第一章計算機系統(tǒng)概述

1、華北電力大學計算機系華北電力大學計算機系計算機組成與結(jié)構(gòu)第一章第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)學習目的學習目的n了解計算機的組成n五大組成部件n掌握計算機的運行原理n計算機為什么能執(zhí)行高級語言程序n掌握現(xiàn)代計算機中的一些核心技術(shù)n流水、Cache、并行n培養(yǎng)設(shè)計計算機的技能n提高編程能力n成為計算機專家、計算機科學家第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)主要教學內(nèi)容主要教學內(nèi)容n運算器的功能、組成和基本運行原理n控制器的功能、組成和運行原理n存儲器及層次存儲器系統(tǒng)n輸入/輸出設(shè)備和總線n輸入輸出系統(tǒng)第一章第一章 計算

2、機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)學習方法學習方法n課堂講授n閱讀參考資料n思考n完成實驗n習題和實驗報告n討論和總結(jié)n考試第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)n考勤+課堂表現(xiàn)n作業(yè)n報告n最終考試n最終成績=平時成績+卷面成績第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)n唐朔飛. 計算機組成原理. 高等教育出版社n王 誠. 計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 清華大學出版n白中英. 計算機組成原理. 科學出版社第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一章結(jié)構(gòu)第一章結(jié)構(gòu)1.4 1.

3、4 計算機系統(tǒng)的性能指標與評價標準計算機系統(tǒng)的性能指標與評價標準1.3 1.3 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2 1.2 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成1.1 1.1 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.1 1.1 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展歷史計算機的發(fā)展歷史 1.1.1 計算機的應用計算機的應用1.1.3計算機的發(fā)展趨勢計算機的發(fā)展趨勢 1.1.2 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機的發(fā)展歷史計算機的發(fā)展歷史第一代電子管計算機（19461957）

4、電子管：在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電流傳導，以獲得信號放大或振蕩的電子器件。 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一代計算機第一代計算機n第一臺電子計算機（通用可編程序）n18800電子管n30噸n150平方米n150kwn5000次十進制加法/秒1946年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )第一臺電子計算機第一臺電子計算機ENIACENIAC第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機

5、組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)ENIACENIAC第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)ENIACENIAC第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)ENIACENIAC第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一代計算機第一代計算機為了改進程序的輸入方式：為了改進程序的輸入方式： 美國數(shù)學家馮美國數(shù)學家馮.諾依曼，提出諾依曼，提出二進制二進制表達方式表達方式和和存儲程序控制存儲程序控制計算機構(gòu)想。提出并描述一計算機構(gòu)想。提出并描述一個計算機模型個計算機模型EDVAC Electronic Dis

6、crete Variable Automatic Computer ENIAC的特點：的特點：十進制表示十進制表示 程序用插線開關(guān)實現(xiàn)程序用插線開關(guān)實現(xiàn)EDVAC直到直到1952年才調(diào)試成功年才調(diào)試成功第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一代計算機第一代計算機 1953年，年，IBM公司推出了首臺存儲程公司推出了首臺存儲程序的計算機序的計算機701，1955年又推出了年又推出了702機，機，使之更適用于科學計算和商業(yè)應用，后使之更適用于科學計算和商業(yè)應用，后來來形成了形成了700/00/7000系列，奠定了系列，奠定了IBM成為計成為計算機制造商的絕對權(quán)

7、威地位。算機制造商的絕對權(quán)威地位。 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機之父現(xiàn)代計算機之父Von Neumann（19031957）Von Neumann 結(jié)構(gòu)的計算機結(jié)構(gòu)的計算機人工智能之父人工智能之父Alan Turing（19121954）第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一代計算機第一代計算機中國于中國于1958年研制成第一臺電子計算機年研制成第一臺電子計算機第一臺第一臺Von Neumann 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)

8、構(gòu)第二代計算機第二代計算機第二代晶體管計算機（19581964）n1947年在年在Bell實驗室成功地用半導體硅作基片，制成實驗室成功地用半導體硅作基片，制成了第一個晶體管，它的小體積、低耗電以及載流子高速了第一個晶體管，它的小體積、低耗電以及載流子高速運行的特點，使真空管望塵莫及。運行的特點，使真空管望塵莫及。n代表性的計算機是代表性的計算機是IBM公司的公司的IBM-7094機和機和CDC公司公司的的CDC1604機。機。 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)IBM-7094機機第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)

