計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)第01章.ppt
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第1章 計算機硬件概論,本章將論述信息與數(shù)字化的關(guān)系,計算機硬件在數(shù)字化中的作用,計算機硬件的歷史變革及其發(fā)展前景,總體概況,硬件與軟件的關(guān)系,計算機硬件設(shè)計的基本原則,硬件的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計方法,性能指標及評價標準。,1.1 信息與數(shù)字化,信息是事物屬性的表征。信息活動存在于包括人類在內(nèi)的一切生物和社會系統(tǒng)之中,也存在于人工創(chuàng)造的一些機器系統(tǒng)中,信息在這些系統(tǒng)中起著極為重要的作用。,為什么會出現(xiàn)數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)信息技術(shù)天下的局面呢?關(guān)鍵就在于數(shù)字具有特別強大的信息表達能力,而這種能力是任何其他信息媒介都難以企及的。主要理由有以下幾點:第一,各種信息形式,如文字、符號、聲音和圖形圖像等眾多信息形式,都可以方便地轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,而以數(shù)字形式保存的信息又可以方便地轉(zhuǎn)換為上述人能夠理解的各種信息形式;,第二,數(shù)字能將人的思維活動和人們掌握的自然規(guī)律通過程序表達出來,這是一種極為強大的能力,也是數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)信息技術(shù)的關(guān)鍵所在;第三,數(shù)字能夠以單一的形式來進行處理、傳輸和存儲,具有技術(shù)實現(xiàn)上的統(tǒng)一性和簡單性;第四,數(shù)字技術(shù)具有精確、準確的特點,是高質(zhì)量信息的代名詞。,圖靈機是一個由磁頭和無限長的帶子構(gòu)成的理論模型機。只要按一定的步驟對磁帶進行左移、右移,并寫0、寫1或者保持不變,任何數(shù)學計算問題都可以得到解決。這里的意思是指理論上存在著解決信息問題的可能性。現(xiàn)在很多問題不能解決,是因為計算機硬件對數(shù)字的處理和傳輸?shù)乃俣冗€不夠快,存儲容量還不夠大,一旦硬件技術(shù)發(fā)展到了所需要的速度與容量,這些信息問題一定能夠解決。,1.2 計算機硬件與數(shù)字化,其一是軟件層面:軟件是計算機的靈魂,它將人們的思想、辦法、自然規(guī)律以及各種形式的信息和數(shù)據(jù)數(shù)字化,它決定了按什么樣的步驟來對數(shù)字進行操作,即如何編寫程序才能達到目的;其二是硬件層面:硬件是對數(shù)字進行操作的機器系統(tǒng),它決定執(zhí)行操作的機器系統(tǒng)一共有哪些基本操作以及這些操作是如何實現(xiàn)的,以及保證這些操作有足夠的處理速度、足夠的存儲容量和足夠的傳輸帶寬。,計算機硬件的定義如下: 計算機硬件是在指令的控制下自動對數(shù)字進行操作,并將數(shù)字信息與其他形式信息進行相互轉(zhuǎn)換的機器系統(tǒng)。 當信息被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式后,計算機硬件對數(shù)字有三類操作:數(shù)字的處理、數(shù)字的存儲和數(shù)字的傳輸。,此外,計算機還要完成將各種形式的信息(圖形圖像、聲音、文本等)與數(shù)字域信息相互轉(zhuǎn)換的操作,這種操作往往由稱之為計算機輸入輸出設(shè)備的部分來完成。,1.3 計算機硬件的發(fā)展歷史與展望,將計算機分為5代:第一代計算機采用電子真空管做處理部件,繼電器做存儲器,用絕緣導線互聯(lián),采用機器語言或匯編語言編程;第二代計算機采用分離式的晶體管做處理部件,用鐵氧體磁芯做存儲器,用印刷電路板互連,出現(xiàn)了有編譯程序的高級語言和批處理監(jiān)控程序;,第三代計算機采用中小規(guī)模集成電路做處理部件,用多層印制板互連,采用了微程序控制技術(shù),并出現(xiàn)了多道程序設(shè)計和分時操作系統(tǒng);第四代計算機采用大規(guī)模(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)做處理部件,采用半導體存儲器;第五代計算機采用工藝更完善的超大規(guī)模和甚大規(guī)模集成電路(ULSI)做處理部件,采用更高密度的半導體存儲器。