馮·諾依曼體系架構概念

現代計算機硬件發展階段：

1、電子管計算機時代

2、晶體管計算機時代

3、（中小型）集成電路計算機時代

4、大型集成電路計算機時代

未來計算機發展方向。

量子霸權2019年新聞

計算機專業術語：摩爾定律

計算機的計算（硬件+軟件）

計算機軟件的發展階段

1、手工操作

2、批處理操作

3、多道程序設計

4、分時系統

5、實時系統

6、通用操作系統

現代按用途對計算機進行分類

1、超級計算機2、網絡計算機3、工業控制計算機4、個人計算機5、嵌入式計算機。

在之前的視頻與大家分享了，計算設備的發展歷史，而接下來我們聊聊計算機的發展歷史。

在聊計算設備之前我們先要知道，馮.諾依曼體系架--現代 計算機架構設計。

從20世紀初，物理學和電子科學家們就在爭論制造可以進行數值計算的計算器應該采用什么樣的結構。

人們被 十進制 這個人類習慣的計數方法所困擾。

所以，那時以研制十進制 計算機的呼聲更為響亮和有力。直到20世紀30年代中期，美國科學家 馮·諾依曼 就大膽的提出：拋棄 十進制，采用 二進制 作為 數字計算機 的數制基礎。同時，他還提出了預先編制計算程序，然后由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執行數值計算工作。從此人們把 馮·諾依曼 的這個理論稱為 馮·諾依曼體系結構。

1、

馮·諾依曼體系結構 也是現代計算機的 硬件 體系結構，它包括五大硬件單元：

a) 輸入設備：鍵盤

b) 輸出設備：顯示器

c) 存儲器：內存

d) 運算器：用于完成 算術運算 和 邏輯運算

e) 控制器

其中 運算器 和 控制器 組成 中央處理器，也叫 CPU。

2、功能

根據 馮·諾依曼 體系結構構成的計算機所具備的功能：

a) 把需要的程序和數據送至計算機中。

b) 必須具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力。

c) 能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力。

d) 能夠按照要求將處理結果輸出給用戶。

3、

輸入設備獲取數據存儲到內存中，CPU 從內存中取出數據并進行處理，運算完畢后在交給內存，內存將 CPU 處理過的數據交給輸出設備，由輸出設備進行數據的輸出。

4、注意

a) 存儲器指的是 內存，而不是 外存(磁盤)

b) 不考慮緩存的情況下，這里的 CPU 能且只能對內存進行讀寫，不能訪問外設(輸入或輸出設備)

c）外設(輸入或輸出設備)要進行輸入或者輸出數據時，也只能寫入內存或者從內存中讀取數據

d) 所有設備都只能直接和內存打交道

第一代計算機：電子管時代

第一臺計算機 電子管計算機 (1946-1957年)

世界上第一臺電子計算機"ENIAC"（安尼亞克）于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學誕生，是美國人莫克利（JohnW.Mauchly）和艾克特（J.PresperEckert）發明的，主要是有大量的電子管組成，主要用于科學計算。

主要特點：

1、它以電子管作為核心組成元件，所以又被稱為電子管計算機。

2、它是個龐然大物，用了18000個電子管，占地150平方米，足有兩間房子大，重達30噸，耗電功率約150千瓦，每秒鐘可進行5000次運算。

3、由于它使用的電子管體積很大，耗電量大，易發熱，因而工作的時間不能太長。

4、使用機器語言，沒有系統軟件。

5、采用磁鼓、小磁芯作為儲存器，存儲空間有限。

6、輸入/輸出設備簡單，采用穿孔紙帶或卡片。

7、主要用于科學計算，當時美國國防部用它來進行彈道計算。

第二代計算機：晶體管時代 (1958-1964年)

晶體管

第二代計算機采用的主要元件是晶體管，稱為晶體管計算機。計算機軟件有了較大發展，程序語言也出現了Fortran，Cobol計算機高級語言，采用了監控程序，這是操作系統的雛形。

主要特點：

1、體積小，可靠性增強，壽命延長。

2、運算速度快。

3、提高了操縱系統適應性。

4、容量提高。

5、應用領域擴大。

第三代計算機：中小規模集成電路計算機 (1965-1969年)