9、第三代計算機第三代計算機 第三代集成電路計算機（19651971） 典型的代表為典型的代表為IBM的的IBM-360和和DEC的的PDP-8 IBM System-360 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)IBM System-360 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第四代計算機第四代計算機第四代大規(guī)模集成電路計算機（1972）l 以大規(guī)模集成電路以大規(guī)模集成電路LSI（Large-Scale Integration）構(gòu)成計算機的主要功能部件構(gòu)成計算機的主要功能部件l 主存儲器采用集成度很高的半導體存儲器主存儲器

10、采用集成度很高的半導體存儲器l 運算速度可達每秒幾百萬次甚至上億次基本運算運算速度可達每秒幾百萬次甚至上億次基本運算l 軟件方面，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等軟件方面，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等 計算機已成為一門獨立的學科而迅猛發(fā)展著，并計算機已成為一門獨立的學科而迅猛發(fā)展著，并且正在影響改變著人類的生活方式。且正在影響改變著人類的生活方式。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)硬件技術(shù)對計算機更新?lián)Q代的影響硬件技術(shù)對計算機更新?lián)Q代的影響 100 000 000 超大規(guī)模超大規(guī)模 集成電路集成電路 1978現(xiàn)在現(xiàn)在 10 000 000 大規(guī)模

11、大規(guī)模 集成電路集成電路 19721977 1 000 000 中小規(guī)模中小規(guī)模 集成電路集成電路 19651971 200 000 晶體管晶體管 19581964 40 000 電子管電子管 19461957 速度（次速度（次/秒）秒） 硬件技術(shù)硬件技術(shù) 時間時間 代代三三四四二二一一第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機的發(fā)展趨勢計算機的發(fā)展趨勢n 巨型化n 微型化n 網(wǎng)絡(luò)化n 智能化第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)n超級計算機又稱高性能計算機、巨型計算機，是世界公認的高新技術(shù)制高點和21世紀最重要

12、的科學領(lǐng)域之一。n1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I”。n超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學計算的高科技領(lǐng)域。n1993年，德國曼海姆大學漢斯、埃里克等人發(fā)起創(chuàng)建了全球超級計算機TOP500排名榜。nTOP500已發(fā)展成為全世界最具權(quán)威的超級計算機排名榜，是衡量各國超級計算水平的最重要的參考依據(jù)。巨型化巨型化第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)最權(quán)威的超級計算機排名的參考網(wǎng)址最權(quán)威的超級計算機排名的參考網(wǎng)址 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與

13、結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2015.06）1. 中國國防科學技術(shù)大學研制的中國國防科學技術(shù)大學研制的“天河二號天河二號”l以峰值計算速度以峰值計算速度每秒每秒5.49億億次億億次、持續(xù)計算速度、持續(xù)計算速度每秒每秒3.39億億次億億次雙精度浮點運雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居榜首。算的優(yōu)異性能位居榜首。 l由由170個機柜組成，包括個機柜組成，包括125個計算機柜、個計算機柜、8個服務機柜、個服務機柜、13個通信機柜和個通信機柜和24個個存儲機柜，占地存儲機柜，占地720平方米，內(nèi)存總?cè)萘科椒矫祝瑑?nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲總?cè)萘咳f億字節(jié)，存儲總?cè)?/p>

14、量12400萬萬億字節(jié)，最大運行功耗億字節(jié)，最大運行功耗17.8兆瓦。兆瓦。 l有有16000個節(jié)點，每個節(jié)點部署了個節(jié)點，每個節(jié)點部署了兩個兩個英特爾英特爾Xeon IvyBridge及及三個三個Xeon Phi處理器，計算核心總數(shù)達處理器，計算核心總數(shù)達3120000個。個。 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2015.06）2.美國能源部橡樹嶺國家實驗室的美國能源部橡樹嶺國家實驗室的“泰坦泰坦”排名第二位排名第二位l泰坦使用泰坦使用261,632顆的顆的NVIDIA K20 x加速器核心，取得了持續(xù)

