唐良榮《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》第6章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件

《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop6.1.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1、馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原則和結(jié)構(gòu)模型馮·諾依曼計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原則：存儲(chǔ)程序：程序存儲(chǔ)在內(nèi)存中，順序執(zhí)行，控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)：輸入、輸出、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器五大部分。馮·諾依曼沒有用圖形表示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了目前的各種計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖。常見馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)馮·諾依曼在EDVAC設(shè)計(jì)方案（101報(bào)告）中，明確提出了計(jì)算機(jī)由五部分組成，并描述了這五部分的功能和相互關(guān)系。（1）運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的基本部件。算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除等；邏輯運(yùn)算：比較、移位、與、或、非、異或等。（2）控制器控制程序和部件的運(yùn)行。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)2．存儲(chǔ)程序思想的重要性（1）存儲(chǔ)程序的思想人類計(jì)算案例：心算2位數(shù)加法毫不費(fèi)力；心算20個(gè)2位數(shù)加法很費(fèi)力；如果有草稿紙，也能很快算出來。沒有內(nèi)存的計(jì)算機(jī)無法進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算?！按鎯?chǔ)程序”的重要性：符號(hào)化計(jì)算的基礎(chǔ)；便于程序控制計(jì)算機(jī)；提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率；導(dǎo)致程序員職業(yè)化等。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)（2）早期計(jì)算機(jī)的程序運(yùn)行早期人們認(rèn)為程序與數(shù)據(jù)完全不同。早期數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中；而程序作為控制器的一部分，用外部設(shè)備輸入；每執(zhí)行一個(gè)程序，都要對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)置。如，在ENIAC中運(yùn)行小程序時(shí)，需要在40多塊電路板上，插上幾千個(gè)導(dǎo)線插頭。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)（3）程序控制計(jì)算機(jī)馮·諾依曼將程序與數(shù)據(jù)同等看待，是計(jì)算機(jī)的一場(chǎng)革命。早期計(jì)算機(jī)由硬件（控制器）控制整個(gè)系統(tǒng)；存儲(chǔ)程序?qū)е铝擞沙绦颍ú僮飨到y(tǒng)）控制計(jì)算機(jī)。由程序控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了巴貝奇對(duì)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想。（4）提高運(yùn)算效率計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)器中依次取指令執(zhí)行，大大提高了運(yùn)行效率。（5）程序員職業(yè)的獨(dú)立存儲(chǔ)程序?qū)е铝擞布c軟件的分離；直接催生了程序員這個(gè)職業(yè)。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)（2）目前的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)基本遵循馮·諾依曼的設(shè)計(jì)思想，但是結(jié)構(gòu)上有一些變化：如，連接線路變成了總線；如，運(yùn)算器變成了CPU；如，控制器部件由操作系統(tǒng)取代。目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由程序進(jìn)行控制。如，進(jìn)程管理（處理器管理）；如，存儲(chǔ)管理；如，設(shè)備管理；如，文件管理等。程序控制計(jì)算機(jī)是存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)思想的必然結(jié)果。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)目前馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)4、維納計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)五原則維納（NorbertWiener）在阿塔納索夫和馮?諾依曼的理論基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)五個(gè)基本原則。（1）加法和乘法裝置采用數(shù)字式，而不是基于模擬量。（2）開關(guān)部件由電子管實(shí)現(xiàn)，而不要采用機(jī)械開關(guān)。（3）采用二進(jìn)位制比十進(jìn)位制更為經(jīng)濟(jì)。（4）