小規模集成電路

IC（IC芯片(Integrated Circuit Chip)集成電路芯片是將大量的微電子元器件（晶體管、電阻、電容等）形成的集成電路放在一塊塑基上，做成一塊芯片。而這些IC的針腳可以提供，信息的輸入，芯片中進行運算。輸出針腳負責輸出。

集成電路可在幾平方毫米的單晶硅片上集成十幾個甚至上百個電子元件51漫畫。計算機開始采用中小規模的集成電路元件，這一代比上一代更小，耗電更少，功能更強，壽命更長，領域擴大，性能比上一代有很大提高。

主要特點：

1、體積更小，壽命更長。

2、運行計算速度更快。

3、外圍設備考試出現多樣化。

4、有類似操作系統和應用程序，高級語言進一步發展。

5、應用范圍擴大到企業管理和輔助設計等領域。

第四代計算機 大規模集成電路計算機 (1971年至今)

超大規模集成電路

這時期的計算機的體積、重量、功耗進一步減少，運算速度、存儲容量、可靠性都有很大提高。

主要特點：

1、采用了大規模和超大規模集成電路邏輯元件，體積與第三代相比進一步縮小，可靠性更高，壽命更長。

2、運算速度加快，每秒可達集千萬次到幾十億次。

3、系統軟件和應用軟件獲得了巨大的發展，軟件配置豐富，程序設計部分自動化。

4、計算機網絡技術、多媒體技術、分布式處理技術有了很大的發展，微型計算機大量進入家庭，產品更新速度加快。

5、計算機在辦公自動化、數據庫管理、圖像處理、語言設別和專家系統等各個領域得到應用，電子商務已開始進入家庭，出現個人電腦(PC)，計算機的發展進入到了一個新的歷史時期。

下一代計算機可能是超導計算機、納米計算機、光計算機、DNA計算機、量子計算機和神經網絡計算機等，體積更小，運算速度更快，更加智能化，耗電量更小。

2019年10月23日Google公司，發布新聞，他們研究的量子計算機“無花果”英文叫sycamore，用200秒的時間完成了一個非常復雜的計算，這個計算如果放到超級計算機上，需要一萬年才能計算完成。

Google的量子計算機多大呢？大概廚房5-6平米的樣子吧。

目前超級計算機最快的是美國IBM公司的summit 高峰，擁有2,414,592（兩百肆拾壹萬肆仟伍佰玖拾貳）個計算機核心。

Summit大概多大呢？522平方米。大概兩個網球場那么大。

量子計算機能夠干什么呢？

1、預測天氣預報，之所以我們現在的天氣預報不準確，是因為我們無法計算出復雜的云層運動。如果我們的衛星觀測夠了，計算能力也夠了。自然就可以精準的計算出天氣預報。

2、密碼破譯，如果量子計算能力非常強大，破解一個密碼就是分分鐘的事情。

3、虛擬貨幣，虛擬貨幣比如比特幣，之所以強大，第一是不可逆性。第二是密碼破解的難度。如果量子計算機破解密碼很容易，那么虛擬貨幣也十分危險。在量子計算機發布新聞的當天比特幣的股價跌了很多。但是很快又上升了。為什么呢？原因是如果 比特幣的密碼很容易被 量子計算機 破解。那么銀行賬戶的密碼。政府機關的計算機密碼同樣也不安全了嘛。

4、股價和外匯市場。

那么說了這么半天到底什么是量子？

量子計算機：

量子計算機的一個計算單元可以同時存儲兩個數字0和1，而普通計算機最小存儲單位是bit，要么存儲1要么存儲0.

