） 主要特点是：通用化、系列化、标准化 4 大规模集成电路时代（70年代初到80年代初） 5 超大规模集成电路时代（80年代以后） 6 生物神经网络时代（人工智能）
Expansion slots for other devices such as network adapters
hello executable stored on disk
CPU Register file PC ALU System bus Memory bus Main "hello,world\n" memory hello code
– 时间局部性：一条指令的一次执行和下次执行， 一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较 短时期内； – 空间局部性：当前指令和邻近的几条指令，当前 访问的数据和邻近的数据都集中在一个较小区域 内。
典型的存储器结构
3.3.3 输入/输出子系统
4 输入/输出子系统中的设备可以分为两大类： 非存储设备和存储设备。
Ø Ø Ø 微型计算机组成 汇编语言（小学期已学） 接口技术及其应用
计算机原理及应用
要求：
1.内容多、概念多，易讲难学，需课堂下 多复习。 2.掌握概念，认识计算机的整体，再分解 成各个部件，最终形成整体。 3.每人至少看三遍书。 4.特别掌握上机实验。
计算机原理及应用
考试：
1. 闭卷笔试 2. 上机实验 3. 平时成绩
Bus interface
I/O bridge
I/O bus USB controller Mouse Keyboard Graphics adapter Display "hello,world\n" Disk Disk controller
Expansion slots for other devices such as network adapters
微型计算机基本组成
计算机系统的组成
软件 计算机系统 (层次结构)
应用软件 编辑软件，编译软件 系统软件 操作系统 硬件及固件（裸机）
计算机硬件组成
外设
输入设备
存储器 辅助存储器
输出设备
主存储器
运算器
控制器
CPU 主机
控制 数据 地址或指令
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计算机硬件组成
中央处理单元（CPU）
CPU = 算术逻辑单元 + 控制单元＋寄 存器 CPU = 运算器 + 控制器
70分 20分 10分
第一章 微型计算机基础
• 计算机技术的发展概况 • 微型计算机系统的基本组成
什么是计算机
• 计算机 VS 计算器
什么是计算机
• 计算机
– 模拟人脑 – 电脑：
• 是一种利用电子学原理，根据一系列指令来对数据 进行处理的机器。 • 处理信息的工具。根据图灵机理论，一部具有最基 本功能的计算机，应当能够完成任何其它计算机能 做的事情。
• 数据移动的能量开销
– 互联材料的本征电阻将对任何涉及电子的解决 方案形成限制
摩尔定律还能继续吗？
• 美国高级情报研究计划署：面向智能社会 的备选计算技术展望 • 四种基本的计算模型：
– 经典数字计算(Classical Digital Computing, CDC) – 模拟计算(Analog Computing, AC) – 神经启发计算(Neuro-inspired Computing, NC) – 量子计算(Quantum Computing, QC)
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼的三个重要设计思想
l 采用二进制数表示指令和数据; l 将程序（由一系列指令组成）和数据存放在计算机的内 存中，并让计算机自动执行 l 五大基本部件;
冯·诺伊曼瓶颈
• 将CPU与内存分开并非十全十美，反而会导致所谓 的冯·诺伊曼瓶颈（von Neumann bottleneck） • 在CPU与内存之间的流量（数据传输率）与内存的 容量相比起来相当小，在现代电脑中，流量与CPU 的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当 CPU需要在巨大的资料上执行一些简单指令时）， 数据流量就成了整体效率非常严重的限制。CPU将 会在资料输入或输出内存时闲置。由于CPU速度远 大于内存读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。
输入设备 非存储设备 输出设备 磁介质存储设备 存储设备 光存储设备 其他存储设备
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1非存储设备 1. 键盘输入设备 2. 扫描仪 输入设备 3. 音频输入设备 4. 视频输入设备 5. 其他 1. 显示器 输出设备 2. 打印机 3. 其他
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外部存储设备
外部存储设备又称为辅助存储器。用来存放暂时不参 与运行的程序和数据。CPU不能直接访问辅助存储 器，需要时将信息先传送到主存。 1. 硬盘 磁介质存储设备 2. 软盘 3. 磁带 4. … 辅助存储器
电子计算机研制基础
• 1937年，年仅21岁的麻省理工学院研究生 克劳德·香农（Claude Shannon）发表了他 的伟大论文《对继电器和开关电路中的符 号分析》，文中首次提及数字电子技术的 应用。他向人们展示了如何使用开关来实 现逻辑和数学运算。 • Almon Strowger，他为一个含有逻辑门电路 的设备申请了专利； • 尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），他早在 1898年就曾申请含有逻辑门的电路设备； • Lee De Forest，于1907年他用真空管代替了 继电器。
量子计算机
• 量子计算机是一种使用量子逻辑实现通用计算 的设备。不同于电子计算机，量子计算用来存 储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来 进行数据操作。 • 量子计算机仍处于研究阶段。 • 然而2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 发布了一款号称 “全球第一款商用型量子 计算机”的计算设备“D-Wave One”[1]。 该量 子设备是否真的实现了量子计算目前还没有得 到学术界广泛认同[2]。
主机
主机 = CPU + 主存储器
外部设备（广义的输入/输出设备）
除去主机以外的硬件装置（如输入设 备、输出设备、辅助存储器等）
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中央处理单元（CPU）
2 CPU 包括三部分：算术逻辑单元 (ALU)、控制 单元和寄存器。
程序计数器 控制单元 寄存器
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主存储器
2 主存储器是存储单元的集合。 2 每一个存储单元都有惟一的标识符——地 址。 2 数据以字（或字节）的形式在存储器中传 入或传出。
• 集成电路中的晶体管数平均每18个月翻 一番，芯片的性能也随之提高一倍 • 引起计算机突飞猛进的主要原因是芯片 集成度的提高
摩尔定律还能继续吗？
• 1980s:
– the power density of bipolar transistor logic – CMOS logic
• 2004:
第1章 微机基础
王耀威 56教研室 yaoweiwang@
What is a Ph.D.？
计算机原理及应用 学时：56学时 （108-72-64-56）
–教学40学时（1-14周） –上机16学时（5个实验）
包括：并行、串行、定时、中断、AD/DA转换
微机原理及应用 内容：
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存储器层次结构
• • • • CPU内部 主存 在线大容量存储 离线超大容量存储
Cache
• 解决两层之间速度不匹配问题
局部性原理
• 局部性原理(principle of locality)：指程序在执 行过程中的一个较短时期，所执行的指令地 址和指令的操作数地址，分别局限于一定区 域。还可以表现为：
光存储设备