,計算機硬件的發(fā)展,得益于器件制造技術(shù)的進步,計算機專家為現(xiàn)代計算機的發(fā)展總結(jié)了下列幾個規(guī)律: ① Moore定律:微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個月翻一番; ② Bell定律:如果保持計算能力不變,微處理器的價格每18個月減少一半; ③ Gilder定律:未來25年(1996年預言)里,主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍; ④ Metcalfe定律:網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。,半導體存儲器發(fā)展規(guī)律:DRAM的密度每年增加60%,每3年翻4倍。時鐘周期改進相對較慢,大約10年降低三分之一。 硬盤存儲技術(shù)發(fā)展規(guī)律:20世紀90年代,硬盤的密度每年增加50%,最近每年增加約一倍。存取時間改進較慢,大約10年降低三分之一。,計算機將主要圍繞著提供信息服務(wù)這個目的向兩個方向發(fā)展:一是發(fā)展以各種無線移動裝置為代表的用戶智能終端設(shè)備,二是發(fā)展為這些終端提供服務(wù)支持的高性能服務(wù)器和相應的基礎(chǔ)設(shè)施。前者將促進嵌入式處理器和高密度微型化存儲技術(shù)的發(fā)展,后者將進一步推動高性能計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和海量存儲技術(shù)的發(fā)展。,1.4 計算機硬件總體概況,計算機硬件分為兩類:一是轉(zhuǎn)換硬件,二是數(shù)字域硬件。前者完成將現(xiàn)實中各種信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式或者將數(shù)字形式的信息轉(zhuǎn)換為人們所需要的各種信息形式;后者則完成對數(shù)字進行各種操作(處理、存儲、傳輸?shù)龋┑娜蝿?wù)。轉(zhuǎn)換硬件包括計算機輸入輸出設(shè)備,但含義更廣;數(shù)字域硬件則是計算機的核心部分,是本書的重點。,數(shù)字域硬件的主要任務(wù)是對數(shù)字進行操作。對數(shù)字的操作可分為三類:處理操作、傳輸操作和存儲操作。處理操作是對數(shù)字進行某種有目的的改變性操作,如簡單的加、減、乘、除、移位和邏輯運算,或者是較復雜的矩陣和向量計算等;傳輸操作是將數(shù)字從一個空間位置移動到另一個空間位置;存儲操作是將數(shù)字保存在某個空間位置一段任意長的時間,需要時即可從這個空間取出,存儲設(shè)備是數(shù)字的所在地。,擔任處理部件的常用形式有通用處理器、專用處理器、專用芯片等。 擔任傳輸部件的常有形式有總線、通道、接口和網(wǎng)絡(luò)等。 擔任存儲部件的常用形式有半導體存儲器(ROM、SRAM、DRAM、Flash等),磁表面存儲器(硬盤、軟盤、磁帶等)和光存儲器(CD-ROM、CD-R/W、DVD、MO等)。 包括計算機在內(nèi)的一切數(shù)字化信息設(shè)備在數(shù)字域都是上述三類部件的組合。,1.4.1 處理硬件 處理操作目前主要是由通用處理器來完成的,專用處理器(如用于數(shù)字信號處理的DSP芯片以及用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)處理器)和專用芯片(如用于視頻壓縮解壓的芯片以及各種ASIC等)都可以完成處理操作任務(wù)。,處理器的主要任務(wù)就是執(zhí)行指令。指令是某個機器系統(tǒng)能夠識別和執(zhí)行的命令,它規(guī)定了對數(shù)字進行何種操作并指出被操作數(shù)的所在。一個機器一共能執(zhí)行的指令的集合叫指令系統(tǒng)。一個特定的機器能夠執(zhí)行的指令的數(shù)目是固定的。 指令系統(tǒng)是計算機軟硬件的分界面。指令系統(tǒng)之上是各個層次的軟件,如編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和各種應用軟件。無論多么復雜的軟件,最終都要轉(zhuǎn)化為由這些基本指令按一定順序排列而構(gòu)成的指令流。指令系統(tǒng)之下是硬件。指令通過譯碼,啟動各個不同的硬件電路完成指令規(guī)定的操作數(shù)據(jù)的任務(wù)。,處理器的發(fā)展歷史,就是一個不斷提高指令執(zhí)行速度的歷史。提高指令執(zhí)行的速度主要的手段有兩個:其一是提高半導體器件的工作速度,即提高主頻;其二是按照摩爾定律增加越來越多的晶體管,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用并行技術(shù)來提高指令執(zhí)行速度。處理器中采用的并行技術(shù)叫指令級并行技術(shù),主要有流水線和超標量兩種。,1.4.2 存儲硬件 隨著信息技術(shù)及其應用的發(fā)展,數(shù)字化信息爆炸性增長。數(shù)字化的信息最終都轉(zhuǎn)化為計算機的程序和數(shù)據(jù)保存在存儲硬件中。理想的存儲器要滿足下列要求: ① 足夠大的容量; ② 與CPU相匹配的速度; ③ 低廉的價格; ④ 所保存的數(shù)據(jù)安全可靠。