量子計算機如果有10個計算單元，就是2的10次方，所以量子計算機一下就能處理1024個數據。速度就比普通計算機快1000倍。

量子計算機可以存儲0或1，0/1中間態。

創造力來自于01中間態，如果只有對或者錯！就不會有創造力。所有的創造力都來自一個不確定性

量子計算機為了保證糾纏態，必須運行在絕對零度的環境。

普通計算機：

普通計算機一個計算單元只能存儲一個數，0或1

普通計算機如果有10個計算單元，就是一個10位的2進制數據。

普通計算機每個計算單元只能存儲0或者1，量子計算機比普通計算機高了一個維度。

之所以普通計算機無法模擬人腦，就是因為計算機只知道0/1對錯等。

從01中間態來說，量子計算機可能會產生真正的智慧、可能會做夢。

資料補充：

什么是量子：量子是微觀世界的概念。

物質：是由分子和原子組成的，分子的破裂和原子的重新組合是化學變化的的基礎。

分子由原子組成，原子 由 原子核和核外電子組成。原子核由質子和中子組成。中子不帶電，質子帶正電，電子帶負電。

中子和質子由夸克組成。分子、原子、原子核、中子、質子、電子屬于微觀粒子，通稱為量子。

摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）在1965年提出來的。

其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。

這一定律揭示了信息技術進步的速度。盡管這種趨勢已經持續了超過半個世紀，摩爾定律仍應該被認為是觀測或推測準則，而不是一個物理或自然法則。

包括計算機硬件+計算機軟件共同來完成的。

計算機硬件：看得見摸得著的設備，是計算機系統的物質基礎，如顯示器、鍵盤。

計算機軟件：計算機所執行的程序，本身看不見，用來解決如何管理和使用操作系統或程序，如QQ、殺毒軟件等。

第一：手工操作

手工操作編輯

1946年第一臺計算機誕生--20世紀50年代中期，還未出現操作系統，計算機工作采用手工操作方式。

手工操作

程序員將對應于程序和數據的已穿孔的紙帶（或卡片）裝入輸入機，然后啟動輸入機把程序和數據輸入計算機內存，接著通過控制臺開關啟動程序針對數據運行；計算完畢，打印機輸出計算結果；用戶取走結果并卸下紙帶（或卡片）后，才讓下一個用戶上機51漫畫。

手工操作方式兩個特點：

（1）用戶獨占全機。不會出現因資源已被其他用戶占用而等待的現象，但資源的利用率低。

（2）CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。

à 20世紀50年代后期，出現人機矛盾：手工操作的慢速度和計算機的高速度之間形成了尖銳矛盾，手工操作方式已嚴重損害了系統資源的利用率（使資源利用率降為百分之幾，甚至更低），不能容忍。唯一的解決辦法：只有擺脫人的手工操作，實現作業的自動過渡。這樣就出現了成批處理。

第二：批處理操作

批處理系統編輯

批處理系統：加載在計算機上的一個系統軟件，在它的控制下，計算機能夠自動地、成批地處理一個或多個用戶的作業（這作業包括程序、數據和命令）。

聯機批處理系統

首先出現的是聯機批處理系統，即作業的輸入/輸出由CPU來處理。

主機與輸入機之間增加一個存儲設備——磁帶，在運行于主機上的監督程序的自動控制下，計算機可自動完成：

成批地把輸入機上的用戶作業讀入磁帶，依次把磁帶上的用戶作業讀入主機內存并執行并把計算結果向輸出機輸出。

完成了上一批作業后，監督程序又從輸入機上輸入另一批作業，保存在磁帶上，并按上述步驟重復處理。

監督程序不停地處理各個作業，從而實現了作業到作業的自動轉接，減少了作業建立時間和手工操作時間，有效克服了人機矛盾，提高了計算機的利用率。

但是，在作業輸入和結果輸出時，主機的高速CPU仍處于空閑狀態，等待慢速的輸入/輸出設備完成工作： 主機處于“忙等”狀態。出現矛盾 高速主機與慢速外設的矛盾。

脫機批處理系統

為克服與緩解：高速主機與慢速外設的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脫機批處理系統，即輸入/輸出脫離主機控制。

這種方式的顯著特征是：增加一臺不與主機直接相連而專門用于與輸入/輸出設備打交道的衛星機。

其功能是：

（1）從輸入機上讀取用戶作業并放到輸入磁帶上。

（2）從輸出磁帶上讀取執行結果并傳給輸出機。

這樣，主機不直接與慢速的輸入/輸出設備打交道，而是與速度相對較快的磁帶機發生關系，有效緩解了主機與設備的矛盾。 主機與衛星機可并行工作，二者分工明確，可以充分發揮主機的高速計算能力。

脫機批處理系統:20世紀60年代應用十分廣泛，它極大緩解了人機矛盾及主機與外設的矛盾。

IBM-7090/7094：配備的監督程序就是脫機批處理系統，是現代操作系統的原型。

不足：每次操作 ，主機內存中僅存放一道作業，每當它運行期間發出輸入/輸出（I/O）請求后，高速的CPU便處于等待低速的I/O完成狀態，致使CPU空閑。換句話說，CPU的利用率太低了。

