第03章 信息处理机器：计算机系统
课程：信息技术导论（0A006） 主讲：北京大学 苏清元 来源：田浩然上传的资料/0A006 信息技术导论/第03章 信息处理机器：计算机系统.ppt 本章共 5 节，内容涵盖计算机发展史、微型计算机系统、存储系统、输入输出设备、总线与接口标准。
一、计算机发展史
1. 史前时代（-1946）
- 1642-1643 年：帕斯卡（Pascal）发明齿轮运作的加法器，最多 8 位数字相加
- 1674 年：莱布尼茨改进 Pascal 计算机，提出二进制数的概念（据说受中国《易经》启发）
2. 冯·诺依曼型计算机
冯·诺依曼（J. Von Neumann）确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理。
五大组成部分：
- 存储器
- 运算器
- 控制器
- 输入设备
- 输出设备
具有这种工作原理和基本结构的计算机统称为”冯·诺依曼型计算机”。
3. ENIAC——第一台现代电子数字计算机
- 1946 年 2 月 5 日：世界上第一台真正的现代电子数字计算机”ENIAC”（Electronic Numerical Integrator And Computer）研制成功
- “电子计算机之父”的桂冠戴在冯·诺依曼头上，而非 ENIAC 的两位实际研究者——因为冯·诺依曼提出了现代电脑的体系结构
4. 冯·诺依曼小传
- 1903 年出生于匈牙利布达佩斯，6 岁能心算 8 位数除法，8 岁学会微积分
- 22 岁苏黎士联邦工业大学化学专业毕业，23 岁布达佩斯大学数学博士
- 1933 年与爱因斯坦一起被聘为普林斯顿大学高等研究院第一批终身教授
- 贡献横跨数学（遍历理论、拓扑群、算子代数——“冯·诺依曼代数”）、物理（《量子力学的数学基础》）、经济学（《博弈论和经济行为》）
- 1957 年 2 月 8 日因骨癌逝世，年仅 54 岁
5. EDVAC 与”101 页报告”
ENIAC 的致命缺陷：程序与计算两分离。程序指令存放在外部电路里，计算题目需人工接通数百条线路，几十人干好几天才可进行几分钟运算。
101 页报告（1945 年 6 月）：
- 冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯联名发表
- 计算机史上里程碑式文献
- 明确规定计算机五大部件
- 用二进制替代十进制运算
- 核心革命意义：“存储程序”——电脑自动依次执行指令
EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）：
- 1951 年完成
- 3563 只电子管 + 1 万只晶体二极管
- 1024 个 44 比特水银延迟线存储
- 耗电和占地只有 ENIAC 的 1/3
6. EDSAC——最早的内储程序式计算机
- 英国剑桥大学威尔克斯（Maurice Wilkes）教授抢在冯·诺依曼之前
- 1949 年 5 月制成，3000 只电子管
- EDSAC = Electronic Delay Storage Automatic Calculator
- 威尔克斯获 1967 年度图灵奖
7. 冯·诺依曼最主要的两大贡献
- 程序存储：解决人工干预，实现自动执行。程序存入内存储器，运行时控制器按地址顺序取出指令、分析、执行，转移指令时跳到转移地址再顺序执行。
- 五大部分 / 三部分：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备 → CPU（运算器+控制器）、存储器、I/O 设备。
二、现代计算机发展的四个阶段
| 代 | 时间 | 逻辑元件 | 主存 | 外存 | 软件 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 第一代 | 1946-1957 | 电子管 | 汞延迟线/磁鼓/磁芯 | 磁带 | 机器语言/汇编语言 | 体积大、耗电、可靠性差、贵、维修难；奠定基础 |
| 第二代 | 1958-1964 | 晶体管 | 磁芯 | 磁盘 | 高级语言+编译程序/批处理操作系统 | 体积缩小、耗电减少、可靠性提高；科学计算+事务处理+工业控制 |
| 第三代 | 1965-1970 | SSI/MSI 集成电路 | 磁芯 | 磁盘 | 分时操作系统/会话式语言 | 更小型化、耗电更少、可靠性更高；小型机蓬勃发展 |
