第2章信息技术设施

第二章信息技术基础设施,2020年5月1日,2,内容,第一部分：微电子技术第二部分：计算机技术,2020年5月1日,3,第一部分微电子技术,微电子学概述微电子技术的发展历史集成电路的设计与制造微电子科学技术和产业的战略地位21世纪微电子学发展方向我国微电子技术和产业现状和前景,2020年5月1日,4,微电子学概述,2020年5月1日,5,微电子技术,电子学,微电子学,2020年5月1日,6,什么是微电子学及相关概念,微系统电子学或微型电子学一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m106m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。核心是集成电路,2020年5月1日,7,集成电路,IntegratedCircuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能,2020年5月1日,8,几个概念,半导体：Semiconductor内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法芯片：chip没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称集成系统芯片SOC（systemonachip）微电子学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现系统级的功能,2020年5月1日,9,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。条宽集成电路能加工的最小线宽。,几个概念,2020年5月1日,10,集成电路分类,结构形式与器件结构类型集成电路规模电路功能应用领域,2020年5月1日,11,按结构形式的分类,单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路混合集成电路（二次集成IC）半导体芯片(集成电路、晶体管等)、片式无源元件(电阻、电容、电感、电位器等)集成在带有互连金属化层的绝缘基板(玻璃、陶瓷等)，构成更复杂的功能器件，封装在管壳中，作为整体使用。（MCM-C、MCM-D）厚膜集成电路：用丝网印刷方法涂敷浆料，形成电阻、互连线等薄膜集成电路：用蒸发、溅射方法,2020年5月1日,12,按器件结构类型分类,按有源器件结构和工艺技术分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂,优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低,功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高,2020年5月1日,13,集成电路的市场分布,2020年5月1日,14,按集成电路规模分类,小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI),2020年5月1日,15,按电路功能分类,数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路（在测量、通信、家电等方面有广泛应用）线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等,2020年5月1日,16,集成电路的分类,集成电路的分类,2020年5月1日,17,微电子技术的发展历史,2020年5月1日,18,从真空到固体,1905年发明第一个真空电子管(控制电子在真空中的运动规律和特性)。人类进入电子化时代，如：无线通讯、雷达、广播电视等。问题：体积大、重量大、耗电大、可靠性差、寿命短。,2020年5月1日,19,晶体管的发明,理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应:当光照射到某些半导体材料上后，光子与半导体内的电子作用后，会形成载流子，载流子会使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导现象。光生伏特效应:在P型，N型半导体接触面处会形成一个阻挡层。在阻挡层内存在内电场E，如果光照射在结附近，由光子激发而形成光生载流子，由于内电场的作用，光生载流子的电子就会跑到N区，而空穴就跑到P区，这时在P-N结两侧就会出现附加电位差，这一现象称为“光生伏特”效应。整流效应:在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,需求牵引：二战期间雷达等武器的需求,2020年5月1日,20,晶体管的发明,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验验证方案。1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管,2020年5月1日,21,1947BellLabs,ThePoint-ContactTransistorJ.Bardeen和W.Brattain发明第一个点接触型晶体管。