计算机系统基础_第1章 绪论

现代计算机
第三代:集成电路计算机时代(1965--1970)。
这个时期的计算机 硬件采用中、小规模集成电路 (IC) 作为基本器件，计算机的体积更小，寿命更长，功耗、价 格进一步下降，而速度和可靠性相应地有所提高，计算机 的应用范围进一步扩大。软件方面出现了操作系统 ，软件 出现了结构化、模块化程序设计方法。软、硬件都向系统 化、多样化的方面发展。由于集成电路成本迅速下降，生 产了成本低而功能比较强的小型计算机供应市场，占领了 许多数据处理的应用领域。其中，1965年问世的IBM360系 列是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第 三代计算机。它的主要特点是通用性、系列化和标准化。 美国控制数据公司(CDC ) 1969年1月研制成功的超大型计 算机CDC7600，速度达每秒1千万次浮点运算，是这个时期 最成功的计算机产品。
思考
有一个二维数组a[5000][5000], 取出并打印内部的所 有数据。
当然我快！
for ( row = 0; row < 5000; row++) for(col = 0; col < 5000; col++) printf(“%d ”, a[row][col]); 谁处理快？ for ( col = 0; col < 5000; col++) for(row = 0; row < 5000; row++) printf(“%d ”, a[row][col]);
未来计算机研究
DNA生物计算机
DNA生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士 1994 年提出的奇思妙想，它通过 控制 DNA 分子间的生化反应来 完成运算。但目前流行的DNA计算技术都必须将DNA溶于 试管液体中。这种电脑由一堆装着有机液体的试管组成， 很是笨拙。
未来计算机研究
光子计算机
光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和 存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据 ， 这远胜于电子计算机中通过电子“0’，1”状态变化进行的二 进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的 并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数 上升。
主
讲：薛
波
教学计划
课程学时：48学时(共3学分) 课时分配：32学时讲课 + 16学时实验 考核形式：闭卷考试 成绩评定：平时(30%) + 考试(70%) 参考书目 《计算机系统概论》Yale N.Patt, Sanjay J.Patel著，梁阿 磊 蒋兴昌 林凌译，第二版
课程内容
第1章 欢迎阅读 第2章 bit、数据类型及 其运算 第3章 数字逻辑 第4章 冯诺依曼模型 第5章 LC-3结构 第6章 编程 第7章 汇编语言 第8章 输入/输出 第9章 TARP程序和子程 序 第10章 栈 第11章 C语言编程概述 第12章 第13章 第14章 第15章 第16章 第17章 第18章 变量和运算符 控制结构 函数 测试与调试技术 指针和数组 递归 C语言中的I/O
现代计算机
第四代:大规模、超大规模集成电路计算机时 代(1971至今)。
采用超大规模集成电路 (VLSID) 和极大规模集成电路 (ULSID)、中央处理器CPU高度集成化是这一时的计算机主 要特征。 1971 年 Intel 公司制成了第一批微处理器 4004，这 一芯片集成了 2250个晶体管组成的电路，这样个人计算机 (Personal Computer, 缩写为PC，个人计算机又常称为PC 机)就应运而生，并且得到迅猛发展。
代号ENIAC - 世界第一台电子计算机问世
电子管平均每隔7分钟就被烧坏一只，埃克特必须不停 更换。尽管如此，ENIAC的运算速度达到每秒钟 5000次加 法，可以在 3/1000 秒时间内做完两个 10 位数乘法，其运算 速度超出Mark I至少1 000倍。一条炮弹的轨迹，20秒钟就 能被它算完，比炮弹本身的飞行速度还要快。 当年的ENIAC和现在的计算机相比，还不如一些高级 袖珍计算器，ENIAC标志着电子计算机的创世，人类社会 从此大步迈进了电脑时代的门槛，使得人类社会发生了巨 大的变化。 ENIAC 机证明电子真空技术可以大大地提高计算技 术，不过， ENIAC 机本身存在两大缺点 :(1) 没有存储器 ;(2) 它用布线接板进行控制 ，甚至要搭接几天，计算速度也就 被这一工作抵消了。