全部運(yùn)算在機(jī)器上自動(dòng)進(jìn)行，一切邏輯判斷由機(jī)器自身作出。（5）機(jī)器中包含儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的裝置。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)1、計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的發(fā)展1994年，托馬斯?斯特林（ThomasSterling）構(gòu)建了第一個(gè)Beowulf計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。利用多臺(tái)PC機(jī)組成一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)比設(shè)計(jì)超級(jí)計(jì)算機(jī)便宜很多。世界500強(qiáng)計(jì)算機(jī)中，有90％以上的超級(jí)計(jì)算機(jī)采用集群結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)是將2臺(tái)以上的PC機(jī)，通過軟件和網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)群，協(xié)同完成大型計(jì)算任務(wù)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】第一個(gè)計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)：貝奧武夫（Beowulf）。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【擴(kuò)展】集群系統(tǒng)組成。硬件：PC服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)：高速以太網(wǎng)軟件：Linux+并行編程庫(kù)應(yīng)用：并行計(jì)算2核CPU8路CPU/主板128主板/機(jī)柜64個(gè)機(jī)柜群6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【擴(kuò)展】計(jì)算機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)2、計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的類型集群系統(tǒng)類型：高可用集群，負(fù)載均衡集群、高性能集群。（1）高可用集群HA（高可用）集群主要用于不間斷服務(wù)。HA集群具有容錯(cuò)和備份機(jī)制；主節(jié)點(diǎn)失效后，備份節(jié)點(diǎn)能立即接管計(jì)算資源，繼續(xù)提供服務(wù)。HA集群典型結(jié)構(gòu)是雙機(jī)熱備系統(tǒng)。HA集群應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如Web服務(wù)等，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如Oracle等，關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如銀行業(yè)務(wù)等。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】京東商城網(wǎng)站高可用集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】數(shù)據(jù)中心高可用集群及容災(zāi)方案。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)（2）負(fù)載均衡集群LBC（負(fù)載均衡集群）主要用于高負(fù)載業(yè)務(wù)。如，

網(wǎng)站W(wǎng)eb服務(wù)LBC由多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供高負(fù)載服務(wù)，保證服務(wù)的均衡響應(yīng)。負(fù)載均衡集群將業(yè)務(wù)平均分?jǐn)偟郊褐胁煌?jì)算機(jī)處理。如，Google搜索引擎的查詢服務(wù)6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】LBC負(fù)載均衡集群系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)（3）高性能計(jì)算集群HPC（高性能計(jì)算）集群主要研究超級(jí)計(jì)算機(jī)，并行算法和相關(guān)軟件。HPC集群主要用于大規(guī)模數(shù)值計(jì)算。如，科學(xué)計(jì)算，天氣預(yù)報(bào)，石油勘探，分子模擬，生物計(jì)算等。HPC工作原理：集群運(yùn)行并行計(jì)算程序，把計(jì)算數(shù)據(jù)分配到集群中多臺(tái)計(jì)算機(jī)中，利用所有計(jì)算機(jī)的共同資源來完成計(jì)算任務(wù)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】HPC高性能計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)（3）集群系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和性能影響集群系統(tǒng)的高性能計(jì)算?？s短節(jié)點(diǎn)間的通信延遲和提高吞吐量很重要。（4）集群系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)類型用戶節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，安裝節(jié)點(diǎn)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)類型由集群軟件和計(jì)算機(jī)硬件配置決定。小型集群系統(tǒng)往往將多種節(jié)點(diǎn)類型集成在一起。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】基于Windows的OA集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)4、雙機(jī)熱備集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）雙機(jī)熱備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙機(jī)熱備是典型的高可用計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。系統(tǒng)組成：主服務(wù)器（主機(jī)）；備份服務(wù)器（備機(jī)）；共享磁盤陣列；心跳連接線等。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】雙機(jī)熱備是高可用集群的一個(gè)子集。