,NPNGe晶体管,获得1956年Nobel物理奖,2020年5月1日,22,半导体的基础知识,一、本征半导体1.什么是本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,自然界中的物质,导体,绝缘体,半导体,价电子参与导电掺杂增强导电能力热敏特性光敏特性,常用的半导体：硅、锗、砷化镓等。,2020年5月1日,23,2.本征半导体的导电特性,在绝对零度时，不导电。温度（或光照）价电子获得能量自由电子和空穴均参与导电，统称为载流子。温度载流子的浓度自由电子释放能量跳回共价键复合。本征半导体载流子浓度较低，导电能力较弱。,导电能力。,半导体的基础知识,2020年5月1日,24,二、非本征半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,(1)掺入五价的杂质元素自由电子的浓度空穴的浓度。自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。称这种杂质半导体为N型半导体。(2)掺入三价的杂质元素自由电子的浓度空穴的浓度。空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。称这种杂质半导体为P型半导体。,半导体的基础知识,2020年5月1日,25,电离能的大小：,硅中掺磷为0.044，掺硼为0.045(eV)。锗中掺磷为0.0126，掺硼为0.01(eV)。这种电离能很小，杂质可以在很低的温度下电离。故称之为“浅能级杂质”，在室温几乎全部电离。杂质能级用短线表示，因杂质浓度与硅相比很低，杂质原子相互之间几乎无作用，杂质能级相同，量子的排斥原理对低浓度的杂质掺杂不起作用。,2020年5月1日,26,杂质的补偿作用,同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互抵消。若NDNA,则为n型半导体，n=ND-NA；反之为P型，p=NA-ND。其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。值得注意的是，当两种杂质的含量均较高且浓度基本相同时，材料容易被误认为是“高纯半导体”，实际上，过多的杂质含量会使半导体的性能变差，不能用于制造器件。,2020年5月1日,27,杂质半导体的示意表示法,P型半导体,N型半导体,半导体的基础知识,2020年5月1日,28,三、PN结,1.PN结的形成,扩散运动,扩散运动：多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。,半导体的基础知识,表面态理论,2020年5月1日,29,内电场,耗尽层势垒区,PN结,扩散运动继续进行,使PN结加宽,半导体的基础知识,2020年5月1日,30,多数载流子的扩散运动继续进行，使PN结加宽，内电场增强。内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。,半导体的基础知识,2020年5月1日,31,漂移运动：少数载流子在内电场作用下的运动。漂移运动使PN结变薄，内电场削弱。内电场削弱，又有利于多数载流子的扩散运动，而不利于少数载流子的漂移运动。,漂移运动,半导体的基础知识,2020年5月1日,32,多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡平衡的PN结。,半导体的基础知识,2020年5月1日,33,PN结的特性（1）-正向导通,2020年5月1日,34,PN结的特性（2）-反向截止,2020年5月1日,35,BJT的内部结构,按材料分类：硅管、锗管。,晶体管理论,2020年5月1日,36,三极管,2020年5月1日,37,从锗到硅,解决了电子性能问题。（材料革命）锗晶体管：漏电流大、工作电压低、表面性能不稳定，温度性能差、可靠性和寿命不理想，等等。硅晶体管的总体性能大大高于锗晶体管。直到现在硅片仍然是IC的主体。,2020年5月1日,38,从小规模到大规模,下面请看在发展过程的IC图:,2020年5月1日,39,1958-TexasInstruments,TheFirstIC.TheMicroelectronicRevolutionBegins第一个集成电路.微电子技术革命从此开始.,1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer首次提出集成电路的设想1958年德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布。,12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,2020年5月1日,40,1959-FairchildCamera基板温升较高和易受杂质气体影响等。,是大规模集成电路生产中用来沉积不同金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金和钨的应用最为广泛的技术。