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计算机系统结构现状与发展 谢长生 华中科技大学计算机学院 计算机科学与工程系 信息存储系统国家专业实验室 武汉 430074 csxie@263.net 2002年2月25日于华工 内容提要 计算机系统结构四个层次的认识 国内系统结构研究的现状 华中科技大学计算机系统结构学科介绍 国内系统结构学科发展机会何在 哲学层次 信息与数字（为什么信息化等于数字化） 数字的极其强大的表达信息的能力 系统结构：研究对数字进行操作的机器系统—计算机的结构 人类自然信息状态（不借助任何工具和技术的状态） 输入（获取）：看、听、闻、尝、感 处理：大脑，世间最强大的处理器 传输：声音、手势 存储：大脑 输出（表达）：语言、手势、表情 自然状态的不足 信息技术与工具 和人类发明了机械和交通技术和工具一样（主要是材料和能量技术），人类也发明了非常丰富多彩的信息技术和工具： 输入（获取）：望远镜、传感器（发展较晚） 处理：算筹、算盘、计算器、计算机 传输：烽火台、旗语、鼓语、邮递、书籍、交通、电报、电话、无线电、电视、Internet 存储：结绳计数、文字、绘画、纸和印刷（非常伟大的发明，现代技术很多方面都没有超过它）、照相、录音、录像、数字存储 输出（表达）：文字、绘画、声音（音响）、图形、图像（显示技术）（包括电影电视） 现象：九九归一，数字化大潮 世纪之交的技术大转移：数字化大转移 时间：世纪之交前后50年 50年前开始，50年后成熟，信息领域数字技术一统天下 目前正是转移的高峰期： 计算机与Internet、数字控制、数字录音、数据通讯（目前主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相机、数字摄像、数字城市、数字流域、数字地球 ……... 数字化生存 50年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟） 潜在的真理WHY? “电”是人类至今为止找到的最佳能量媒介（电统治了能量领域） 终于找到了！ “bit”是人类至今为止找到的最佳信息媒介（信息统一于数字） 数字的力量the power of data 1.可表达各种信息形式（人能接受的信息：文字、声音、图形、图像、视频；触觉？嗅觉？味觉？ ；机器能接受的信息：电流、电压等） （“比特”强大的表达能力） 2.可表达人的思想、办法、事物的规律 （程序的力量） 3.可用单一的形式进行处理、传输、存储 （实现的简单性） (任何信息设备都是相似的） 与数学的比较 数学是抽象描述客观世界的静态符号系统 “比特”在计算机的操作下，成为客观世界动态的符号系统 “bit”表达信息的范围 〉〉数学表达信息的范围 所以，计算机始于计算，但高于计算 计算机真正的能力在于对“bit”进行操作（有步骤的处理、传输、存储） 图灵理论 希尔伯特问：存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？ 图灵答道：有！ 图灵理论的俗解： 如果不考虑时间，只要对bit进行处理、移动、存储操作，就能解决任何数学计算问题！ 这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想 后图灵理论 只要对bit进行处理、传输、存储，就能解决几乎一切信息问题！ 系统结构的信念：只要处理、传输速度足够快，存储容量足够大，一切信息问题都能解决！（存在着这样的可能性） 这个结论给我们一个信念： 数字化信息世界一定能实现！ 硬件、软件的新定义 硬件： 转换域硬件： 1、将各种形式的信息转换为数字信息； 2、将数字信息转换为各种形式的信息（图像、声音、文字输入输出设备） 数字域硬件：对数字进行处理、传输、和存储的硬件（计算机系统结构研究的对象） 数字域的三种操作 处理：对数字进行改变性操作 CPU, DSP, ASIC, 逻辑电路 传输：对数据进行有目的的移动操作 总线、网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET，无线网络） 存储：对数据进行不变性的保存 RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN） 软件新定义 （可运行的）思想和内容的数字化 思想：算法、规律、办法（由程序承担） 内容：图形、图像、数据、声音、文字等 所有的硬件都是相似的，软件则各有各的不同 各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏 各个领域都有自己的软件，但也有共性软件（这就是我们从事计算机行业的人要干的事，系统软件：OS，数据库，普遍使用的应用软件） 软硬件独立原理和互动原理 独立原理：软件理论上能实现的功能本质上与硬件是独立的（不管硬件是何种形式） 互动原理：软件实际能实现的功能受制于硬件， 硬件发展一个台阶，软件就能发展一大步 终极信念 数字表示信息的能力是极为强大的 最强大之处在于表达人的思想 人的思想是无限的 所以，利用数字进行创造的可能性也是无限的 只要足够快