| 第四代 | 1970 至今 | LSI/VLSI 超大规模集成电路 | 半导体存储器 | 硬盘/光盘 | 操作系统完善/数据库/网络 | 微型化、耗电极少、可靠性极高；巨型机+微型机双向发展 |
关键人物与事件
- 晶体管之父：威廉·肖克利（William Shockley），1948 年贝尔实验室发明晶体管，1956 年诺贝尔物理学奖
- 集成电路之父：杰克·基尔比（Jack Kilby），1958 年 9 月 12 日德州仪器实现集成电路构想，2000 年诺贝尔物理学奖
- 中国第一台计算机：1958 年 6 月中科院计算所 DJS-103（仿苏联 M-3），每秒 1500 次，32 位；1959 年 104 型大型通用机，每秒 1 万次
- 第一台微处理器和微型计算机：1971 年末，美国硅谷诞生，开创微型计算机新时代
- 第一台个人计算机：1981 年 IBM PC，首创 PC 概念，制定全球通用工业标准（Intel 处理器 + Microsoft DOS）
- Apple Macintosh：1984 年 1 月 24 日发布，第一个大众性图形用户平台，第一台具备多媒体功能的计算机
摩尔定律
三种版本：
- 集成电路芯片上集成的电路数目，每隔 18 个月翻一番
- 微处理器性能每隔 18 个月提高一倍，价格下降一倍
- 一美元能买到的电脑性能，每隔 18 个月翻两番
衍生定律：
- 摩尔第二定律：芯片生产厂的成本也在相应指数提高（经济因素制约）
- 新摩尔定律：中国 Internet 联网主机数和上网用户每半年翻一番
前景：一般认为还能适用 10 年左右，制约因素一是技术、二是经济。
CyberCash 总裁丹·林启：“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律。“
巨型计算机与矢量计算
- 矢量运算：对多组数据成批地进行同样运算，得到一批结果（如一次将 100 个加数与 100 个被加数相加）
- 以前大中型机一般只做标量运算，现在亿次以上巨型机都设计成矢量计算机
中国巨型机发展：
- 1993 年：银河 II 型，10 亿次
- 1995 年：曙光 1000，25 亿次
- 1997 年：银河-III，130 亿次
- 1999 年：银河四代
- 2000 年：神威 I，3840 亿次
三、微型计算机系统与微处理器
硬件与软件
- 硬件系统：机器的物理系统，一切电子、机械、光电等物理设备
- 软件系统：管理软硬件资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等；广义还包括说明书、用户指南等说明资料
微型计算机硬件系统四大部分
- 微处理器（运算器 + 控制器，即 CPU）
- 存储器
- 输入设备
- 输出设备
微处理器
- Microprocessor = CPU = 中央处理单元 = Processor
- 微处理器设计制造技术的提高推动了微机系统的迅猛发展
- 目前微机性能在某些方面已达到甚至超过小型机，普遍采用多核处理器
四、计算机存储系统及工作原理
1. 半导体存储器
两大类：
- ROM（Read Only Memory）：只读存储器
- RAM（Random Access Memory）：随机存储器
RAM 寻址：行地址（RAS）+ 列地址（CAS），行列地址选通信号控制
2. 只读存储器 ROM 家族
| 类型 | 特点 |
|---|---|
| 掩模 ROM | 出厂时数据已”固化”，不允许用户修改 |
| PROM | 可编程只读存储器，只允许写入一次（一次可编程） |
| EPROM | 可擦写可编程只读存储器，紫外线照射擦除后再编程 |
| EEPROM (E²PROM) | 电可擦除可编程只读存储器，直接用电信号擦除和写入 |
| Flash 闪存 | 非易失性，EEPROM 改进产品；主板 BIOS 保存、硬盘替代品（抗震/速度快/无噪声/耗电低） |
3. 随机存储器 RAM
- SRAM（静态随机存储器）：用来做 Cache（高速缓存）
- CPU 先到 Cache 中读写，没有再访问系统内存
- Cache 空闲时与内存交换数据
- DRAM（动态随机存储器）：需要定时刷新保持数据，组成大容量内存储器
4. 非易失性存储器 NVRAM
- Non-Volatile RAM：断电后数据仍保留
- 闪存（Flash Memory）技术最引人注目
- 优点：断电保存、可重复读写、读写速度快、单位体积容量大、低功耗
5. 磁存储器
磁存储原理：
- 磁头 = 环形导磁体 + 线圈 + 漏磁缝隙