,2020年5月1日,121,化学汽相淀积(CVD),化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等,2020年5月1日,122,化学汽相淀积(CVD),常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD),2020年5月1日,123,集成电路工艺小结,前工序图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发，离子镀)等掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术,2020年5月1日,124,集成电路工艺小结,后工序划片封装测试老化筛选,2020年5月1日,125,人的大脑：约有140亿个脑细胞，每个脑细胞可完成“异或”或“或非”功能，长约150m，消耗能量0.2pJ。大规模集成技术：可在14cm2的面积上制作出140亿个具有同样功能的器件，每个器件的长度约为15m，消耗能量0.005pJ，工作寿命可达10亿小时。(1万年),比一比！,2020年5月1日,126,微电子科学技术的战略地位,2020年5月1日,127,微电子科学技术的战略地位,统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系RIC1.52REIREI3RGDP,2020年5月1日,128,根据IMFRIC1.7REIREI3RGNP,2020年5月1日,129,微电子科学技术的战略地位,在信息经济时代，电子产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位。,2020年5月1日,130,微电子科学技术的战略地位,同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。,2020年5月1日,131,微电子科学技术的战略地位,如果我们不发展集成电路产业IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志,2020年5月1日,132,没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷。,2020年5月1日,133,微电子产业的战略重要性,2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的21个市场：5万亿美元（NikkeiBusiness1999）,2020年5月1日,134,21世纪微电子学发展方向,2020年5月1日,135,微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的产物生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合的产物,集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC),特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸继续增大。,硅微电子技术的三个主要发展方向,2020年5月1日,136,所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度,常常作为技术水平的标志。对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）,集成电路最主要的特征参数的设计规则从1959年以来40年间缩小了140倍。而平均晶体管价格降低了107倍。特征尺寸：10微米-1.0微米-0.8（亚微米）半微米0.5深亚微米0.35,0.25,0.18,0.13纳米90nm65nm45nm,2020年5月1日,137,美国19972012年半导体技术发展规划,2020年5月1日,138,我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测,2020年5月1日,139,SOC与IC的设计原理是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、软件（特别是芯片上的操作系统-嵌入式的操作系统）、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。它的设计必须从系统行为级开始自顶向下（Top-Down）。,系统芯片(SOC),2020年5月1日,140,集成电路走向系统芯片,2020年5月1日,141,七十年代的集成电路设计,2020年5月1日,142,八十年代的电子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB集成工艺无关,系统,2020年5月1日,143,世纪之交的系统设计,SYSTEM-ON-A-CHIP,2020年5月1日,144,SOC主要三个关键支持技术,软、硬件的协同设计技术面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（FunctionalPartitionTheory）。硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大趋势。IP模块库的复用技术IP模块有三种：软核-主要是功能描述；固核-主要为结构设计；硬核-基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和快闪存储器以及A/D、D/A等都可以成为硬核。