15、計算速度每秒加速器核心，取得了持續(xù)計算速度每秒1.76億億億億次次的記錄。的記錄。l泰坦是最節(jié)電的超級計算機，耗電泰坦是最節(jié)電的超級計算機，耗電8.21兆瓦，性能為兆瓦，性能為2143 Mflops/W。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2015.06）3.美國勞倫斯美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的利弗莫爾國家實驗室的“紅杉紅杉”排名第三排名第三位位l持續(xù)運算速度為每秒持續(xù)運算速度為每秒1.72億億次億億次，其峰值運算速度達每秒，其峰值運算速度達每秒20132萬億次萬億次浮點計算。浮點計算。 lSequo

16、ia基于基于IBM藍色基因藍色基因/Q架構(gòu)（架構(gòu)（Blue Gene/Q），擁有），擁有96個機架，共個機架，共98304個計個計算節(jié)點、接近算節(jié)點、接近160萬個處理器核心、內(nèi)存容量萬個處理器核心、內(nèi)存容量1.6PB（1600TB）。）。l紅杉也是名單上最節(jié)能的系統(tǒng)之一，共消耗紅杉也是名單上最節(jié)能的系統(tǒng)之一，共消耗7.84兆瓦，提供兆瓦，提供2,031.6 MFLOPS / W。 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2015.06）4.富士通制造的日本超級計算機富士通制造的日本超級計算機“K”排名第四位排

17、名第四位l測試速度上升為每秒測試速度上升為每秒1.05億億次億億次，峰值為，峰值為 11280 萬億次萬億次。 l由由68544個個SPARC64 VIIIfx處理器組成，每個處理器均內(nèi)置處理器組成，每個處理器均內(nèi)置8個內(nèi)核，總內(nèi)核數(shù)量為個內(nèi)核，總內(nèi)核數(shù)量為548352個。個。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2015.06）5.美國超級計算機美國超級計算機“米粒米粒”排名第五排名第五l測試速度為每秒測試速度為每秒8162萬億次萬億次。 l目前安裝在美國能源部所屬的阿貢國家實驗室。目前安裝在美國能源部所屬

18、的阿貢國家實驗室。 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)全球超級計算機前五名的運算速度第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)n美國 231臺n中國61臺n英國 30臺n法國 30臺n德國 26臺n日本 32臺 2015全球超級計算機500強各國所占數(shù)量 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1975年，ATARI-8800微電腦問世1976年，蘋果-I型微電腦誕生1979年，夏普公司宣布制成第一臺手提式微電腦1982年，微電腦開始普及，大量進入學校和家庭微型化微型化& 計算機不

19、再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1975年年4月，美國月，美國MITS公司推出了世公司推出了世界上第一臺微型計算界上第一臺微型計算機機Altair8800（牛牛郎星）型電腦，郎星）型電腦，采用采用Intel發(fā)布的發(fā)布的8080 8位位CPU第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)Apple -I型電腦型電腦第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)Apple - III型電腦型電腦第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組

20、成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)TOSHIBA在在1985年推出年推出T1100型筆記型計算機。型筆記型計算機。它采用它采用Intel 8086處理器，主頻不到處理器，主頻不到1MHz，512K內(nèi)內(nèi)存并帶有存并帶有9英寸的單色顯示屏，沒有硬盤。英寸的單色顯示屏，沒有硬盤。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)2004年，年，NEC用五根筆造就用五根筆造就PC電腦。電腦。五根筆分別為五根筆分別為虛擬屏幕投影機虛擬屏幕投影機、虛擬鍵盤投影機虛擬鍵盤投影機、微處理器微處理器、網(wǎng)絡(luò)攝影機網(wǎng)絡(luò)攝影機和和通訊裝置通訊裝置，筆座為充電器。，筆座為充電器。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概

21、述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)微型化微型化第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)Moore 定律定律Intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)Intel 公司的典型微處理器產(chǎn)品公司的典型微處理器產(chǎn)品 （集成度）（集成度） 8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 萬萬80286 16位位 1982年年 13.4 萬萬80386