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)（2）雙機(jī)熱備工作原理核心技術(shù)是心跳監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和集群資源管理模塊。工作原理：心跳監(jiān)測(cè)通過串口網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。2臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)相互發(fā)送心跳信號(hào)；心跳信號(hào)包括：系統(tǒng)軟件和硬件運(yùn)行狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序運(yùn)行狀態(tài)等。備機(jī)在指定時(shí)間內(nèi)未收到主機(jī)信號(hào)，就認(rèn)為主機(jī)運(yùn)行不正常；備機(jī)立即啟動(dòng)主機(jī)上的應(yīng)用程序，接管主機(jī)程序和資源；保持程序在備機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)5、高性能大型集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型應(yīng)用：Google公司數(shù)據(jù)中心。Google自己設(shè)計(jì)制造的服務(wù)器；每臺(tái)服務(wù)器主板有2個(gè)CPU，2個(gè)硬盤，有8個(gè)內(nèi)存插槽；服務(wù)器采用AMD和英特爾x86處理器（4核）。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)Google數(shù)據(jù)中心以集裝箱為單位；一個(gè)集裝箱有多個(gè)機(jī)架；每個(gè)機(jī)架可安裝80臺(tái)服務(wù)器；每個(gè)機(jī)架連接2臺(tái)1000M以太網(wǎng)交換機(jī)；一個(gè)集裝箱可容納15個(gè)機(jī)架；每個(gè)集裝箱大致可裝1160臺(tái)服務(wù)器；每個(gè)數(shù)據(jù)中心有眾多集裝箱。如Google俄勒岡州數(shù)據(jù)中心有15萬臺(tái)服務(wù)器。1.4.3大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展計(jì)算機(jī)【案例】谷歌全球8所數(shù)據(jù)中心6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】HPC高性能計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)【案例】集裝箱數(shù)據(jù)中心。6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)6、計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用磁盤陣列（RAID），通過高速光纖通道互連。（2）高速通信網(wǎng)絡(luò)大多采用10Gbit/s或更高速率的以太網(wǎng)作為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。（3）集群調(diào)度和容錯(cuò)集群系統(tǒng)中，各種意外事故隨時(shí)可能發(fā)生；集群系統(tǒng)必須進(jìn)行任務(wù)備份和錯(cuò)誤處理?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop6.1.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop1、分布式計(jì)算的基本特征分布式計(jì)算技術(shù)：如，中間件技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、移動(dòng)Agent技術(shù)、P2P技術(shù)，Hadoop技術(shù)等。目前流行的分布式計(jì)算系統(tǒng)：基于計(jì)算機(jī)集群的Hadoop分布式計(jì)算平臺(tái)基于網(wǎng)格計(jì)算的BOINC開放式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)。不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)：Hadoop利用大型數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)集群實(shí)現(xiàn)計(jì)算；BOINC利用互聯(lián)網(wǎng)中普通用戶計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算；Hadoop的數(shù)據(jù)傳輸主要利用高速局域網(wǎng)；BOINC的數(shù)據(jù)傳輸利用互聯(lián)網(wǎng)。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop2、Hadoop基本特征Hadoop（海杜普，一個(gè)玩具大象的虛構(gòu)名字）是一個(gè)分布式系統(tǒng)計(jì)算框架。Hadoop核心技術(shù)：HDFS（海杜普分布式文件系統(tǒng)）為海量數(shù)據(jù)提供分布式文件管理；MapReduce（映射/聚合）為海量數(shù)據(jù)提供分布式計(jì)算方法。Hadoop技術(shù)應(yīng)用：國(guó)外：Google、Facebook、Twitter、Amazon、eBay、IBM、Intel等，國(guó)內(nèi)：淘寶、華為、百度、騰訊等。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop3、Hadoop的優(yōu)點(diǎn)Hadoop平臺(tái)可處理海量數(shù)據(jù)（PB級(jí)）的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序運(yùn)行在由數(shù)萬臺(tái)機(jī)器組成的大型計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)上。Hadoop維護(hù)多個(gè)數(shù)據(jù)副本，并自動(dòng)將失敗的任務(wù)重新分配。Hadoop并行工作，能在計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間動(dòng)態(tài)分配數(shù)據(jù)。Hadoop是開源平臺(tái)，它的開發(fā)成本低。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop4、Hadoop的基本結(jié)構(gòu)Hadoop分布式計(jì)算平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)如圖6-5所示。