模块界面间的综合分析技术主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。,2020年5月1日,145,现场可编程门阵列(FPGA)替代专用集成电路（ASIC）,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。“整个市场都认为这是半导体的未来。”,可编程ASIC包括可编程逻辑器件（PLD）和现场可编程门阵列（FPGA），用户购得通用的可编程器件，通过CAD软件对器件内部功能进行配置，达到电子系统集成化的目的。,2020年5月1日,146,MEMS技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术,MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机电系统。微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。采用微电子加工技术，在指甲盖大小的硅片上制作含有多达10-20万种DNA基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化。对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。,2020年5月1日,147,微电子技术面临的挑战和关键技术,（1）Sub-100nm光刻技术（2）互连线技术（3）新器件结构与新材料,2020年5月1日,148,Sub-100nm光刻技术,2020年5月1日,149,传统的铝互联（电导率低、易加工）铜互连首先在0.25/0.18m技术中使用在0.13m以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用（预测可缩到20nm）高速铜质接头和新型低-k介质材料,探索碳纳米管等替代材料,互连线技术,2020年5月1日,150,器件及互连线延迟,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,1997,1999,2001,2003,2006,2009,延迟值(ns),器件内部延迟,2厘米连线延迟,（bottomlayer）,2厘米连线延迟,（toplayer）,2厘米连线延迟约束,2020年5月1日,151,互连技术与器件特征尺寸的缩小,2020年5月1日,152,1、GaAs技术电子漂移速度快（约为硅的7倍），抗辐射能力强，因此在武器系统中有重要作用。2、GeSi/Si异质结技术与目前已极为成熟的硅工艺有很好的兼容性，但可制成比硅器件与集成电路频率更高，性能更好的器件与集成电路，被誉为第二代硅技术。3、宽禁带材料及器件技术主要有SiC与GaN材料，主要优点是工作温度可高达300摄氏度以上，因此在军用系统中有重要的应用价值。,新器件结构与新材料,美国海军已采用SiC晶体管开发了540kW的雷达发射机。,2020年5月1日,153,集成电路发展面临的问题1、基本限制如热力学限制。由于热扰动的影响，对于数字逻辑系统，开关能量至少应满足ES4kT=1.65*10-20J。当沟道长度为0.5m时，开关能量约为10-16J。所以在亚微米范围，从热力学的角度暂时不会遇到麻烦。又如加工尺度限制，显然原子尺寸是最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。2、器件与工艺限制3、材料限制:硅材料较低的迁移率将是影响IC发展的一个重要障碍。4、电路限制:除了电路本身的限制外，这里还包括测试限制、互连限制、管脚数量限制、内部寄生耦合限制等。,2020年5月1日,154,栅介质的限制,传统的栅结构,重掺杂多晶硅,SiO2,硅化物,经验关系:LToxXj1/3,90nm65nm工艺：栅极栅介质已经缩小到1.2nm了（约等于5个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透,2020年5月1日,155,在45nm工艺中采用HighK金属栅极晶体管使摩尔定律得到了延伸（可以到35nm、25nm工艺）,2020年5月1日,156,我国微电子发展概况,2020年5月1日,157,我国微电子学的历史（学术）,1956年五校在北大联合创建半导体专业北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英学生：王阳元、许居衍、陈星弼、秦国刚1977年北京大学诞生第一块大规模集成电路1KSRAM2001年7校的微电子专业评为国家重点学科北大、清华、复旦、南大、上交大、西电、成电2003年9月成立9个国家IC人才培养基地北大、清华、复旦、浙大、西电、上交大、成电、东南、华中科大,2020年5月1日,158,我国微电子学的历史（产业）,1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组80年代：初步形成三业分离状态制造业、设计业、封装业2001年：成立7个国家集成电路产业化基地北京、上海、深圳、杭州、无锡、西安、成都,2020年5月1日,159,我国在微电子领域的投资,