22、32位位 1985年年 27.5 萬萬80486 32位位 1989年年 120.0 萬萬Pentium 64位（準）位（準） 1993年年 310.0 萬萬Pentium pro 64位（準）位（準） 1995年年 550.0 萬萬Pentium 64位（準）位（準） 1997年年 550.0 萬以上萬以上Pentium 64位（準）位（準） 1999年年 800.0 萬以上萬以上Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 萬萬2007 年，芯片上可集成年，芯片上可集成 3 億億 5 千萬千萬 晶體管晶體管 2010 年，芯片上可集成年，芯片上可集成 8 億億 晶體管晶體管 第一

23、章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化計算機網(wǎng)絡(luò)：計算機網(wǎng)絡(luò)：計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：使用遠程資源，共享程序、使用遠程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)

24、絡(luò)用戶的通訊和合作。的通訊和合作。一種奇特的工具：一種奇特的工具：網(wǎng)絡(luò)是基于全人類智慧的嶄新網(wǎng)絡(luò)是基于全人類智慧的嶄新的生產(chǎn)工具，越用越有價值。的生產(chǎn)工具，越用越有價值。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)智能化智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的沒有靈魂的機械沒有靈魂的機械來來”。 笛卡爾（笛卡爾（1637）人類第一個人類第一個“工業(yè)機器人工業(yè)機器人”：一頭在紡織機上挑紗的一頭在紡織機上挑紗的“驢驢”（17421742年）年）第一代機器人第一代機器人機械手（機械手（19621962年出現(xiàn)）年出現(xiàn)）第二代機器

25、人第二代機器人具有具有“感覺感覺”的機器人的機器人第三代機器人第三代機器人裝有啟發(fā)式計算機的裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人智能機器人”DeepblueGarry Kasparov第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機的應用計算機的應用第一章 n科學計算科學計算 密碼破譯，天氣預報，地質(zhì)勘探，衛(wèi)星軌道計算密碼破譯，天氣預報，地質(zhì)勘探，衛(wèi)星軌道計算n過程控制過程控制 機器人以及各種自動化裝備，溫度調(diào)節(jié)，閥門控制機器人以及各種自動化裝備，溫度調(diào)節(jié)，閥門控制n輔助設(shè)計輔助設(shè)計/分析分析/制造制造/教學教學 機械機械CAD，建筑，建筑CAD，CAE，CAM，CA

26、In數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)庫管理，企業(yè)信息管理，統(tǒng)計匯總、辦公自動化數(shù)據(jù)庫管理，企業(yè)信息管理，統(tǒng)計匯總、辦公自動化n智能模擬智能模擬 人工智能、專家系統(tǒng)、自學習人工智能、專家系統(tǒng)、自學習第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成第一章 硬件組成硬件組成存儲器、運算器、控制器、輸出設(shè)備和輸入設(shè)備。計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)軟件組成軟件組成系統(tǒng)軟件和應用軟件。計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 1.2.1 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類1.2.2第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)

27、構(gòu)1.2.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 計算機的硬件組成第一章 運算器存儲器控制器輸入/輸出設(shè)備完成算術(shù)運算和邏輯運算。運算的中間結(jié)果可暫存在運算器內(nèi)。存放數(shù)據(jù)和程序，由存儲單元組成。分為內(nèi)存、外存和緩存?？刂啤⒅笓]程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行以及處理運算結(jié)果。轉(zhuǎn)換人們熟悉的信息形式和機器能識別的信息形式。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 幾種典型的計算機組成結(jié)構(gòu) 典型的馮.諾依曼計算機結(jié)構(gòu)第一章 典型的馮.諾依曼計算機結(jié)構(gòu)框圖 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算

28、機組成與結(jié)構(gòu)1.2.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成它的特點可歸結(jié)為：由運算器、存儲器、控制器和輸入輸出設(shè)備五大部件組成。指令和數(shù)據(jù)均用二進制碼表示且以同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可按地址尋訪。指令在存儲器內(nèi)按順序存放，通常順序執(zhí)行，在特定條件下可改變執(zhí)行順序。第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 以存儲器為中心的計算機組成結(jié)構(gòu)第一章 計算結(jié)果計算步驟和開始數(shù)據(jù)控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器以存儲器為中心的計算機結(jié)構(gòu)框圖運算器第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機

