计算机硬件技术基础第01章.pptVIP

第1章 计算机硬件概论 本章将论述信息与数字化的关系，计算机硬件在数字化中的作用，计算机硬件的历史变革及其发展前景，总体概况，硬件与软件的关系，计算机硬件设计的基本原则，硬件的设计内容和设计方法，性能指标及评价标准。 1.1 信息与数字化 信息是事物属性的表征。信息活动存在于包括人类在内的一切生物和社会系统之中，也存在于人工创造的一些机器系统中，信息在这些系统中起着极为重要的作用。 为什么会出现数字技术一统信息技术天下的局面呢？关键就在于数字具有特别强大的信息表达能力，而这种能力是任何其他信息媒介都难以企及的。主要理由有以下几点：第一，各种信息形式，如文字、符号、声音和图形图像等众多信息形式，都可以方便地转换成数字形式，而以数字形式保存的信息又可以方便地转换为上述人能够理解的各种信息形式； 第二，数字能将人的思维活动和人们掌握的自然规律通过程序表达出来，这是一种极为强大的能力，也是数字技术一统信息技术的关键所在；第三，数字能够以单一的形式来进行处理、传输和存储，具有技术实现上的统一性和简单性；第四，数字技术具有精确、准确的特点，是高质量信息的代名词。 图灵机是一个由磁头和无限长的带子构成的理论模型机。只要按一定的步骤对磁带进行左移、右移，并写0、写1或者保持不变，任何数学计算问题都可以得到解决。这里的意思是指理论上存在着解决信息问题的可能性。现在很多问题不能解决，是因为计算机硬件对数字的处理和传输的速度还不够快，存储容量还不够大，一旦硬件技术发展到了所需要的速度与容量，这些信息问题一定能够解决。 1.2 计算机硬件与数字化 其一是软件层面：软件是计算机的灵魂，它将人们的思想、办法、自然规律以及各种形式的信息和数据数字化，它决定了按什么样的步骤来对数字进行操作，即如何编写程序才能达到目的；其二是硬件层面：硬件是对数字进行操作的机器系统，它决定执行操作的机器系统一共有哪些基本操作以及这些操作是如何实现的，以及保证这些操作有足够的处理速度、足够的存储容量和足够的传输带宽。 计算机硬件的定义如下： ? 计算机硬件是在指令的控制下自动对数字进行操作，并将数字信息与其他形式信息进行相互转换的机器系统。 当信息被转变为数字形式后，计算机硬件对数字有三类操作：数字的处理、数字的存储和数字的传输。 此外，计算机还要完成将各种形式的信息（图形图像、声音、文本等）与数字域信息相互转换的操作，这种操作往往由称之为计算机输入输出设备的部分来完成。 1.3 计算机硬件的发展历史与展望 将计算机分为5代：第一代计算机采用电子真空管做处理部件，继电器做存储器，用绝缘导线互联，采用机器语言或汇编语言编程；第二代计算机采用分离式的晶体管做处理部件，用铁氧体磁芯做存储器，用印刷电路板互连，出现了有编译程序的高级语言和批处理监控程序； 第三代计算机采用中小规模集成电路做处理部件，用多层印制板互连，采用了微程序控制技术，并出现了多道程序设计和分时操作系统；第四代计算机采用大规模(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)做处理部件，采用半导体存储器；第五代计算机采用工艺更完善的超大规模和甚大规模集成电路（ULSI）做处理部件，采用更高密度的半导体存储器。 计算机硬件的发展，得益于器件制造技术的进步，计算机专家为现代计算机的发展总结了下列几个规律： ① Moore定律：微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番； ② Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半； ③ Gilder定律：未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍； ④ Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。 半导体存储器发展规律：DRAM的密度每年增加60%，每3年翻4倍。时钟周期改进相对较慢，大约10年降低三分之一。 硬盘存储技术发展规律：20世纪90年代，硬盘的密度每年增加50%，最近每年增加约一倍。存取时间改进较慢，大约10年降低三分之一。 计算机将主要围绕着提供信息服务这个目的向两个方向发展：一是发展以各种无线移动装置为代表的用户智能终端设备，二是发展为这些终端提供服务支持的高性能服务器和相应的基础设施。前者将促进嵌入式处理器和高密度微型化存储技术的发展，后者将进一步推动高性能计算机体系结构的发展和海量存储技术的发展。 1.4 计算机硬件总体概况 计算机硬件分为两类：一是转换硬件，二是数字域硬件。前者完成将现实中各种信息形式转换为数字形式或者将数字形式的信息转换为人们所需要的各种信息形式；后者则完成对数字进行各种操作（处理、存储、传输等）的任务。转换硬件包括计算机输入输出设备，但含义更广；数字域硬件则是计算机的核心部分，是本书的重点。 数字域硬件的主要任务是对数字进行操作。对数字的