中国集成电路产业的累计投资额数据来源：徐小田,2020年5月1日,160,我国微电子发展展望,我国IC制造企业地区分布及销售情况,05年需求408亿美元，产值88亿，2010年达1240亿06年进口达1068亿美元是原油的1.6倍,2020年5月1日,161,我国微电子发展展望,到2010年总投资量600亿美元，建成2040条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业,上海IC产业发展战略目标,2020年5月1日,162,我国微电子发展展望,北京微电子研讨会：2001年（政策制定）1020条集成电路生产线零地租30年政府跟进总投资的15%天津深圳,试点,2020年5月1日,163,我国微电子发展展望,上海中芯国际：8英寸，0.25um(2001.10);0.18微米，2.5万片/月北京中芯12英寸，0.10微米上海宏力8英寸，0.13微米，4万片/月天津MotorolaMOS178英寸，0.25微米，6000片/周,2020年5月1日,164,我国微电子发展展望,上海贝岭8英寸，0.50.35微米数模混合集成电路，1.5万片/月华虹NECDARM:由0.25um过渡到0.13um,首钢NEC,6英寸0.5微米0.25微米,深圳深超,6亿美元的8英寸,LCD驱动电路,2020年5月1日,165,2020年5月1日,166,我国集成电路的开发与设计,2020年5月1日,167,中国芯,通用微处理器主要用于工作站和高性能个人计算机系统。龙信系列：“龙芯一号”CPU自2002年9月面世，风头一时无二；12月23日，由中科院计算所、海尔集团、长城集团长软公司、中软股份、中科红旗、曙光集团、神州龙芯等国内七家联手发起的“龙芯联盟”于正式成立。,2020年5月1日,168,中国芯,嵌入式微处理器主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统。它的应用极其广泛，像手机、VCD、机顶盒都是应用这类处理器。星光系列：2001年3月“星光一号”诞生，中国第一块具有自主知识产权的百万门级超大规模数码影像专用芯片。方舟系列：由方舟科技公司(原中芯微系统公司)研制，应用在国内教育、金融、税务等行业。汉芯系列：2003年2月26日，“汉芯一号”在上海面世。国内首个完全具有自主知识产权的DSP。2004年1月20日，“汉芯二号”位、“汉芯三号”位DSP芯片日前双双亮相。,2020年5月1日,169,神威系列：2002年11月，上海复旦微电子公司研制成功神威一号，代表国内CPU研制最高水平的高性能嵌入式32位微处理器。万通1号：8月底六合万通微电子公司研发的“万通1号”通过测试验证。青鸟嵌入式芯片：北大青鸟研发的嵌入式CPU产品。北大众志-八六三CPU系统芯片：由北大众志微系统科技公司和北京大学微处理器研究开发中心研制，内部拥有八百万个晶体管，目前国内规模最大的CPU系统芯片。,中国芯,2020年5月1日,170,未来十年将是我国微子产业的黄金时期,2020年5月1日,171,集成电路设计业迅速发展,国内设计企业一派欣欣向荣的景象龙芯等各种CPU为代表的高性能芯片设计企业已经突破400家设计业具有巨大的市场空间和创新空间产值迅速增长,2020年5月1日,172,高级工程技术人才和设计人才短缺已成为产业发展的制约因素。（美国现有设计人才40万人，中国设计人才不足万人）,大陆IC设计业恐现人才荒2010年人才需求25万人2010年大陆将成为全球第二大半导体市场，大陆IC设计产业市场需求的平均每年将成长20%以上，预计2005年将达人民币365亿元，但当前大陆尚未有IC设计专门学校，而设有相关科系的大专院校只有十数所，据北京日报统计，大陆每年仅约增加300名IC设计硕士投入业界，未来IC设计人才严重不足的问题，将阻碍大陆半导体产业发展。有鉴于此，大陆当局于十一五计划中，将研发超大型集成电路（ASIC）及软件列为12项重大科学技术研究计划的其中之一，藉由国家政策加速人才养成，并期望能在2010年成为IC设计大国。,2020年5月1日,173,问题关键在于培养首先要增加微电子人才培养的量其次可跨越现有专业界限，培养既懂系统，又具有微电子基础的复合型设计人才第三，建立给高年级学生、硕士、博士生有设计创新实践机会的“多目标芯片教育与服务体系”,2020年5月1日,174,第二部分：计算机技术,2020年5月1日,175,内容提要,计算机的发展历史计算机系统的构成及工作原理信息在计算机中的表示计算机的发展方向主要国家对计算机的贡献,2020年5月1日,176,一、计算机的发展历史,2020年5月1日,177,计算机的发展历史,计算机的过去现在与未来:什么是计算机?中国最古老的算盘电子计算机的诞生凝聚着人类长期研究和发展计算机工具与计算机技术的心血。我国的最古老的计算工具“算筹”和“珠算盘”是现代计算工具的启蒙。而珠算直到今天仍被认为是一种简便而优良的计算工具。,2020年5月1日,178,人类追求的计算工具,CharlesBabbage,1822差分机,1833分析机,MARKI,ENIAC,电子计算机时代,计算机发展史,巴贝奇,2020年5月1日,179,计算机的发展状况,机械式手动计算机法国数学家、哲学家帕斯卡在1642年发明了一种机械计算机，并于1649年取得专利。