我国计算机本科专业教育未来格局与发展方式探讨

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1 计算机是如何 工作的? 计算机科学与技术学院邱铁教授

2 1 计算机是如何描述和表示所要处理的信息的? 2 计算机是如何进行运算和处理工作的?( 硬件的组成 工作过程及体系结构 ) 3 计算机系统如何评价? 4 并行计算机- 高性能计算平台 5 嵌入式计算机技术

3 计算机中的数据表示

4 数据与信息 信息 : 是对客观事物的反映, 泛指那些通过各种方式传播的 可被感受的声音 文字 图形 图像 符号等所表征的某一特定事物的消息 情报或知识 数据 : 信息的量化表示 用于表示信息的各种物理符号和它们有意义的组合 数据分为两类 : 数值数据 : 数量 ( 进位制 实数和符号表示 ) 非数值数据 : 符号标记 ( 英文字母 字符 专用字符 汉字 图形 图像和语音等 ) 在计算机中, 所有信息均以二进制数表示 : 具有可行性 简易性 逻辑性 可靠性等优点 4

5 数据单位 数据位 (bit) 表示 : 位构成信息的最小单位, 一个二进制位表示两种状态 0 和 1 可支持数据位表示与存储的器件 : 具有两个能自行保持稳定的状态, 且可根据不同的输入置成某个状态 字节 (Byte): 作为一个单位来处理的一串二进制 (8 个二进制位 ), 常用来表示英文字母 阿拉伯数字 特殊符号等 字 (Word): 计算机在存储 传送或操作时作为一个数据单位的一组二进制位 其字长决定了计算机数据处理的速率和数量表示的精度, 是衡量计算机性能的一个重要标志 5

6 数制及其转换 数的位置表示法 : 运算规则 : 逢 r 进一 和 借一当 r ( 进位计数制 ) 八进制和十六进制数都可用二进制数表示 数制间的转换 : 6 m m m m n n n n i n m i i r r a r a r a r a r a r a a r N 1) ( 1) ( ) ( r : 基 ( ) i r : 权 : 小数部分位数 : 整数部分位数 m n

7 数值数据的表示 数的正负号 数值化 :0 为 +,1 为 - 数的定点与浮点表示 : ( N ) 定点表示法 : 阶码是恒定的 浮点表示法 : r M r E M: 尾数 ( 有效数字 ) E: 阶码 ( 数的范围 ) r: 阶码的底 小数点的位置是浮动的, 也即各个数的阶码是可变的 数符 e 数符 m s s 尾数 E e 例 : 符号. 尾数 符号 尾数. 小数点固定位置 m 尾数 M 小型或专用机多用定点制, 大型通用机多用浮点或浮点 定点混用

8 数值数据的表示 机器数与真值 : 数值和符号构成的机内表示为机器数, 真正表示的数值为真值 对机器数的要求 : 机器数与真值间的转换要简单 直观 机器数必须能为计算机所表示 机器数的运算规则要简单 原码 反码和补码表示法 ( 简化计算机运算过程 ) 真值 机器数 x 原 n x, 0 x 2 n n 2 x, 2 x 0 x 反 (2 n 1 x, 0 x 2 1) x, 2 n n x 0 x 补 2 n 1 x, x, 0 x 2 2 n n x

9 数值数据的表示 十进制数的编码表示 : 用二进制代码表示每一位十进制数 (BCD 码 ) 数据的奇偶校验 增加一个奇偶校验位, 使代码中 1 的个数保持为奇数或偶数

10 非数值数据的表示 符号数据 - 指字符 ( 串 ) 图形符号和汉字等 字符的编码表示 标准 ASCⅡ 码 EBCDIC 编码 8 位扩展 Unicode 编码 16 位扩展 10

