第 1 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
第一章 计算机硬件技术概述
本章主要内容
1.1 计算机的发展史
? 微电子器件的发展和摩尔定律
? 计算机的发展、特点、分类和
发展趋势
1.2 计算机系统
? 计算机的硬件和软件
? 计算机的硬件
习题与思考题
11页,4,5,6,7
第 2 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1 计算机发展史
1.微电子器件的发展
? 电子管
特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、
可靠性差。
? 半导体晶体管
特点：体积小、功耗低、可靠性高。
包括双极型晶体管和场效应晶体管。
? 集成电路芯片
(IC,Integrated Circuits) 特点：速度
快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。
第 3 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
IC集成度分类：
SSI（ 小规模集成电路 ）
晶体管数 100个以下
MSI（ 中规模集成电路 ）
晶体管数 100～ 3000个
LSI（ 大规模集成电路 ）
晶体管数 3000～ 105个
VLSI（ 超大规模集成电路 ）
晶体管数 105～ 108个
ULSI（ 甚大规模集成电路 ）
晶体管数以上
目前的 P4集成度超过 108
1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史
第 4 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史
2.计算机的发展史
?电子管计算机 （ 1946年到 50年代后期 ）
? 存储器：延迟线, 磁芯
? 无高级语言, 甚至没有汇编器
? 科学计算, 为军事与国防尖端科技服务
? 没有商业化
?晶体管计算机 （ 50年代中期到 60年代后期 ）
? 磁芯存储器, 存储量从几千提高到 10万单元以上
? 运算速度从每秒几千次提高到几十万次
? 军事与尖端技术, 气象, 工程设计, 数据处理以及其
他科学研究等领域
第 5 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史
?中、小规模集成电路集成电路计算机（从 60年代
中期到 70年代前期）
? 功耗, 体积, 价格等进一步下降 。
? 速度及可靠性相应的提高
? 范围进一步扩大
?大, 超大规模集成电路计算机 （ 70年代初到至今 ）
? 20世纪 60年代后, 半导体存储器取代了磁芯存储器,
并不断向大容量, 高集成度, 高速度发展 。
? 70年代初, 出现微型计算机 （ PC） —— 以微处理器
（ MPU,单片 IC的 CPU） 为核心的电子计算机 。
? 计算机进入了几乎所有的行业 。
第 6 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.2 摩尔定律
1965年，
Intel的创办人
之一摩尔发现：
“在相等面积
(制作成本 )上，
CPU上的晶体
管数量以每 18
个月倍增的趋
势增加，执行
性能的提升大
体也符合这个
趋势。”
第 7 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
? 运算速度为每
秒 5000次十进
制加法运算或
者 400次乘法运
算
? 至多只能存 20
个 10位的十进
制数,无程序
存储器。
1.第一台电子数字计算机
1946年,ENIAC，美国宾夕法尼亚大学
? 18800个电子管,1500个继电器，重达 30吨，占地 170平
方米。耗电 150千瓦。
第 8 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
2.存储程序概念的提出
以美籍匈牙利数学家 冯 ·诺依曼 为首的研制小组与参与
研制 ENIAC主要人员联名发表了一篇长达 101页纸的报
告，即计算机史上著名的,101页报告”，提出了,存
储程序控制” 的计算机结构 (即诺依曼机），奠定了现代
计算机的体系结构。
⑴ 计算机（指硬件）由五大基本部件组成；
⑵ 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
⑶ 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再执
行程序。
第 9 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
3.第一台存储程序计算机
1949年在英国剑桥大学问世的 EDSAC,由 3000只电
子管为主要元件的存储结构的计算机 。
1951年冯 ·诺
依曼的 EDVAC问
世，总共只采用
了 2300个电子管，
但运算速度却比
拥有 18000个电
子管的 ENIAC提
高了 10倍。
第 10 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
4.晶体管计算机的诞生
? 1954年, 贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的
计算机 （ TRADIC）, 装有 800个晶体管 。
? 1958年, IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算
机 RCA501型 。 计算速度从每秒几千次提高到几十万次,
主存储器的存储量, 从几千提高到 10万以上 。
? 1959年, IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机
IBM 7090。
第 11 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
5.第三代计算机的的著名代表
1964 年,
第一个采用