帕斯卡的计算机采用一种齿轮系统，其中一小轮转十个数字，下一个小轮便转动一个数字，通过齿轮系的联动，可以进行加法和减法的运算.,2020年5月1日,180,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW,计算机发展史,平均无故障运行时间：7min,大小：长24m，宽6m，高2.5m,6000个开关，7000个电阻，10000个电容，50万条线,2020年5月1日,181,计算机的发展状况,这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量,2020年5月1日,182,电子恐龙的缩骨法晶体管,ENIAC,划时代的实验装置,晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。,电子管的缺点：体积大；耗能高、散热量大。,晶体管的优点：体积小；耗能低；性能稳定。,计算机发展史,2020年5月1日,183,将电脑浓缩在一颗芯片上,0.18微米芯片,10微米芯片,计算机发展史,2020年5月1日,184,第一代（19461956）电子管5千4万（次/秒）,第二代（19571964）晶体管几十万百万（次/秒）,第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）,第四代（197190年代）大规模集成电路几百万几亿（次/秒）,计算机发展的几个阶段,计算机发展史,2020年5月1日,185,计算机的发展状况,计算机有智能吗关于第五代计算机下一代计算机，即第五代电子计算机也被称为“智能计算机”。,2020年5月1日,186,晶体管数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,计算机发展史,2020年5月1日,187,第一代,4位和低档8位机,Intel40048008,第二代,中高档8位机,Intel8080/8085Z80、MC6800,第三代,16位机,Intel8086/808880286Z8000、MC68000,第四代,32位机,Intel80386、80486MC68020,（1971-1973）,（1974-1977）,（1978-1981）,（1981-1992）,（1993-1995）,特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。,第五代,32位机,IntelPentiumAMDK5,（2004-）,微处理器发展历史,第六代,64位机,AMDK8Athlon64/FXAMDK8Athlon64X2IntelPrescottPentiumIntelPentiumD,2020年5月1日,188,计算机的商用化,计算机的第一个商业顾客烤面包卖茶点的利昂（lyons）,ENIAC,EDSAC,进入社会，开启办公自动化理念,LEO(LyonsElectronicOffice),计算机发展史,2020年5月1日,189,香侬是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度；2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分离的结构。,奠定现代计算机发展的重要人物和思想,ClaudeShannon,计算机工作原理,2020年5月1日,190,图灵与图灵机,为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”,计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。,图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。,计算机工作原理,奠定现代计算机发展的重要人物和思想,2020年5月1日,191,计算机的发展状况,图灵在设计了他的单带模型后提出：凡是可计算的函数都可以用一台图灵机来计算。这就是著名的图灵论题。这一理论已被当成公理，它不仅是计算机科学的基础，也是数学的基础之一。为纪念英国数学家Turing(1912-1954)而设立的图灵奖成为计算机界的诺贝尔奖.,2020年5月1日,192,JohnvonNeumann冯诺依曼,1949EDSAC,冯诺依曼计算机,存储程序工作原理:计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。,计算机工作原理,2020年5月1日,193,计算机系统的构成及工作原理,2020年5月1日,194,计算机系统的组成,1946年，美籍匈牙利科学家冯诺依曼(VonNeumann)提出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含了三个要点：(1)采用二进制的形式表示数据和指令。(2)将指令和数据存放在存储器中。(3)由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成计算机。,2020年5月1日,195,非冯诺依曼体系结构的计算机,非冯诺依曼体系结构是提高现代计算机性能的另一个研究焦点。冯诺依曼体系结构虽然为计算机的发展奠定了基础，但是它的“集中顺序控制方面”的串行机制，却成为进一步提高计算机性能的瓶颈，而提高计算机性能的方向之一是并行处理。