第1章 計算機硬件概論,本章將論述信息與數(shù)字化的關系，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，硬件與軟件的關系，計算機硬件設計的基本原則，硬件的設計內容和設計方法，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)字技術一統(tǒng)信息技術天下的局面呢？關鍵就在于數(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)字技術一統(tǒng)信息技術的關鍵所在；第三，數(shù)字能夠以單一的形式來進行處理、傳輸和存儲，具有技術實現(xiàn)上的統(tǒng)一性和簡單性；第四，數(shù)字技術具有精確、準確的特點，是高質量信息的代名詞。,圖靈機是一個由磁頭和無限長的帶子構成的理論模型機。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換的機器系統(tǒng)。 當信息被轉變?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)字域信息相互轉換的操作，這種操作往往由稱之為計算機輸入輸出設備的部分來完成。,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，并出現(xiàn)了多道程序設計和分時操作系統(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的進步，計算機專家為現(xiàn)代計算機的發(fā)展總結了下列幾個規(guī)律： Moore定律：微處理器內晶體管集成度每18個月翻一番； 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； 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； Metcalfe定律：網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(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備，二是發(fā)展為這些終端提供服務支持的高性能服務器和相應的基礎設施。前者將促進嵌入式處理器和高密度微型化存儲技術的發(fā)展，后者將進一步推動高性能計算機體系結構的發(fā)展和海量存儲技術的發(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換為數(shù)字形式或者將數(shù)字形式的信息轉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?。轉換硬件包括計算機輸入輸出設備，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）。 包括計算機在內的一切數(shù)字化信息設備在數(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)絡設備的網(wǎng)絡處理器）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。,處理器的主要任務就是執(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，最終都要轉化為由這些基本指令按一定順序排列而構成的指令流。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。,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)結構上采用并行技術來提高指令執(zhí)行速度。處理器中采用的并行技術叫指令級并行技術，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： 足夠大的容量； 與CPU相匹配的速度； 低廉的價格； 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備上。硬盤是高速的在線外存儲設備，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，以便隨時調用。硬盤是最重要的外存儲設備。,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。 片內總線：微處理器內部各功能單元的連線，又稱CPU總線； 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； 系統(tǒng)總線：主板上擴展卡與擴展卡間連接的總線； 外總線：計算機與外部設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 轉換硬件 常見的輸入設備有鍵盤（將文本和符號信息轉換為數(shù)字信息）、鼠標（將位置信息轉化為數(shù)字信息）、掃描儀（將圖像信息轉換為數(shù)字信息）等。有些設備沒有被稱為輸入設備，但本質上都是將各種現(xiàn)實的信息形式轉換為數(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換為數(shù)字信息；話筒加上聲卡將聲音信息轉換為數(shù)字信息；攝像頭加上視頻采集卡也可將視頻信息轉換為數(shù)字信息。這些都可稱之為正向轉換硬件。,常見的輸出設備有顯示器（這是最重要的輸出設備，它可將數(shù)字信息轉換為圖形、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)字信息轉換為紙張上的文本、圖形、圖像形式）、繪圖儀（將數(shù)字信息轉換為紙張上的圖形信息）。聲卡加上音箱可將數(shù)字信息轉換為聲音信息。這些都可以稱為反向變換設備。,1.5 硬件與軟件的關系,本節(jié)論述軟硬件關系的兩個原理：等效原理與互動原理。 數(shù)字技術是硬件和軟件的結合體，從最底層的角度看，軟硬件所產生的結果就是按某種次序對數(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。一個計算任務，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，最終的結果完全一樣，所不同的只是完成任務所花費的時間。,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果等效原理： 要達到對數(shù)字操作的某種結果，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，產品批量又較大，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，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)字化儀器領域和數(shù)字控制領域，大量采用數(shù)字信號處理器（DSP）；在網(wǎng)絡設備中，大量采用網(wǎng)絡處理器。,（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實現(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，軟件能夠實現(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 計算機硬件設計的基本原則,下面就是計算機硬件設計要遵循的最基本、最為廣泛采用的原則： 加快經常性事件 (Make The Common Case Fast)。 經常性事件就是發(fā)生得最頻繁、占時間最多的事件。,加快經常性事件可以由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/(1Fe)+Fe/Se,1.7 計算機硬件的設計內容與方法,目前一般認為下列內容都屬于硬件工程師要完成的任務：電路設計、可編程器件的邏輯設計、專用集成電路設計、指令系統(tǒng)設計、計算機系統(tǒng)設計、微程序控制設計、匯編語言程序設計、設備驅動程序設計和系統(tǒng)的仿真和調試與測試。目前，嵌入式硬件的設計師還要懂得嵌入式實時操作系統(tǒng)，才能有效地構成較復雜的系統(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。基準程序實際是在真實的應用程序中精心選擇的程序套件。,