11 非数值数据的表示 汉字的编码表示 汉字输入码 ( 外码 ) 为能通过键盘输入汉字的编码 : 数字码 ( 电报码 区位码 ) 拼音码 ( 全拼码 双拼码 ) 字形码 ( 五笔字型 表形码 ) 音形码 ( 自然码 ) 汉字机内码 内部存储 交换 检索等操作统一使用的二进制编码, 二字节汉字表示 汉字字形码 用点阵表示的汉字字模代码, 用于输出 字模点阵只用来构成汉字库, 不用于机内存储, 不同字体有不同的库 逻辑数据的表示 逻辑运算涉及到的逻辑变量和逻辑函数, 通常仅取两个值 0 和 1 11

12 多媒体数据表示 声音信息的表示 : 声音数字化质量指标 : 采样频率 量化位数 声道数 图形 图像的数字化 : 矢量图编码 : 数学描述方式 ( 基本图元 + 重构图形指令 ) 点阵图编码 : 像素数组 活动图像信息表示 : 视频 图像帧的时间序列 动画 每帧图像由人工或计算机生成 12

13 计算机的结构组成 与工作过程

14 基本结构组成 基本结构组成 : 仍遵循冯. 诺依曼结构 以存储器为中心 14

15 指令系统 指令 : 指示计算机执行各种基本操作的命令 指令格式 : 指令字长 : 所占二进制码位数 指令类型 : 数据处理 数据传送 程序控制 状态管理 15

16 中央处理器 CPU: 是实现指令系统的核心电路, 是计算机的核心部件 运算器完成算术运算和逻辑运算 控制器根据指令提供信息实现对系统各部件的操作与控制 16

17 内存储器 存放当前参加运行的程序和数据 只读存储器 (ROM): 系统预先设定好, 机器启动时自动读取 用来存放系统的引导 检测 诊断 设置等程序 随机存储器 (RAM): 主要用来存放当前要用的操作系统 应用软件 计算程序 输入输出数据 中间结果 以及与外存交换的信息 断电后信息丢失 高速缓冲存储器 (Cache): 在 CPU 与 RAM 之间起缓冲作用, 在速度上与 CPU 相当, 在功能上与 RAM 相同 17

18 数据存储技术

19 早期数据存储方法 打孔卡片 纸带机 水银延迟线存储器 用在了 1951 年莫齐利和埃克特设计的第一台通用自动计算机 UNIVAC-1 上 19

20 早期数据存储方法 磁芯存储器 : 发明者为美籍华人王安, 后 MIT 的福雷斯特把磁芯排列为可寻址的磁芯阵列, 形成实用的存储装置 (20 世纪 年代 ) 磁鼓存储器 - 磁盘存储器的前身 采用具有矩形磁滞回线的磁性材料 20

21 磁表面存储器 记录原理 : 通过电 - 磁变化, 利用磁头写线圈中的脉冲电流, 可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态 ; 反之, 通过磁 - 电变换, 利用磁头读出线圈, 可将存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出 磁带存储器 21

22 磁盘存储器 软磁盘 硬磁盘 磁盘阵列 22

23 光盘存储器和半导体存储器 激光刻录原理 : 利用激光束的高能量在记录表面上刻蚀, 使之发生物理或化学变化来存储信息, 根据激光束和反射光的强弱不同实现信息的读写 光盘存储器分类 : 只读光盘 一次写入多次读出 可擦写型光盘 半导体存储器 : 采用集成电路工艺 只读存储器 随机存储器 U 盘 23

24 输入 / 输出设备

25 输入设备 数字化仪 键盘 鼠标 光电笔 数码相机 触摸屏 字符阅读器 扫描仪 声音识别器 25

26 输出设备 显示器 打印机 3D 打印机 绘图仪 投影机 扬声器音箱 26

27 虚拟现实 ( 拟人化的人机交互 ) 27

28 硬件系统的连接 系统总线 : 数据总线 地址总线 控制总线 接口电路 : I/O 接口解决主机与外部设备间的不匹配 ( 速度 时序 信息格式 信息类型 ) 以及交换控制