集成电路的
通用计算机
系列 IBM
360 系 统 研
制成功, 该
系列有大,
中, 小型,
共 6个型号 。
第 12 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
在 1967年和
1977年, 分别出
现了大规模集成电
路和超大规模集成
电路 。 美 国 的
ILLIAC-IV计算机,
是第一台全面使用
大规模集成电路作
为逻辑元件和存储
器的计算机 。
6.使用超大规模集成电路的第四代计算机
第 13 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
?Intel系列 CPU的发展，
特别是 1978年推出的
8086 16位 CPU，为微机
的出现奠定了硬件基础。
?1980年,IBM实行“开
放”政策；采用 Intel
8088 MPU、委托独立软
件公司为它配置各种软
件。
?1981年 8月 12日,IBM在
纽约宣布 IBM PC个人电
脑出世。
7.微型计算机的出现
第 14 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
—— Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表
代 年份 字长 型号 工艺 集成度(万个 ) 时钟速率 (MHz) 运算速度 (MIPS)
一 71 4 4004 PMOS 0.2 <1 0.06
二 74 8 8080 NMOS 0.5 2~4 0.4
三 78 16 8086 HMOS 2.9 4.77~10 <1
四 85 32 80386 CMOS 27.5 16~33 6~12
五 93 32 Pentium CMOS 320 60~133 100~200
六 97 32 PentiumII CMOS 750 233~400 >300
七 01 32 PentiumIV CMOS 4200 1.3~3.6GHz
八 04 64 PentiumIV F CMOS 16900 3.2~3.6GHz
第 15 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.4 现代计算机的特点及其类型
计算机按用途可分为专用计算机和通
用计算机
? 专用计算机是最有效, 最经济, 最快速的计算机,
但是它的功能单一, 适应性很差 。
? 通用计算机功能齐全, 适应性很强, 但是牺牲了
效率, 速度和经济性 。
? 专用和通用是根据计算机的效率, 速度, 价格,
运行的经济性和适应性来划分的 。
现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机 。
第 16 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.4 现代计算机的特点及其类型
巨型机 （ GFLOPS=亿次浮点运算 /秒 ）
?指令速度每秒一亿次以上，最高运算速度达到 32GFLOPS。
?在结构上一般采用并行多处理器。
?应用于尖端科学、军事领域，标志国家计算机技术水平。
中, 大型机：
?运算速度为每秒 100万次至数千万次 。
?一般最为大学, 大型企业, 金融等行业或单位 。
?高可靠性 。
小型机
?规模小, 结构紧凑, 容易维护 。
?一般用于企业管理, 数据处理, 自动控制等
?也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机 。
第 17 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.4 现代计算机的特点及其类型
微型机
?体积桌面化 ---掌上化
?通用化
?维护简单化, 操作简单化, 用户平民化
?价格低廉化
?多媒体化, 网络化
第 18 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.5 计算机的发展趋势
目前计算机的发展是向, 两极, (多级 )分化
?微型化, 网络化, 高性能, 通用化 。
?巨型化, 超高速, 并行处理, 智能化方向发展 。
关于计算机的大小 —— 速度, 容量 。
未来计算机的发展趋势
?计算能力进一步提高 —— 预计 21世纪初期, 将出现每
秒 100万亿次的超级计算机 。
?计算机将进入人工智能时代 —— 具备学习, 判断, 推
理及自然语言能力 。
?将出现新型材料计算机 —— 超导计算机, 量子计算机,
光子计算机, 生物计算机, 纳米计算机 。
第 19 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.2 计算机系统 —— 硬件与软件
计算机系统 —— 硬件系统和软件系统的结合的整体 。
?硬件：计算机的物质存在的实体, 软件的实现平台 。
?软件：计算机功能和数据的二进制表示信息 。
例：计算机通信
具体功能可以由硬件实现, 可以由软件实现, 也可以由硬件和软
件实现 。
硬件完成：增加设计制造成本, 速度快, 稳定, 灵活性差 。
软件完成：成本低, 修改升级简单, 速度受限制 。
?硬件软件化
?软件硬件化
判
决
电信号 字节
同步
二进制
位
帧
同步
字节 包
交换
信息帧 信息包
第 20 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统
1.一般用户观察到的计算机硬件系统
?物理模块构成
?功能和性能指标
?操作界面
2.专业用户观察到的计算机硬件系统
?原理
?功能模块构成
?标准和连接关系
第 21 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统
计算机的设计者更多地关心计算机的组成原理和实
现方法 。
3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统
计算机
控制器
运算器
存储器
I/O
寄存器 1
寄存器 2
寄存器 3
寄存器 N
门 1
门 2
门 3
门 N
晶体管 1
晶体管 2
晶体管 3
晶体管 N