2007年加拿大公司D-Wave Systems 向公众展示了世界上 第一台量子计算机
Orion量子计算机集成了16个量子比特
用于将量子计算机冷却在 0.005K温度下的散热装置
未来计算机研究
D-Wave量子计算机是一个突破，它将帮助人们解决目前数 字计算机无法解决的一些棘手问题。这些计算需求常常出 现在生命科学研究、生物化学、物流统筹、参数数据库搜 索以及海量金融计算中。举例来说，要模拟一个纳米级的 结构，如药物的一个分子，用传统电脑就会遇到很大麻烦。 要处理这个分子的薛定愕方程，每增加一个电子，计算量 和难度就会翻一番呈现出指数级增长的爆炸性反应，因此 传统计算机只能处理 30个电子以下的系统。而实际上一个 简单的咖啡因分子就拥有100多个电子，那么处理这个分子 的难度将是一个 30 电子系统的 10( 十的五十次方 ) 倍，即使 采用高端的超级计算机也会很慢。量子计算机处理薛定愕 方程的难度只是线性递增而非指数递增因此即使是最小的 量子计算机，其计算能力也将大大超过当前的超级计算机。
例：“制冷系统”，“电机维修” 本书讲述晶体管描述逻辑门的实现机制，一旦理解了逻辑 门的抽象，晶体管将永不再提。随后，基于逻辑门构建更 高层次的结构，一旦理解了该结构，逻辑门也不会再提。 抽象能提高思考的效率。
Second: 不要区分硬件和软件
例：4GB U盘为什么不是4G？ 32位操作系统可以装8G内存吗？
现代计算机
第二代:晶体管计算机时代(1959-1964)。
这一时期电子计算机的 基本器件为晶体管 ， 因而缩小了体积，延长了寿命，提高了运算速度 和可靠性 ( 一般每秒十万次，可高达300万次) ，而 且价格不断下降。后来又采用了磁芯存储器，使 速度得到进一步的提高。软件方面 出现了一系列 的高级程序设计语言，比如FORTRAN. COBOL等， 并 提出了操作系统的概念 。计算机的应用范围也 进一步扩大从军事与尖端技术方面延伸到气象、 工程设计、数据处理以及其它科学研究领域。计 算机设计出现了系列化的思想，缩短了新机器的 研制周期，降低了生产成本，实现了程序的兼容， 方便了新机器的使用。
第19章 数据结构
讲什么
计算机由哪些部分组成 计算机工作原理 计算机内部如何组织 计算机中存在哪些折中考虑 计算机设计如何影响性能及
• 怎样修电脑 • 怎样DIY一台便宜的电脑 • 怎样挑选配件 • 完全了解Intel 或者AMD CPU的内部构造
应用
两个理念
First: 抽象
1673年德国数学家莱布尼兹(Gottfried Leibniz)发明了乘除器，这些工作导致了能进行四 则运算的机械式计算器的诞生，商品的机械计算 机在1820真正出现了。
1819年英国科学家巴贝奇设 计差分机，并于1822年制造 出可动模型。这台机器能提 高乘法速度和改进数表等数 字表的精确度。1991年，为 纪念巴贝奇诞辰200周年，伦 敦科学博物馆制作了完整的 差分机，它包含4000多个零 件，重2.5吨。英国人查尔 斯· 巴贝奇研制出差分机和分 析机，为现代计算机设计思 想的发展奠定基础。
未来计算机研究
量子计算机
量子计算机与传统计算机原理不同，它是建立在量子 力学的原理上工作的。经典粒子在某一时刻的空间位置只 有一个，而量子客体则可以存在于空间的任何位置，具有 波粒二象性，量子存储器可以以不同的概率同时存储0或1， 具有量子叠加性。如果量子计算机的 CPU 中有 n 个量子比 特，一次操作就可以同时处理 2n个数据，而传统计算机一 次只能处理一个数据。例如，具有5000个量子比特的量子 计算机，可以在30秒内解决传统超级计算机要100亿年才能 解决的大数因子分解问题。除具有高速并行处理数据的能 力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识 产生重大的冲击。
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第五代:智能计算机。