29 计算机系统结构 高级语言 编译程序 计算机体系结构 汇编语言 机器语言 传统机器级 微程序级 电子线路 Computer Architecture: 由程序设计者所看到的系统的基本属性 : 概念性的结构与功能上的特性 主要研究软 硬件功能分配和对软 硬件界面的确定 指令系统 ; 数据表示 ; 操作数的寻址方式 ; 寄存器的构成定义 ; 中断结构和例外条件 ; 存储体系和管理 ; I/O 结构 ; 信息保护等

30 计算机系统的性能指标 与评测标准

31 计算机系统的性能指标 字长 : 参与运算的数的基本位数, 标志计算精度 ; 内存容量 :RAM 中能存储的信息总字节数, 反映记忆信息能力 ; 存取周期 : 存储器进行一次完整读 写操作所需的全部时间, 体现信息存取速度 ; 主频 :CPU 单位时间内发出的脉冲数, 反映 CPU 的工作速度 ; 运算速度 : 每秒钟能执行的指令条数, 单位是次 / 秒 ; RASIS 特性 : 可靠性 (Reliability) 可用性 (Availability) 可维护性 (Servicebility) 完整性 (Integrality) 安全性 (Security) 兼容性 (Compatibility): 系统软 硬件间所具有的共存性 31

32 计算机系统的评测标准 时钟频率 ( 主频 ) 指令执行速度 (Million Instructions Per Second,MIPS) F z MIPS 指令条数执行时间 10 6 : 处理机的工作主频 F z CPI CPI: 每条指令所需的平均时钟周期数 IPC: 每个时钟周期平均执行的指令条数 IPC F 等效指令速度 指令执行速度的平均方法 : 解决不同指令和指令使用频度差别很大的问题 z 32

33 嵌入式计算机技术

34 嵌入式系统的行业定义 IEEE 的定义 : Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants. 从中可以看出, 嵌入式系统是软件和硬件的综合体, 还可以涵盖机械等附属装置

35 我国嵌入式系统的行业定义 以应用为中心, 以计算机技术为基础, 软件硬件可裁剪适应应用系统对功能 可靠性 成本 功耗严格要求的专用计算机系统

36 嵌入式系统的分类 嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类分为 : 系统中使用含程序或算法的处理器的嵌入式系统为芯片级嵌入 ; 系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入 ; 嵌入式系统按软件实时性需求分 : 非实时系统 ( 如 PDA); 软实时系统 ( 如消费类产品 ); 硬实时系统 ( 工业实时控制系统 )

37 嵌入式系统的应用与发展

38 嵌入式系统的应用范围 工业 工控设备智能仪表汽车电子 军事国防 军事电子 嵌入式应用 消费电子 信息家电智能玩具通信设备移动存贮 网络设备 电子商务 网络

39 崭新的数字世界多彩的嵌入式应用无线电的发展 BTH 矿石收音机单二极管 Bush 收音机 7 个晶体管单二极管 Evoke DAB 收音机 1 亿个晶体管 2-3 个嵌入式处理器

40 电话的发展 电话无晶体管 BT DECT 1 千万个晶体管 3 个处理器 诺基亚手机新式诺基超过 7 亿个晶体管亚手机 ( 多数用于存储器 ) 5-6 个处理器 苹果 iphone

41 计算机的发展 Apple Macintosh 黑白显示器 1 MIP 处理器 Acorn Archimedes 彩色显示器 10 MIP 处理器 RISC 集 惠普 - 康柏掌上电脑彩色显示 200 MIP 处理器 64MB 内存 袖珍型

42 嵌入式 Internet 应用

43 航海仪器的发展 地图 时钟 指南针印刷及磁技术无晶体管 Raytheon 船用航海仪器 GPS 定位器约 1 亿个晶体管 1-2 个处理器 + 4 个人造卫星! GPS 定位器约 5 亿个晶体管 2-4 个处理器超过 10 个人造卫星

44 军事国防领域

45 航天领域

46 嵌入式系统在机器人控制中的应用

47 智能玩具与机器人

48 其他产品发展 i Pad Konica Revio Disc on Key

49 我们正步入一个崭新的 数字世界 嵌入式应用 无线连接是 数字胶水

50 第二讲结束

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