計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第01章.ppt

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第1章 計(jì)算機(jī)硬件概論,本章將論述信息與數(shù)字化的關(guān)系，計(jì)算機(jī)硬件在數(shù)字化中的作用，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基本原則，硬件的設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法，性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。,1.1 信息與數(shù)字化,信息是事物屬性的表征。信息活動(dòng)存在于包括人類在內(nèi)的一切生物和社會(huì)系統(tǒng)之中，也存在于人工創(chuàng)造的一些機(jī)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(huì)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(qiáng)大的信息表達(dá)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(diǎn)：第一，各種信息形式，如文字、符號(hào)、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(dòng)和人們掌握的自然規(guī)律通過程序表達(dá)出來，這是一種極為強(qiáng)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(jìn)行處理、傳輸和存儲(chǔ)，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的統(tǒng)一性和簡(jiǎn)單性；第四，數(shù)字技術(shù)具有精確、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是高質(zhì)量信息的代名詞。,圖靈機(jī)是一個(gè)由磁頭和無限長(zhǎng)的帶子構(gòu)成的理論模型機(jī)。只要按一定的步驟對(duì)磁帶進(jìn)行左移、右移，并寫0、寫1或者保持不變，任何數(shù)學(xué)計(jì)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?，F(xiàn)在很多問題不能解決，是因?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件對(duì)數(shù)字的處理和傳輸?shù)乃俣冗€不夠快，存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)硬件與數(shù)字化,其一是軟件層面：軟件是計(jì)算機(jī)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(duì)數(shù)字進(jìn)行操作，即如何編寫程序才能達(dá)到目的；其二是硬件層面：硬件是對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作的機(jī)器系統(tǒng)，它決定執(zhí)行操作的機(jī)器系統(tǒng)一共有哪些基本操作以及這些操作是如何實(shí)現(xiàn)的，以及保證這些操作有足夠的處理速度、足夠的存儲(chǔ)容量和足夠的傳輸帶寬。,計(jì)算機(jī)硬件的定義如下： 計(jì)算機(jī)硬件是在指令的控制下自動(dòng)對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作，并將數(shù)字信息與其他形式信息進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的機(jī)器系統(tǒng)。 當(dāng)信息被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式后，計(jì)算機(jī)硬件對(duì)數(shù)字有三類操作：數(shù)字的處理、數(shù)字的存儲(chǔ)和數(shù)字的傳輸。,此外，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備的部分來完成。,1.3 計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷史與展望,將計(jì)算機(jī)分為5代：第一代計(jì)算機(jī)采用電子真空管做處理部件，繼電器做存儲(chǔ)器，用絕緣導(dǎo)線互聯(lián)，采用機(jī)器語言或匯編語言編程；第二代計(jì)算機(jī)采用分離式的晶體管做處理部件，用鐵氧體磁芯做存儲(chǔ)器，用印刷電路板互連，出現(xiàn)了有編譯程序的高級(jí)語言和批處理監(jiān)控程序；,第三代計(jì)算機(jī)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(jì)和分時(shí)操作系統(tǒng)；第四代計(jì)算機(jī)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(dǎo)體存儲(chǔ)器；第五代計(jì)算機(jī)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(dǎo)體存儲(chǔ)器。,計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，得益于器件制造技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)專家為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展總結(jié)了下列幾個(gè)規(guī)律： ① Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個(gè)月翻一番； ② Bell定律：如果保持計(jì)算能力不變，微處理器的價(jià)格每18個(gè)月減少一半； ③ Gilder定律：未來25年（1996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個(gè)月增加一倍； ④ Metcalfe定律：網(wǎng)絡(luò)價(jià)值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展規(guī)律：DRAM的密度每年增加60%，每3年翻4倍。時(shí)鐘周期改進(jìn)相對(duì)較慢，大約10年降低三分之一。 硬盤存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展規(guī)律：20世紀(jì)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(shí)間改進(jìn)較慢，大約10年降低三分之一。,計(jì)算機(jī)將主要圍繞著提供信息服務(wù)這個(gè)目的向兩個(gè)方向發(fā)展：一是發(fā)展以各種無線移動(dòng)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(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。