29、組成與結(jié)構(gòu)1.2.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 現(xiàn)代計算機的組成結(jié)構(gòu)nCPU：運算器和控制器，核心部件為ALU和CUn主存儲器M.M CPU與M.M合起來又可稱為主機，I/O設(shè)備又可稱為外部設(shè)備。nI/O設(shè)備第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 計算機系統(tǒng)的軟件組成第一章 1系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)程序，管理系統(tǒng)、系統(tǒng)程序，管理系統(tǒng)、監(jiān)視服務、合理調(diào)度監(jiān)視服務、合理調(diào)度系統(tǒng)資源。系統(tǒng)資源。包括標準包括標準程序庫、語言處理程程序庫、語言處理程序、操作系統(tǒng)、服務序、操作系統(tǒng)、服務性程序、數(shù)

30、據(jù)庫管理性程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等。系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等。2應用軟件應用軟件應用軟件又稱為應用應用軟件又稱為應用程序，它是用戶根據(jù)程序，它是用戶根據(jù)任務需要所編制的各任務需要所編制的各種程序，種程序，是用戶在各是用戶在各自的行業(yè)中開發(fā)和使自的行業(yè)中開發(fā)和使用的各種程序用的各種程序。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.2 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 計算機分類 按應用特點分類第一章 專用計算機針對某一特定應用領(lǐng)域或面向某種算法而研制的計算機。對指定的領(lǐng)域有較高的性價比；其它領(lǐng)域則低效。通用計算機針對多種應用領(lǐng)域或面向多種算法而研制的計算機。

31、有較復雜的軟件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和較強的系統(tǒng)功能。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.2 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 按性能特點分類第一章 性能、功能最強，數(shù)值計算能力和數(shù)據(jù)處理能力巨大。巨型機微型機大型機中型機小型機通用性最強、功能較高。有豐富的外設(shè)與通信接口和較強的I/O處理能力以及豐富的系統(tǒng)軟件和應用程序包。有一定的外設(shè)與通信接口和較強操作系統(tǒng)；配有高級語言和匯編語言。性能價格比最好，價格最便宜，應用面最廣。第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.2 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分

32、類 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的常用的分類方有Flynn分類法、馮氏分類法和Handler分類法。n馮氏分類法是利用最大并行度對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類；nHandler分類法是根據(jù)并行度和流水線提出的另一種分類法，這種分類方法把計算機的硬件結(jié)構(gòu)分成三個層次，并考慮它們的可并行流水處理程度。第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.2.2 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類Flynn分類法定義：指令流：機器執(zhí)行的指令序列。數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列。多倍性：系統(tǒng)最受限制的元件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。按指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式分類：

33、單指令流單數(shù)據(jù)流SISD單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD多指令流單數(shù)據(jù)流MISD多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.3 1.3 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：第一章 硬操作時硬操作時序序硬聯(lián)硬聯(lián)邏輯邏輯邏輯線路邏輯線路內(nèi)核內(nèi)核第第0級級硬聯(lián)邏輯硬聯(lián)邏輯控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息硬件維護員硬件維護員設(shè)計員設(shè)計員機器指令機器指令時序時序微程序微程序控制控制寄存器寄存器傳送門傳送門第第1級級微程序微程序控制控制控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息邏輯設(shè)計員邏輯設(shè)計員機器指令機器指令系統(tǒng)系統(tǒng)中央中央處理

34、機處理機機器機器程序程序第第2級級機器語言機器語言計算機計算機控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息機器語言機器語言程序員程序員鍵盤命令鍵盤命令系統(tǒng)原語系統(tǒng)原語操作操作系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)資源資源第第3級級操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息操作員操作員匯編匯編語言語言匯編匯編程序程序運行運行程序程序第第4級級匯編語言匯編語言計算機計算機控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息匯編語言匯編語言程序員程序員高級高級語言語言解釋程序解釋程序編譯程序編譯程序運行運行程序程序第第5級級高級語言高級語言計算機計算機控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息高級語言高級語言程序員程序員應用應用語言語言應用應用程序程序信息