系统级 寄存器级 门电路级 晶体管级
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
第一章 计算机硬件技术概述
本章主要内容
1.1 计算机的发展史
? 微电子器件的发展和摩尔定律
? 计算机的发展、特点、分类和
发展趋势
1.2 计算机系统
? 计算机的硬件和软件
? 计算机的硬件
习题与思考题
11页,4,5,6,7
第 2 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1 计算机发展史
1.微电子器件的发展
? 电子管
特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、
可靠性差。
? 半导体晶体管
特点：体积小、功耗低、可靠性高。
包括双极型晶体管和场效应晶体管。
? 集成电路芯片
(IC,Integrated Circuits) 特点：速度
快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。
第 3 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
IC集成度分类：
SSI（ 小规模集成电路 ）
晶体管数 100个以下
MSI（ 中规模集成电路 ）
晶体管数 100～ 3000个
LSI（ 大规模集成电路 ）
晶体管数 3000～ 105个
VLSI（ 超大规模集成电路 ）
晶体管数 105～ 108个
ULSI（ 甚大规模集成电路 ）
晶体管数以上
目前的 P4集成度超过 108
1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史
第 4 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史
2.计算机的发展史
?电子管计算机 （ 1946年到 50年代后期 ）
? 存储器：延迟线, 磁芯
? 无高级语言, 甚至没有汇编器
? 科学计算, 为军事与国防尖端科技服务
? 没有商业化
?晶体管计算机 （ 50年代中期到 60年代后期 ）
? 磁芯存储器, 存储量从几千提高到 10万单元以上
? 运算速度从每秒几千次提高到几十万次
? 军事与尖端技术, 气象, 工程设计, 数据处理以及其
他科学研究等领域
第 5 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.1 从微电子器件的发展看电子计算机的发展史
?中、小规模集成电路集成电路计算机（从 60年代
中期到 70年代前期）
? 功耗, 体积, 价格等进一步下降 。
? 速度及可靠性相应的提高
? 范围进一步扩大
?大, 超大规模集成电路计算机 （ 70年代初到至今 ）
? 20世纪 60年代后, 半导体存储器取代了磁芯存储器,
并不断向大容量, 高集成度, 高速度发展 。
? 70年代初, 出现微型计算机 （ PC） —— 以微处理器
（ MPU,单片 IC的 CPU） 为核心的电子计算机 。
? 计算机进入了几乎所有的行业 。
第 6 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.2 摩尔定律
1965年，
Intel的创办人
之一摩尔发现：
“在相等面积
(制作成本 )上，
CPU上的晶体
管数量以每 18
个月倍增的趋
势增加，执行
性能的提升大
体也符合这个
趋势。”
第 7 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
? 运算速度为每
秒 5000次十进
制加法运算或
者 400次乘法运
算
? 至多只能存 20
个 10位的十进
制数,无程序
存储器。
1.第一台电子数字计算机
1946年,ENIAC，美国宾夕法尼亚大学
? 18800个电子管,1500个继电器，重达 30吨，占地 170平
方米。耗电 150千瓦。
第 8 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
2.存储程序概念的提出
以美籍匈牙利数学家 冯 ·诺依曼 为首的研制小组与参与
研制 ENIAC主要人员联名发表了一篇长达 101页纸的报
告，即计算机史上著名的,101页报告”，提出了,存
储程序控制” 的计算机结构 (即诺依曼机），奠定了现代
计算机的体系结构。
⑴ 计算机（指硬件）由五大基本部件组成；
⑵ 计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
⑶ 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再执
行程序。
第 9 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
3.第一台存储程序计算机
1949年在英国剑桥大学问世的 EDSAC,由 3000只电
子管为主要元件的存储结构的计算机 。
1951年冯 ·诺
依曼的 EDVAC问
世，总共只采用
了 2300个电子管，
但运算速度却比
拥有 18000个电
子管的 ENIAC提
高了 10倍。
第 10 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
4.晶体管计算机的诞生
? 1954年, 贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的
计算机 （ TRADIC）, 装有 800个晶体管 。
? 1958年, IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算
机 RCA501型 。 计算速度从每秒几千次提高到几十万次,
主存储器的存储量, 从几千提高到 10万以上 。
? 1959年, IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机
IBM 7090。
第 11 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