因此，出现了非冯诺依曼体系结构的计算机理论，例如神经网络计算机、DNA计算机、光子计算机等,2020年5月1日,196,计算机系统的组成,2020年5月1日,197,计算机硬件基本组成,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,控制器,输入设备,输出设备,运算器,计算机工作原理,2020年5月1日,198,2020年5月1日,199,微型计算机的硬件结构,2020年5月1日,200,地址总线AB(AddressBus)：单向用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。,2020年5月1日,201,地址总线的条数决定CPU的寻址能力。10根21010241K20根2201024K1M32根232222304G36根2362623064G,2020年5月1日,202,数据总线DB(DataBus)：双向用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。,2020年5月1日,203,数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。,8根一次传送8位16根一次传送16位32根一次传送32位64根一次传送64位,2020年5月1日,204,控制总线CB(ControlBus)：用于传送各种控制信号。,有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。,2020年5月1日,205,2020年5月1日,206,内存内存是存储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。,2020年5月1日,207,I/O端口I/O接口内部通常有一个或多个寄存器，用以存放各种信息，称I/O寄存器或I/O端口。,2020年5月1日,208,微机的工作过程,2020年5月1日,209,软件的概述,“吃软不吃硬”的EDSAC,存储程序工作原理的计算机决定了它的使用方式：编写程序和运行程序,硬件,软件,软件史上的重要人物阿黛拜伦格雷斯霍普威尔克斯戴维韦勒,计算机软件概述,2020年5月1日,210,计算机软件系统,计算机的数学理论基础是图灵于1937年提出的图灵机模型，而现代电子计算机的体系结构及实际计算模型则是来自冯.诺依曼1946年提出的“程序放入内存，顺序执行”的思想，因此，现在的计算机通常被称为冯诺依曼计算机。,2020年5月1日,211,计算机的软件系统,用户与计算机系统各层次之间的关系,2020年5月1日,212,程序和指令,指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。,机器执行什么操作,执行对象（具体数、存放位置）,计算机软件概述,2020年5月1日,213,程序设计的步骤,程序设计的步骤1.分析问题2.建立数学模型3.选择算法4.编写程序5.调试运行6.分析结果7.写出程序的文档,2020年5月1日,214,信息在计算机中的表示,2020年5月1日,215,信息的存储,字节（Byte）：最常用的基本单位，一个字节由八位二进制数字组成(1byte=8bit),K字节1K=1024byteM（兆）字节1M=1024KG（吉）字节1G=1024MT（太）字节1T=1024G,b7b6b5b4b3b2b1b0,10010101,=27+24+22+20,=149,基本术语:,2020年5月1日,216,信息的存储,字和字长：在计算机中，作为一个整体被存取或运算的最小信息单位称为字或单元；每个字中存放的二进制数的长度称为字长。计算机字长一般是指参加运算的寄存器所能表示的二进制数的位数。计算机的功能设计决定了机器的字长。机器字长可以是8位、16位、32位、64位等，显然，机器字长包括一个或多个字节。,2020年5月1日,217,信息的存储,与存储器有关的术语：地址：整个内存被分成若干存储单元，每个存储单元都可以存放程序或数据。用于标识每个存储单元的惟一的编号称为地址。,2020年5月1日,218,100是几？,是什么意思？,？,一年有12个月一周有7天一天有24小时一小时有60分,如何表示数？有什么规律？,产生了一个关键的问题：,数制,计算机中的数及其运算,2020年5月1日,219,计算机的语言二进制,十进制R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制R=2，可使用0,1八进制R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制R=16，可使用0,9,A,B,C,D,E,F,“逢R进一，借一当R”,进制的概念,计算机软件概述,2020年5月1日,220,二进制概念,我认识她已有1111年了。,信息复制的精确性运算规则简单（R(R+1)/2）电子线路制造计算机成为可能,计算机软件概述,2020年5月1日,221,计算机中的数,计算机内部为什么要用二进制表示信息呢？原因有四点：(1)电路简单。计算机是由逻辑电路组成的，逻辑电路通常只有两个状态。例如，电流的“通”和“断”，电压电平的“高”和“低”等。这两种状态正好表示成二进数的两个数码0和1。