- 交变信号电流 → 导磁体磁通量变化 → 缝隙泄漏交变磁场 → 磁盘表面磁介质磁化
- “磁化点”（磁元）代表记录的数据
硬盘存储系统：数据存储在密封于洁净硬盘驱动器内腔的若干磁盘片上
磁盘阵列 RAID：
- 若干硬盘按一定要求组成快速、超大容量存储系统
- 数据分配存储在各个硬盘上
- 常用标准：RAID 0 ~ RAID 5
- RAID 1 = 镜像结构
6. 光盘存储系统
基本原理：用存储单元的光反射率代表存储的信号（1 或 0），检测反射光
光盘分类：
- 只读型（CD-ROM / DVD-ROM）：压模方法压制，适用于大量不需改变的数据
- 可记录型（CD-R）：允许一次或多次写入，写入后变成只读，用于长期保存
- 可重写型：磁光（Magneto-Optical）、相变（Phase-Change）两种类型
DVD 容量：
- 单面单层：4.7GB
- 单面双层：8.5GB（半透明薄膜涂层，激光束透过表层到达第一层）
- 双面双层：17GB
五、计算机输入/输出设备
输入设备（7 类）
- 键盘
- 鼠标
- 扫描仪
- 触摸屏
- 手写输入设备
- 数码相机
- 数字摄像机
输出设备（3 类）
- 显示器
- 打印机
- 绘图仪
六、微型计算机的总线及接口标准
1. 总线概述
定义：总线（BUS）是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道。
常见总线（速度递增）： ISA（工业标准体系接口）→ PCI（外部设备互连）→ SCSI（小型计算机系统接口）
2. 总线分类（四级）
| 级别 | 名称 | 位置与用途 | 实例 |
|---|---|---|---|
| ① | 片内总线 | 集成电路芯片内部，连接各功能单元 | CPU 芯片内部 ALU 与寄存器之间 |
| ② | 局部总线 | 印刷电路板上各芯片之间 | ISA、EISA、VESA、PCI |
| ③ | 系统总线（内总线） | 机箱内底板总线，连接各插件板 | MULTIBUS I/II、STDBUS、VME |
| ④ | 通信总线（外总线） | 系统之间、系统与外设之间 | RS-232C、SCSI、IEEE488 |
3. 三种重要总线
ISA 工业标准总线：
- Industrial Standard Architecture
- 原始 IBM PC 中引入的 8 位总线，1984 年 PC/AT 扩展到 16 位
- 现代个人计算机的基础
PCI 总线：
- Peripheral Component Interconnect（外围元件互联）
- 1992 年 Intel 联合 IBM/Compaq/DEC/Apple 创立
- 33MHz 时钟，32 位数据宽度（可扩展到 64 位）
- 传输率 132MB/s ~ 264MB/s
- Intel 即插即用（PnP）规范的典范——无跳线开关，全软件配置
SCSI 总线：
- Small Computer System Interface
- 连接计算机与磁带机/磁盘机/CD-ROM/扫描仪/打印机等外设
- 最重要、最有潜力的新总线标准之一
4. 接口标准
- 串行接口：一条线（或一对线）传送数据。最早的串行接口标准是 RS232。
- 并行接口：几条线同时传输数据。
- 新接口标准：SCSI、USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）等。
章节关联
- 前章：第02章-计算与计算科学-信息技术导论（计算本质、人工智能、计算学科）
- 后章：第04章-计算机软件系统-信息技术导论
- 相关课程：《CSAPP》深入理解计算机系统、《结构化计算机组成》Tanenbaum、1A003 计算机组织与系统结构课程
关键要点速查
- 冯·诺依曼两大贡献：存储程序 + 五大部分结构
- ENIAC（1946）→ EDVAC（1951，存储程序）→ EDSAC（1949，首台内储程序式）
- 四代计算机：电子管→晶体管→集成电路→超大规模集成电路
- 摩尔定律：18 个月翻一番；技术与经济是两大制约因素
- 存储器层级：寄存器 → Cache（SRAM）→ 主存（DRAM）→ 外存（硬盘/光盘/闪存）
- ROM 家族：掩模 ROM → PROM → EPROM → EEPROM → Flash
- 总线四级：片内 → 局部 → 系统 → 通信
- 三大总线：ISA（16 位工业标准）、PCI（32/64 位即插即用）、SCSI（小型机系统接口）