前者將促進(jìn)嵌入式處理器和高密度微型化存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，后者將進(jìn)一步推動(dòng)高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和海量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。,1.4 計(jì)算機(jī)硬件總體概況,計(jì)算機(jī)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(shí)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(duì)數(shù)字進(jìn)行各種操作（處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)龋┑娜蝿?wù)。轉(zhuǎn)換硬件包括計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備，但含義更廣；數(shù)字域硬件則是計(jì)算機(jī)的核心部分，是本書的重點(diǎn)。,數(shù)字域硬件的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作。對(duì)數(shù)字的操作可分為三類：處理操作、傳輸操作和存儲(chǔ)操作。處理操作是對(duì)數(shù)字進(jìn)行某種有目的的改變性操作，如簡(jiǎn)單的加、減、乘、除、移位和邏輯運(yùn)算，或者是較復(fù)雜的矩陣和向量計(jì)算等；傳輸操作是將數(shù)字從一個(gè)空間位置移動(dòng)到另一個(gè)空間位置；存儲(chǔ)操作是將數(shù)字保存在某個(gè)空間位置一段任意長(zhǎng)的時(shí)間，需要時(shí)即可從這個(gè)空間取出，存儲(chǔ)設(shè)備是數(shù)字的所在地。,擔(dān)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(dān)任傳輸部件的常有形式有總線、通道、接口和網(wǎng)絡(luò)等。 擔(dān)任存儲(chǔ)部件的常用形式有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（ROM、SRAM、DRAM、Flash等），磁表面存儲(chǔ)器（硬盤、軟盤、磁帶等）和光存儲(chǔ)器（CD-ROM、CD-R/W、DVD、MO等）。 包括計(jì)算機(jī)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(hào)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(gè)機(jī)器系統(tǒng)能夠識(shí)別和執(zhí)行的命令，它規(guī)定了對(duì)數(shù)字進(jìn)行何種操作并指出被操作數(shù)的所在。一個(gè)機(jī)器一共能執(zhí)行的指令的集合叫指令系統(tǒng)。一個(gè)特定的機(jī)器能夠執(zhí)行的指令的數(shù)目是固定的。 指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟硬件的分界面。指令系統(tǒng)之上是各個(gè)層次的軟件，如編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用軟件。無論多么復(fù)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(dòng)各個(gè)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(gè)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(gè)：其一是提高半導(dǎo)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(jí)并行技術(shù)，主要有流水線和超標(biāo)量?jī)煞N。,1.4.2 存儲(chǔ)硬件 隨著信息技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)字化信息爆炸性增長(zhǎng)。數(shù)字化的信息最終都轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)硬件中。理想的存儲(chǔ)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(jià)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(chǔ)系統(tǒng)是內(nèi)存，它的主體部分是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DARM）。它容量較大，價(jià)格較低，可被CPU直接尋址。它采用電容保持電荷的原理存儲(chǔ)信息，需要不斷地刷新來維持信息，斷電后信息會(huì)消失。,需要長(zhǎng)久保存的數(shù)據(jù)放在硬盤、軟盤和光盤這些外存儲(chǔ)設(shè)備上。硬盤是高速的在線外存儲(chǔ)設(shè)備，它容量大，速度快，發(fā)展十分迅速。一個(gè)計(jì)算機(jī)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(shí)調(diào)用。硬盤是最重要的外存儲(chǔ)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(dòng)式設(shè)備上，近年來采用閃存芯片（Flash Memory）做存儲(chǔ)體的越來越多，它體積小，斷電后信息還可長(zhǎng)期保存，使用和攜帶特別方便。但目前的單位容量?jī)r(jià)格仍比硬盤和軟盤貴很多。,1.4.3 傳輸硬件 一般計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(kuò)展卡與擴(kuò)展卡間連接的總線； ④ 外總線：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或其它計(jì)算機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)線。,計(jì)算機(jī)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(shì)。 無論何種總線，都應(yīng)包括連線、驅(qū)動(dòng)電路、協(xié)議變換接口電路、中斷和判優(yōu)幾個(gè)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(hào)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息）、鼠標(biāo)（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(shí)的信息形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。