5.第三代计算机的的著名代表
1964 年,
第一个采用
集成电路的
通用计算机
系列 IBM
360 系 统 研
制成功, 该
系列有大,
中, 小型,
共 6个型号 。
第 12 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
在 1967年和
1977年, 分别出
现了大规模集成电
路和超大规模集成
电路 。 美 国 的
ILLIAC-IV计算机,
是第一台全面使用
大规模集成电路作
为逻辑元件和存储
器的计算机 。
6.使用超大规模集成电路的第四代计算机
第 13 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
?Intel系列 CPU的发展，
特别是 1978年推出的
8086 16位 CPU，为微机
的出现奠定了硬件基础。
?1980年,IBM实行“开
放”政策；采用 Intel
8088 MPU、委托独立软
件公司为它配置各种软
件。
?1981年 8月 12日,IBM在
纽约宣布 IBM PC个人电
脑出世。
7.微型计算机的出现
第 14 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表
1.1.3 计算机发展过程中的重要里程碑
—— Intel x86 CPU系列部分芯片主要性能表
代 年份 字长 型号 工艺 集成度(万个 ) 时钟速率 (MHz) 运算速度 (MIPS)
一 71 4 4004 PMOS 0.2 <1 0.06
二 74 8 8080 NMOS 0.5 2~4 0.4
三 78 16 8086 HMOS 2.9 4.77~10 <1
四 85 32 80386 CMOS 27.5 16~33 6~12
五 93 32 Pentium CMOS 320 60~133 100~200
六 97 32 PentiumII CMOS 750 233~400 >300
七 01 32 PentiumIV CMOS 4200 1.3~3.6GHz
八 04 64 PentiumIV F CMOS 16900 3.2~3.6GHz
第 15 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.4 现代计算机的特点及其类型
计算机按用途可分为专用计算机和通
用计算机
? 专用计算机是最有效, 最经济, 最快速的计算机,
但是它的功能单一, 适应性很差 。
? 通用计算机功能齐全, 适应性很强, 但是牺牲了
效率, 速度和经济性 。
? 专用和通用是根据计算机的效率, 速度, 价格,
运行的经济性和适应性来划分的 。
现在一般意义上讲的计算机都是指通用计算机 。
第 16 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.4 现代计算机的特点及其类型
巨型机 （ GFLOPS=亿次浮点运算 /秒 ）
?指令速度每秒一亿次以上，最高运算速度达到 32GFLOPS。
?在结构上一般采用并行多处理器。
?应用于尖端科学、军事领域，标志国家计算机技术水平。
中, 大型机：
?运算速度为每秒 100万次至数千万次 。
?一般最为大学, 大型企业, 金融等行业或单位 。
?高可靠性 。
小型机
?规模小, 结构紧凑, 容易维护 。
?一般用于企业管理, 数据处理, 自动控制等
?也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机 。
第 17 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.4 现代计算机的特点及其类型
微型机
?体积桌面化 ---掌上化
?通用化
?维护简单化, 操作简单化, 用户平民化
?价格低廉化
?多媒体化, 网络化
第 18 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.1.5 计算机的发展趋势
目前计算机的发展是向, 两极, (多级 )分化
?微型化, 网络化, 高性能, 通用化 。
?巨型化, 超高速, 并行处理, 智能化方向发展 。
关于计算机的大小 —— 速度, 容量 。
未来计算机的发展趋势
?计算能力进一步提高 —— 预计 21世纪初期, 将出现每
秒 100万亿次的超级计算机 。
?计算机将进入人工智能时代 —— 具备学习, 判断, 推
理及自然语言能力 。
?将出现新型材料计算机 —— 超导计算机, 量子计算机,
光子计算机, 生物计算机, 纳米计算机 。
第 19 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.2 计算机系统 —— 硬件与软件
计算机系统 —— 硬件系统和软件系统的结合的整体 。
?硬件：计算机的物质存在的实体, 软件的实现平台 。
?软件：计算机功能和数据的二进制表示信息 。
例：计算机通信
具体功能可以由硬件实现, 可以由软件实现, 也可以由硬件和软
件实现 。
硬件完成：增加设计制造成本, 速度快, 稳定, 灵活性差 。
软件完成：成本低, 修改升级简单, 速度受限制 。
?硬件软件化
?软件硬件化
判
决
电信号 字节
同步
二进制
位
帧
同步
字节 包
交换
信息帧 信息包
第 20 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统
1.一般用户观察到的计算机硬件系统
?物理模块构成
?功能和性能指标
?操作界面
2.专业用户观察到的计算机硬件系统
?原理
?功能模块构成
?标准和连接关系
第 21 页
计
算
机
硬
件
技
术
基
础
1.2.2 不同对象观察到的计算机硬件系统
计算机的设计者更多地关心计算机的组成原理和实
现方法 。
3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统
计算机
控制器
运算器
存储器
I/O
寄存器 1
寄存器 2
寄存器 3
寄存器 N
门 1
门 2
门 3
门 N
晶体管 1
晶体管 2
晶体管 3
晶体管 N
系统级 寄存器级 门电路级 晶体管级