,與CPU直接配合、由CPU直接存取的存儲系統(tǒng)是內(nèi)存,它的主體部分是動態(tài)存儲器(DARM)。它容量較大,價格較低,可被CPU直接尋址。它采用電容保持電荷的原理存儲信息,需要不斷地刷新來維持信息,斷電后信息會消失。,需要長久保存的數(shù)據(jù)放在硬盤、軟盤和光盤這些外存儲設(shè)備上。硬盤是高速的在線外存儲設(shè)備,它容量大,速度快,發(fā)展十分迅速。一個計算機上幾乎所有的信息(操作系統(tǒng)、文件、數(shù)據(jù)庫等)都要存放在硬盤之中,以便隨時調(diào)用。硬盤是最重要的外存儲設(shè)備。,軟盤一般用于數(shù)據(jù)拷貝、備份和數(shù)據(jù)交換,只讀光盤用于軟件的發(fā)布和交換,可擦寫光盤的用途與軟盤相同,只是容量大得多而已。在移動式設(shè)備上,近年來采用閃存芯片(Flash Memory)做存儲體的越來越多,它體積小,斷電后信息還可長期保存,使用和攜帶特別方便。但目前的單位容量價格仍比硬盤和軟盤貴很多。,1.4.3 傳輸硬件 一般計算機系統(tǒng)的總線可分為下列4層。 ① 片內(nèi)總線:微處理器內(nèi)部各功能單元的連線,又稱CPU總線; ② 片總線:計算機主板上以微處理器為核心與各部件之間的直接連線; ③ 系統(tǒng)總線:主板上擴展卡與擴展卡間連接的總線; ④ 外總線:計算機與外部設(shè)備或其它計算機之間通信的數(shù)據(jù)線。,計算機總線分為并行總線和串行總線。并行總線由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三部分組成,由于多路并行傳輸,在距離短的條件下有較大的速度優(yōu)勢。 無論何種總線,都應包括連線、驅(qū)動電路、協(xié)議變換接口電路、中斷和判優(yōu)幾個基本部分。,1.4.4 轉(zhuǎn)換硬件 常見的輸入設(shè)備有鍵盤(將文本和符號信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息)、鼠標(將位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息)、掃描儀(將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息)等。有些設(shè)備沒有被稱為輸入設(shè)備,但本質(zhì)上都是將各種現(xiàn)實的信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。如數(shù)碼照相機和數(shù)碼攝像機,就是將圖像和視頻信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息;話筒加上聲卡將聲音信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息;攝像頭加上視頻采集卡也可將視頻信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。這些都可稱之為正向轉(zhuǎn)換硬件。,常見的輸出設(shè)備有顯示器(這是最重要的輸出設(shè)備,它可將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為圖形、圖像、視頻和文本等多種可視信息)、打印機(有針打、噴墨、激光等種類,將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙張上的文本、圖形、圖像形式)、繪圖儀(將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為紙張上的圖形信息)。聲卡加上音箱可將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為聲音信息。這些都可以稱為反向變換設(shè)備。,1.5 硬件與軟件的關(guān)系,本節(jié)論述軟硬件關(guān)系的兩個原理:等效原理與互動原理。 數(shù)字技術(shù)是硬件和軟件的結(jié)合體,從最底層的角度看,軟硬件所產(chǎn)生的結(jié)果就是按某種次序?qū)?shù)字進行了一系列操作。雖然說軟件的運行是不可能離開硬件的,但是硬件平臺的性能和復雜程度卻相差十分巨大。,有人證明,即使用字長為一位、只有幾條最簡單指令的極為簡單的計算機,如果不考慮運行速度和運行時間,也能完成最復雜的計算機所能完成的所有任務(wù)。一個計算任務(wù),可以在復雜的計算機上用一條指令指揮復雜的硬件電路來完成,也可以在簡單的計算機上通過一段軟件子程序來完成,最終的結(jié)果完全一樣,所不同的只是完成任務(wù)所花費的時間。,打一個形象的比喻,你可以用一輛載重卡車將河邊的一堆鵝卵石一次性地運到建筑工地,也可以用一個人一擔一擔地用籮筐挑過去,結(jié)果是一樣的,只是效率不一樣。