35、處理信息處理系統(tǒng)系統(tǒng)第第6級級應用程序應用程序控制信息控制信息狀態(tài)信息狀態(tài)信息用戶用戶特性： 軟件與硬件在邏輯上的等價性 透明性第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)應用語言應用語言物理計算機（硬件）虛擬計算機（軟件）高級語言高級語言匯編語言匯編語言系統(tǒng)原語系統(tǒng)原語機器指令系統(tǒng)機器指令系統(tǒng)機器指令時序機器指令時序硬操作時序硬操作時序第第1 1級級第第0 0級級第第2 2級級第第3 3級級第第4 4級級第第5 5級級第第6 6級級從語言功能層次劃分第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)第第0 0級級由硬件

36、實現(xiàn)由硬件實現(xiàn)。第第1 1級級由微程序?qū)崿F(xiàn)由微程序?qū)崿F(xiàn)。第第2 2級級是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機器語言）機器。是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機器語言）機器。第第3 3級級是操作系統(tǒng)機器。是操作系統(tǒng)機器。操作系統(tǒng)是運行在第級上的解釋程序操作系統(tǒng)是運行在第級上的解釋程序第第4 4級級是匯編語言機器。是匯編語言機器。第第5 5級級是高級語言機器。是高級語言機器。第第6 6級級是應用語言機器。是應用語言機器。：第第0 0和第和第1 1級屬于計算機組織與結(jié)構(gòu)，第級屬于計算機組織與結(jié)構(gòu)，第3 3至第至第5 5級是系統(tǒng)軟件，第級是系統(tǒng)軟件，第6 6級是應用軟件。級是應用軟件。第第0 0級要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第級要求一定的數(shù)字

37、邏輯基礎(chǔ)；第2 2級級涉及匯編語言程序設(shè)計的內(nèi)容；第涉及匯編語言程序設(shè)計的內(nèi)容；第3 3級與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切級與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在特殊的計算機系統(tǒng)中，有些級別可能不存在。相關(guān)。在特殊的計算機系統(tǒng)中，有些級別可能不存在。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw$16, 0($)sw$15, 4($2)表示表示( Representation)的不同級別的不同級別temp = vk;vk = vk+1;vk+1 = temp;0000 1001 1100 0110 1010 11

38、11 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101高級語言程序高級語言程序匯編語言程序匯編語言程序機器語言程序機器語言程序控制信號描述控制信號描述編譯器匯編器機器解釋同一程序可以在不同復雜度級別進行表示第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.4 1.4 計算機系統(tǒng)的性能指標與評價標準計算機系統(tǒng)的性能指標與評價標準第一章 計算機硬件的主要技術(shù)指標計算機硬件的主要技術(shù)指標 1.4.1 計算機系統(tǒng)評價標準計算機系統(tǒng)評價標準1.4.2第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述

39、計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.4.1 計算機硬件的主要技術(shù)指標計算機硬件的主要技術(shù)指標第一章 ( 1 )機器字長機器字長 CPU一次處理數(shù)據(jù)的位數(shù) 。與CPU寄存器位數(shù)有關(guān)，也會影響機器的運算速度。 ( 2 )存儲容量存儲容量 包括主存和輔存。前者指主存中存放二進制代碼的總數(shù)，后者指系統(tǒng)中的外存儲器容量。( 3 )運算速度運算速度 對速度的描述通常采用CPU時鐘頻率、每秒平均執(zhí)行指令數(shù)、單獨注明特定運算的時間等方式。 ( 4 )其它因素其它因素所配置的外圍設(shè)備的性能及系統(tǒng)軟件的配置等情況等。 硬件的技術(shù)指標：第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組

40、成與結(jié)構(gòu)1.4.2 計算機系統(tǒng)評價標準計算機系統(tǒng)評價標準 性能評價& 時間是衡量性能的標準，時間越少性能越好。& 衡量機器性能的唯一固定而且可靠的標準就是真正執(zhí)行程序的時間。第一章 MIPS1MFLOPS2用基準測試程序來測試評價機器的性能3綜合基準測試程序4第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.4.2 計算機系統(tǒng)評價標準計算機系統(tǒng)評價標準 MIPS定義：MIPS=指令條數(shù)/執(zhí)行時間106 =時鐘頻率/CPI106程序的執(zhí)行時間：Te=指令條數(shù)/ MIPS106 缺陷：MIPS依賴指令集。在同一臺機器上，因程序不同而變化。MIPS可能與性