如數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，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(jī)（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(gè)原理：等效原理與互動(dòng)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(jìn)行了一系列操作。雖然說軟件的運(yùn)行是不可能離開硬件的，但是硬件平臺(tái)的性能和復(fù)雜程度卻相差十分巨大。,有人證明，即使用字長(zhǎng)為一位、只有幾條最簡(jiǎn)單指令的極為簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)，如果不考慮運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間，也能完成最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)所能完成的所有任務(wù)。一個(gè)計(jì)算任務(wù)，可以在復(fù)雜的計(jì)算機(jī)上用一條指令指揮復(fù)雜的硬件電路來完成，也可以在簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)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(fèi)的時(shí)間。,打一個(gè)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(yùn)到建筑工地，也可以用一個(gè)人一擔(dān)一擔(dān)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(gè)原理稱為軟硬件結(jié)果等效原理： 要達(dá)到對(duì)數(shù)字操作的某種結(jié)果，可以用復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)，也可以在簡(jiǎn)單的硬件上用軟件實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果是等效的，不同的是兩者的速度。,使用硬件實(shí)現(xiàn)或使用軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單的用邏輯門電路，復(fù)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(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)單一功能的硬件電路可以看作為“只有一條指令的計(jì)算機(jī)”。,（2）開發(fā)周期短、功能變化多的任務(wù)，宜在通用的計(jì)算機(jī)或通用的微處理器上用軟件實(shí)現(xiàn)。 （3）對(duì)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(hào)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(dá)不到所需要的速度，就只能用硬件來實(shí)現(xiàn)或者用硬件來輔助實(shí)現(xiàn)。但必須認(rèn)識(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。,我們用軟件實(shí)際能夠?qū)崿F(xiàn)的、保證時(shí)間要求的功能又是受限于硬件平臺(tái)的性能的。這樣就得到下列軟硬件互動(dòng)原理： 在有時(shí)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(shí)現(xiàn)的應(yīng)用就能向前發(fā)展一大步；反過來說，軟件可能實(shí)現(xiàn)的功能要求更高性能的硬件平臺(tái)。,1.6 計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基本原則,下面就是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)。 若用Sn表示加速比，To表示加速前的總時(shí)間，Tn表示采取加速措施后的總時(shí)間，則Amdahl定律為： Sn= To/Tn,若用Fe表示待加速部分的時(shí)間與加速前的總時(shí)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(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法,目前一般認(rèn)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(jì)、可編程器件的邏輯設(shè)計(jì)、專用集成電路設(shè)計(jì)、指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微程序控制設(shè)計(jì)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的仿真和調(diào)試與測(cè)試。目前，嵌入式硬件的設(shè)計(jì)師還要懂得嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，才能有效地構(gòu)成較復(fù)雜的系統(tǒng)。,1.8 計(jì)算機(jī)硬件的性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)其性能指標(biāo)是一個(gè)較為復(fù)雜的事情。為簡(jiǎn)單起見，一般常用下列兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)衡量： （1）MIPS (Million Instructions Per Second)：機(jī)器每秒鐘執(zhí)行的兆條指令數(shù)。 （2）MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)：機(jī)器每秒鐘兆次浮點(diǎn)操作的次數(shù)。,衡量一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的好壞，最可靠的標(biāo)準(zhǔn)就是執(zhí)行某個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間。一個(gè)程序，放在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，執(zhí)行時(shí)間最短的，對(duì)這個(gè)程序而言就是性能最好的計(jì)算機(jī)。所以，人們現(xiàn)在更多地采用基準(zhǔn)測(cè)試程序的方法來評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)的性能。,國(guó)際上成立了一些組織和公司，專門從事基準(zhǔn)程序的選擇和標(biāo)準(zhǔn)的制定，較為著名的有SPEC( Standard Performance Evaluation Corporation)和ZD（Ziff-Davis）實(shí)驗(yàn)室。他們研究、選擇和發(fā)布基準(zhǔn)程序套件，目的是使這些基準(zhǔn)的測(cè)試程序盡量反映實(shí)際的工作負(fù)載，并要隨著應(yīng)用的發(fā)展反映新出現(xiàn)的流行程序類型。基準(zhǔn)程序?qū)嶋H是在真實(shí)的應(yīng)用程序中精心選擇的程序套件。,