我們將這個原理稱為軟硬件結(jié)果等效原理: 要達到對數(shù)字操作的某種結(jié)果,可以用復雜的硬件實現(xiàn),也可以在簡單的硬件上用軟件實現(xiàn),其結(jié)果是等效的,不同的是兩者的速度。,使用硬件實現(xiàn)或使用軟件實現(xiàn)的具體原則如下。 (1)速度要求高、功能單一的任務(wù),產(chǎn)品批量又較大,可以用邏輯電路來實現(xiàn)。簡單的用邏輯門電路,復雜且批量小的可用FPGA、CPLD等可編程邏輯器件,批量生產(chǎn)可用專用集成電路來實現(xiàn)。這種實現(xiàn)單一功能的硬件電路可以看作為“只有一條指令的計算機”。,(2)開發(fā)周期短、功能變化多的任務(wù),宜在通用的計算機或通用的微處理器上用軟件實現(xiàn)。 (3)對一些重要而量大面廣的領(lǐng)域,可采用專用處理器來解決速度問題。如在數(shù)字化儀器領(lǐng)域和數(shù)字控制領(lǐng)域,大量采用數(shù)字信號處理器(DSP);在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,大量采用網(wǎng)絡(luò)處理器。,(4)如果目前的通用處理器和專用處理器都達不到所需要的速度,就只能用硬件來實現(xiàn)或者用硬件來輔助實現(xiàn)。但必須認識到,通用處理器的發(fā)展是很快的,以前很多要用到硬件板卡的功能現(xiàn)在都可以用軟件來實現(xiàn)了。這樣的例子十分常見,如以前的中文文字處理要用漢卡,視頻解壓要用壓縮卡,現(xiàn)在都可以用軟件實現(xiàn)。,我們用軟件實際能夠?qū)崿F(xiàn)的、保證時間要求的功能又是受限于硬件平臺的性能的。這樣就得到下列軟硬件互動原理: 在有時間限制的條件下,軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的功能受限于硬件的性能,硬件每發(fā)展一步,軟件所能實現(xiàn)的應用就能向前發(fā)展一大步;反過來說,軟件可能實現(xiàn)的功能要求更高性能的硬件平臺。,1.6 計算機硬件設(shè)計的基本原則,下面就是計算機硬件設(shè)計要遵循的最基本、最為廣泛采用的原則: 加快經(jīng)常性事件 (Make The Common Case Fast)。 經(jīng)常性事件就是發(fā)生得最頻繁、占時間最多的事件。,加快經(jīng)常性事件可以由Amdahl定律來定量表達。 若用Sn表示加速比,To表示加速前的總時間,Tn表示采取加速措施后的總時間,則Amdahl定律為: Sn= To/Tn,若用Fe表示待加速部分的時間與加速前的總時間(T0)之比(它反映了待加速部分是不是經(jīng)常性事件),Se表示加速的倍數(shù)(它反映加快了多少),則有: Sn= To/Tn= 1/[(1–Fe)+Fe/Se],1.7 計算機硬件的設(shè)計內(nèi)容與方法,目前一般認為下列內(nèi)容都屬于硬件工程師要完成的任務(wù):電路設(shè)計、可編程器件的邏輯設(shè)計、專用集成電路設(shè)計、指令系統(tǒng)設(shè)計、計算機系統(tǒng)設(shè)計、微程序控制設(shè)計、匯編語言程序設(shè)計、設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計和系統(tǒng)的仿真和調(diào)試與測試。目前,嵌入式硬件的設(shè)計師還要懂得嵌入式實時操作系統(tǒng),才能有效地構(gòu)成較復雜的系統(tǒng)。,1.8 計算機硬件的性能指標及評價標準,計算機作為一個系統(tǒng),評價其性能指標是一個較為復雜的事情。為簡單起見,一般常用下列兩個標準衡量: (1)MIPS (Million Instructions Per Second):機器每秒鐘執(zhí)行的兆條指令數(shù)。 (2)MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second):機器每秒鐘兆次浮點操作的次數(shù)。,衡量一個計算機系統(tǒng)性能的好壞,最可靠的標準就是執(zhí)行某個程序所花費的時間。一個程序,放在不同的計算機上運行,執(zhí)行時間最短的,對這個程序而言就是性能最好的計算機。所以,人們現(xiàn)在更多地采用基準測試程序的方法來評價計算機的性能。,國際上成立了一些組織和公司,專門從事基準程序的選擇和標準的制定,較為著名的有SPEC( Standard Performance Evaluation Corporation)和ZD(Ziff-Davis)實驗室。他們研究、選擇和發(fā)布基準程序套件,目的是使這些基準的測試程序盡量反映實際的工作負載,并要隨著應用的發(fā)展反映新出現(xiàn)的流行程序類型?;鶞食绦?qū)嶋H是在真實的應用程序中精心選擇的程序套件。,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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