為改善CPU的利用率，又引入了多道程序系統。

第三：多道程序設計技術

多道程序設計技術

所謂多道程序設計技術，就是指允許多個程序同時進入內存并運行。即同時把多個程序放入內存，并允許它們交替在CPU中運行，它們共享系統中的各種硬、軟件資源。當一道程序因I/O請求而暫停運行時，CPU便立即轉去運行另一道程序。

單道程序的運行過程：

在A程序計算時，I/O空閑， A程序I/O操作時，CPU空閑（B程序也是同樣）；必須A工作完成后，B才能進入內存中開始工作，兩者是串行的，全部完成共需時間=T1+T2。

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多道程序的運行過程：

將A、B兩道程序同時存放在內存中，它們在系統的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上運行：當A程序因請求I/O操作而放棄CPU時，B程序就可占用CPU運行，這樣 CPU不再空閑，而正進行A I/O操作的I/O設備也不空閑，顯然，CPU和I/O設備都處于“忙”狀態，大大提高了資源的利用率，從而也提高了系統的效率，A、B全部完成所需時間<<T1+T2。

多道程序設計技術不僅使CPU得到充分利用，同時改善I/O設備和內存的利用率，從而提高了整個系統的資源利用率和系統吞吐量（單位時間內處理作業（程序）的個數），最終提高了整個系統的效率。

單處理機系統中多道程序運行時的特點：

（1）多道：計算機內存中同時存放幾道相互獨立的程序；（既可以打開QQ又可以打開瀏覽器操作，還可以看電影）

（2）宏觀上并行：同時進入系統的幾道程序都處于運行過程中，即它們先后開始了各自的運行，但都未運行完畢；

（3）微觀上串行：實際上，各道程序輪流地用CPU，并交替運行。

多道程序系統的出現，標志著操作系統漸趨成熟的階段，先后出現了作業調度管理、處理機管理、存儲器管理、外部設備管理、文件系統管理等功能。

多道批處理系統

20世紀60年代中期，在前述的批處理系統中，引入多道程序設計技術后形成多道批處理系統（簡稱：批處理系統）。

它有兩個特點：

（1）多道：系統內可同時容納多個作業。這些作業放在外存中，組成一個后備隊列，系統按一定的調度原則每次從后備作業隊列中選取一個或多個作業進入內存運行，運行作業結束、退出運行和后備作業進入運行均由系統自動實現，從而在系統中形成一個自動轉接的、連續的作業流。

（2）成批：在系統運行過程中，不允許用戶與其作業發生交互作用，即：作業一旦進入系統，用戶就不能直接干預其作業的運行。

批處理系統的追求目標：提高系統資源利用率和系統吞吐量，以及作業流程的自動化。

批處理系統的一個重要缺點：不提供人機交互能力，給用戶使用計算機帶來不便。

雖然用戶獨占全機資源，并且直接控制程序的運行，可以隨時了解程序運行情況。但這種工作方式因獨占全機造成資源效率極低。à

一種新的追求目標：既能保證計算機效率，又能方便用戶使用計算機。 20世紀60年代中期，計算機技術和軟件技術的發展使這種追求成為可能。à

第四：分時系統編輯

CPU速度不斷提高，由于計算機造價很高，而在學校學習的時候，不能夠讓所有學生，都同時進行計算機的操作。這個時候大學的教授就創造了分時系統。一臺計算機可同時連接多個用戶終端，而每個用戶可在自己的終端上聯機使用計算機，好象自己獨占機器一樣。

分時技術：把處理機的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機，分配給各聯機作業使用。

若某個作業在分配給它的時間片內不能完成其計算，則該作業暫時中斷，把處理機讓給另一作業使用，等待下一輪時再繼續其運行。

由于計算機速度很快，作業運行輪轉得很快，給每個用戶的印象是，好象他獨占了一臺計算機。

而每個用戶可以通過自己的終端向系統發出各種操作控制命令，在充分的人機交互情況下，完成作業的運行。

具有上述特征的計算機系統稱為分時系統，它允許多個用戶同時聯機使用計算機。

特點：

（1）多路性。若干個用戶同時使用一臺計算機。微觀上看是各用戶輪流使用計算機；宏觀上看是各用戶并行工作。

（2）交互性。用戶可根據系統對請求的響應結果，進一步向系統提出新的請求。這種能使用戶與系統進行人機對話的工作方式，明顯地有別于批處理系統，因而，分時系統又被稱為交互式系統。