(2)工作可靠。两个状态代表的两个数码在数字传输和处理中不容易出错，因此电路更加可靠。,2020年5月1日,222,计算机中的数,(3)简化运算。二进制运算法则简单。(4)逻辑性强。计算机的工作是建立在逻辑运算基础上的，二进制只有两个数码，正好代表逻辑代数中的“真”和“假”。因此，数字式电子计算机内部处理数字、字符、声音及图像等信息时，是与以0和1组成的二进制数的某种编码形式相对应的。,2020年5月1日,223,1.数制,用一组数字和一套统一的规则来表示数目,符号的个数,进位的规律,2.基数,数制中所含数字符号的个数称为基数,Decimal,Binary,Octal,Hexadecimal,3.常见数制,2020年5月1日,224,0，1，2，3，4，5，6，7，8，9,base10,base2,base8,0，1,0，1，2，3，4，5，6，7,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F,base16,2.常见数制,2020年5月1日,225,对于r进制的数，在数值的后面使用特定的字母标注。,(101)2(101)8(101)10(101)16,BinaryOctalDecimalHexadecimal,101B101O101D101H,3.书写方式,2020年5月1日,226,(25.6)10,2101,5100,610-1,(25.6)10表示的数多少？,n=整数位数-1m=小数位数R：baseRi：weight,4.数的表示,2020年5月1日,227,任何一个数值，都是各位数字本身的值与其权之积的总和,(1234)10=1103+2102+3101+4100,weight,(1234)16=1163+2162+3161+4160,2020年5月1日,228,Decimal(D)10i,Octal(O),Binary(B),Hexadecimal(H),16i,8i,2i,整数部分：从右向左i=0,1,2,3小数部分：从左向右i=-1,-2,-3,i:序号,2020年5月1日,229,十二八十六进制进制进制进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177,十二八十六进制进制进制进制810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F,逢2进1,逢8进1,逢10进1,逢16进1,2020年5月1日,230,(数)10不断除以基数2，将所有的余数以倒序排列,QuotientRemainderex:752=371372=181182=9092=4142=2022=1012=01So:7510=10010112,5.数制转换：十进制二进制,2020年5月1日,231,(小数)10不断乘以基数2，取整数部分的进位,Ex:0.65312=1.306210.30622=0.612400.61242=1.224810.22482=0.449600.44962=0.89920(0.6531)10(0.10100)2,注意：一般情况十进制小数不能用有限位二进制数精确表示，根据精度要求取m位,5.数制转换：十进制二进制,2020年5月1日,232,(49.58)10=(？)2,110001.,100,例如:,整数除以2倒取余数小数乘以正取整数,2020年5月1日,233,二进制十进制各位数乘以权值相加,Ex:10010112,weight,numericalvalue,Result:,126+025+024+123+022+121+120=75,按权展开法,2020年5月1日,234,二进制十进制各位数乘以权值相加,Ex:0.10102,0.10102=12-1+02-2+12-3+02-4=0.62510,numericalvalue,weight,Result:,2020年5月1日,235,二进制八进制从最低位起二进制数3位一组，变为八进制数,Ex:ConvertingBinarydata110101112intoOctal.11010111,(),(),(0),3,2,7,110101112=3278,(10111011.1101)2=()8,.,2,7,3,6,4,23=8,以小数点为界分别向左、向右进行转换,2020年5月1日,236,八进制二进制以小数点为界，1位八进制数对应3位二进制数,(67.721)8=110111.11101000167721,(6754.32)8=()2,110,111,101,100,011,010,.,小数部分剩余的位数不足三位时补零,2020年5月1日,237,二进制十六进制从小数点起二进制数4位一组，变为十六进制数,24=16,(101111100110.11011)2=()16,(A7B8.C9)16=()2,1010,0111,1011,1000,1100,1001,.,.,B,E,6,D,8,10.HexadecimalBinary以小数点为界1位十六进制数对应4位二进制数,2020年5月1日,238,数制,常用计数制的表示方法常用计数制的比较,2020年5月1日,239,常用计数制的对应关系,2020年5月1日,240,进制数在计算机中的表示,进制数在计算机中的表示数以正负号数码化的方式存储在计算机中，称为机器数。机器数通常以二进制数码0、1的形