41、能相反。第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.4.2 計算機系統(tǒng)評價標準計算機系統(tǒng)評價標準 MFLOPS定義：MFLOPS=程序中的浮點操作次數(shù)/執(zhí)行時間106&MFLOPS取決于機器和程序兩個方面，只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。&其基于操作而非指令，所以它可以用來比較兩種不同的機器。第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.4.2 計算機系統(tǒng)評價標準計算機系統(tǒng)評價標準 用基準測試程序來測試評價機器的性能& 實際的應用程序方法 運行例如C編譯程序、 T

42、ex 正文處理軟件、CAD工具Spice等等。& 核心程序方法 從實際的程序中抽取少量關(guān)鍵循環(huán)程序段，并用它們來評價機器的性能。與實際程序不同，任何用戶都不會去真正運行這些核心程序。它們的存在只是用來評價性能。& 玩具基準測試程序 玩具基準測試程序通常只有10-100行而且運行結(jié)果是可以預知的。因為小而且容易鍵入并且適用于任何機器而受到歡迎。第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1.4.2 計算機系統(tǒng)評價標準計算機系統(tǒng)評價標準 綜合基準測試程序&類似于核心程序，但它考慮了各種操作和各種程序的比例 。& 與核心程序相比，

43、其與實際應用的差別更大，因為核心程序是從實際的程序中抽象出來的，而它是為了體現(xiàn)平均執(zhí)行而人為編制的。第一章 第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)1. .上機前的準備上機前的準備 建立數(shù)學模型建立數(shù)學模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 編制解題程序編制解題程序 確定計算方法確定計算方法程序程序 運算的運算的 全部步驟全部步驟0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一個步驟一個步驟補充：計算機的工作步驟補充：計算機的工作步驟第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機

44、組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)取取x 至運算器中至運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中乘以乘以a 在運算器中在運算器中存存ax2 在存儲器中在存儲器中取取b 至運算器中至運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中加加ax2 在運算器中在運算器中加加c 在運算器中在運算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至運算器中至運算器中乘以乘以a 在運算器中在運算器中加加b 在運算器中在運算器中乘以乘以x 在運算器中在運算器中加加c 在運算器中在運算器中計算計算 ax2 + bx + c編程舉例編程舉例第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)000001 00

45、00001000打印打印 停機停機取數(shù)取數(shù) ACC存數(shù)存數(shù) ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 ACC ACC指令格式舉例指令格式舉例操作碼操作碼地址碼地址碼 打印機打印機第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)指令和數(shù)據(jù)存于主指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址存單元的地址 指令指令 注釋注釋操作碼操作碼 地址碼地址碼 0 000000100000100000010000000001000取數(shù)取數(shù)x x至至ACCACC 1 100010000010000000010010000001001乘乘a a得得axax , ,存于存于ACCACC中中 2 200001100

46、001100000010100000001010加加b b得得axax+ +b b , ,存于存于ACCACC中中 3 300010000010000000010000000001000乘乘x x得（得（axax+ +b b) )x x, ,存于存于ACCACC中中 4 400001100001100000010110000001011加加c c得得axax2 2 + + bxbx + + c c , ,存于存于ACCACC 5 500001000001000000011000000001100將將axax2 2 + + bxbx + +c c , ,存于主存單元存于主存單元 6 600010

47、100010100000011000000001100打印打印 7 7000110000110停機停機 8 8 x x原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)x x 9 9 a a原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)a a 1010 b b原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)b b 1111 c c原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)c c 1212存放結(jié)果存放結(jié)果計算計算 ax2 + bx + c 程序清單程序清單第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼存儲字存儲字 存儲單元中二進制代碼的組合存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長存儲字長 存儲單元中二進制代碼的位數(shù)存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪按地址尋訪 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件（0/1） 房間房間 床位床位（無人（無人/ / 有人）有人）( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成MBR主存儲器主存儲器存儲體存儲體MAR2. .計算機的解題過程計算機的解題過程第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述計算機組成與結(jié)構(gòu)計算機組成與結(jié)構(gòu)MARMBR 存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 16存儲字長存儲字長 8 設(shè)設(shè) MAR = = 4 位位 MBR = =