（3）獨立性。用戶之間可以相互獨立操作，互不干擾。系統保證各用戶程序運行的完整性，不會發生相互混淆或破壞現象。

（4）及時性。系統可對用戶的輸入及時作出響應。分時系統性能的主要指標之一是響應時間，它是指：從終端發出命令到系統予以應答所需的時間。

分時系統的主要目標：對用戶響應的及時性，即不至于用戶等待每一個命令的處理時間過長。

分時系統可以同時接納數十個甚至上百個用戶，由于內存空間有限，往往采用對換（又稱交換）方式的存儲方法。即將未“輪到”的作業放入磁盤，一旦“輪到”，再將其調入內存；而時間片用完后，又將作業存回磁盤（俗稱“滾進”、“滾出“法），使同一存儲區域輪流為多個用戶服務。

多用戶分時系統是當今計算機操作系統中最普遍使用的一類操作系統。

第五：實時系統編輯

實時系統編輯

雖然多道批處理系統和分時系統能獲得較令人滿意的資源利用率和系統響應時間，但卻不能滿足實時控制與實時信息處理兩個應用領域的需求。于是就產生了實時系統，即系統能夠及時響應隨機發生的外部事件，并在嚴格的時間范圍內完成對該事件的處理。

實時系統在一個特定的應用中常作為一種控制設備來使用。

實時系統可分成兩類：

（1）實時控制系統。當用于飛機飛行、導彈發射等的自動控制時，要求計算機能盡快處理測量系統測得的數據，及時地對飛機或導彈進行控制，或將有關信息通過顯示終端提供給決策人員。當用于軋鋼、石化等工業生產過程控制時，也要求計算機能及時處理由各類傳感器送來的數據，然后控制相應的執行機器。

（2）實時信息處理系統。當用于預定飛機票、查詢有關航班、航線、票價等事宜時，或當用于銀行系統、情報檢索系統時，都要求計算機能對終端設備發來的服務請求及時予以正確的回答。此類對響應及時性的要求稍弱于第一類。

實時操作系統的主要特點：

（1）及時響應。每一個信息接收、分析處理和發送的過程必須在嚴格的時間限制內完成。

（2）高可靠性。需采取冗余措施，雙機系統前后臺工作，也包括必要的保密措施等。

第六：通用操作系統

操作系統的三種基本類型：多道批處理系統、分時系統、實時系統。

通用操作系統：具有多種類型操作特征的操作系統。可以同時兼有多道批處理、分時、實時處理的功能，或其中兩種以上的功能。

例如：實時處理+批處理=實時批處理系統。首先保證優先處理實時任務，插空進行批處理作業。常把實時任務稱為前臺作業，批作業稱為后臺作業。

再如：分時處理+批處理=分時批處理系統。即：時間要求不強的作業放入“后臺”（批處理）處理，需頻繁交互的作業在“前臺”（分時）處理，處理機優先運行“前臺”作業。

從上世紀60年代中期，國際上開始研制一些大型的通用操作系統。這些系統試圖達到功能齊全、可適應各種應用范圍和操作方式變化多端的環境的目標。但是，這些系統過于復雜和龐大，不僅付出了巨大的代價，且在解決其可靠性、可維護性和可理解性方面都遇到很大的困難。

相比之下，UNIX操作系統卻是一個例外。這是一個通用的多用戶分時交互型的操作系統。它首先建立的是一個精干的核心，而其功能卻足以與許多大型的操作系統相媲美，在核心層以外，可以支持龐大的軟件系統。它很快得到應用和推廣，并不斷完善，對現代操作系統有著重大的影響。

超級計算機、網絡計算機、工業控制計算機、個人計算機、嵌入式計算機。

超級計算機：能夠執行一般個人電腦無法處理的大量資料與高速運算的電腦。

網絡計算機：包括服務器、工作站、集線器、交換機和路由器等。

工業控制計算機：對生產過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。

個人計算機：滿足個人家庭、生活娛樂的計算機

嵌入式計算機：是指針對某個特定的應用，嵌入至芯片中的計算系統。

今天我與大家一起分享了，馮諾依曼架構、計算機硬件和軟件的發展階段、什么叫摩爾定律以及現代計算機的分類。

下期我們一起來認識和了解下計算機硬件的功能和作用。