第五代电子计算机是智能电子计算机，它是一种有 知识，会学习，能推理的计算机，具有能理解自然语言， 声音，文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机 能够用自然语言直接对话，它可以利用己有的和不断学习 到的知识，进行思维联想，推理，并得出结论，能解决复 杂问题，具有汇集，记忆检索有关知识的能力。智能计算 机突破了传统的冯诺伊曼式机器的概念，舍弃了二进制结 构，把许多处理机并联起来，并行处理信息，速度大大提 高。它的智能化人机接口使人们不必编写程序，只需发出 命令或提出要求，电脑就会完成推理和判断，并且给出解 释。
现代计算机
第一代：电子管计算机时代 (1946-1958)。
这一代计算机的主要特点是采用 电子管作为 基本器件 ，运算速度一般是每秒数千次至数万次。 软件方面 确定的程序设计的概念 ，由代码程序发 展到了符号程序， 出现了高级语言的雏形 。这一 时期主要是为了 军事 和 国防尖端技术 的需要，客 观上却为计算机的发展奠定了基础。比较重要的 一点是，这学期的研究成果开始扩展到了民用， 由实验室走向社会，又转为工业产品，形成了计 算机产业。产业化的好处社会化，商品化，竞争 激烈，促进了技术的飞速发展。
计算机发展史
早期计算机
1642年法国物理学家帕斯卡(Pascal)发明了机械的 齿轮式加减法器
这台加法机利用齿轮传动原理，通过手工操 作，来实现加减运算的。机器中有一组轮子，每 个轮子上刻着从 0 到 9 的 10 个数字。右边第一个轮 子上的数字表示个位数字，依次类推。两数相加 时，先在加法机的轮子上拨出一个数，再按照第 二个数在相应的轮子上转动对应的数字，最后就 得到这两个数的和。如果某一位的两上数字之和 超过了10，加法机就会自动的通过齿轮进位，因为 某一位的小轮转动了10个数字后，才迫使下一个小 轮正好转动1个数字。计算所得的结果在加法机的 面板上的读数窗上显示，计算完毕要把轮子逐个 恢复到原位。
1834年，巴贝奇又完成一 项新计算装置的构想。 他考虑到计算装置应该 具有通用性，能解决数 学上的各种问题。它不 仅可以进行数字运算， 而且还能进行逻辑运算。 巴贝奇把这种装置命名 为“分析机”。它是现 代通用计算机的前身。
1936年制造的手摇式机械计算机。
1941年研制的Z-3型计算机
中国1964年研制原子 弹时使用的手摇计算 机
代号ENIAC - 世界第一台电子计算机问世
代号ENIAC - 世界第一台电子计算机问世
第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量 军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫齐利和埃克 特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。 经过三年紧张的工作，第一台电子计算机终于在 1946年2月14日问世了。这台机器的名字叫做“ENIAC”， 即电子数值积分和计算机的英文缩写，它采用穿孔卡输入 输出数据，每分钟可以输入125张卡片，输出100张卡片。 在ENIAC内部，总共安装了17468只电子管，7200个 二极管，70000多电阻器，10000多只电容器和6000只继电 器，电路的焊接点多达50万个；在机器表面则布满电表、 电线和指示灯，机器被安装在一排2.75米高的金属柜里， 占地面积170平方米左右，总重量达到30吨。这台机器还不 够完善，比如它的耗电量超过174千瓦。
计算机之父 1945年，冯· 诺依曼发表了一个全新的“存储程序通 用电子计算机方案”—EDVAC ( Electronic Discrete Variable AutomaticComputer)。在这过程中，冯· 诺依曼显 示出他雄厚的数理基础知识，充分发挥了他的顾问作用及 探索问题和综合分析的能力。冯诺伊曼以“关于EDVAC的 报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告。报告广泛 而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。 EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括:运 算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述 了这五部分的职能和相互关系;采用二进制:计算机中的指 令和数据均以二进制形式存储。 “存储程序”和“程序控制”结合的原理，即程序和 数据都放在内存中，在程序的控制下自动完成操作。这种 结构一直延续至今，所以现代计算机也被称为冯· 诺依曼结 构计算机。