6.1.3集群分布式計(jì)算HadoopHDFS是分布式文件系統(tǒng)。HDFS的功能是管理名稱節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。HBase是NoSQL（非結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言）數(shù)據(jù)庫(kù)。MapReduce是分布式計(jì)算框架。Pig是數(shù)據(jù)流編程語(yǔ)言。Hive提供數(shù)據(jù)歸納、查詢和分析等功能。Sqoop是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸工具。Zookeeper功能包括：配置維護(hù)、名稱服務(wù)、分布式同步等。Avro是數(shù)據(jù)序列化格式與傳輸工具。Ambari是管理工具，可以監(jiān)控、部署、管理Hadoop系統(tǒng)。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop5、MapReduce工作原理MapReduce思想：

將問題的解決方法抽象成Map（映射）和Reduce（聚合）兩個(gè)過程。MapReduce工作流程：作業(yè)提交（輸入）→Map任務(wù)分配和執(zhí)行（映射）→Reduce任務(wù)分配和執(zhí)行（聚合）→作業(yè)完成。6.1.3集群分布式計(jì)算HadoopHadoop分布式計(jì)算平臺(tái)工作流程6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop【案例】Hadoop體系結(jié)構(gòu)。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop（1）作業(yè)提交作業(yè)提交前，要把所有東西都配置好；用戶主要工作：寫好Map和Reduce程序代碼。（2）Map任務(wù)分配客戶端將作業(yè)提交到服務(wù)器；服務(wù)器把輸入文件切分為M塊（64MB/塊）；每塊有多個(gè)副本存儲(chǔ)在不同機(jī)器上（默認(rèn)值3）；系統(tǒng)生成若干個(gè)Map任務(wù)；將用戶進(jìn)程拷貝到集群機(jī)器運(yùn)行。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop（3）Map任務(wù)執(zhí)行名字節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)文件元數(shù)據(jù)操作和客戶端對(duì)文件的訪問。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)處理文件內(nèi)容，如讀寫、存儲(chǔ)、校驗(yàn)等。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)周期性向名字節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)塊信息。心跳信號(hào)3秒鐘一次，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)超過10分鐘沒有回應(yīng)，則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)故障；名字節(jié)點(diǎn)重新將數(shù)據(jù)塊分配到另外一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)處理。（4）Reduce任務(wù)分配與執(zhí)行給空閑的Reduce節(jié)點(diǎn)分配任務(wù)；任務(wù)完成則拷貝其輸出。Reduce會(huì)對(duì)Map的輸出進(jìn)行歸并排序處理。（5）作業(yè)完成任務(wù)都完成后，數(shù)據(jù)寫到分布式文件系統(tǒng)。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop【案例】Hadoop

MapReduce工作流程。6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop【擴(kuò)展】淘寶網(wǎng)站“雙11”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop6.1.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC1、BOINC分布式計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展BOINC（伯克利開放式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)）是世界最大的分布式計(jì)算平臺(tái)。“開放”的含義：BOINC客戶端軟件源代碼開放；用戶來自世界各地，可以自由參加或退出；計(jì)算項(xiàng)目的結(jié)果免費(fèi)公開。截至2013年8月，BOINC在球有63萬臺(tái)主機(jī)；提供約7.054PetaFLOPS（千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒）計(jì)算能力。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC2、BOINC工作原理BOINC系統(tǒng)組成：客戶端軟件和項(xiàng)目服務(wù)器。客戶端工作：在計(jì)算機(jī)閑置時(shí)，使用CPU或GPU進(jìn)行運(yùn)算；自動(dòng)與項(xiàng)目服務(wù)器連接；服務(wù)器向志愿者計(jì)算機(jī)提供計(jì)算任務(wù)；運(yùn)算完成后，將計(jì)算結(jié)果上傳至項(xiàng)目服務(wù)器。項(xiàng)目服務(wù)器工作：發(fā)送計(jì)算任務(wù)，接收計(jì)算結(jié)果，核對(duì)計(jì)算結(jié)果等。服務(wù)器會(huì)把同一任務(wù)傳送至多個(gè)志愿者，并比較各個(gè)志愿者的計(jì)算結(jié)果。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC【案例】BOINC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC【案例】BOINC客戶端計(jì)算平臺(tái)。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC3、BOINC服務(wù)器的任務(wù)分配客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送請(qǐng)求到BOINC服務(wù)器。BOINC服務(wù)器的回復(fù)中包含了一組新的任務(wù)。服務(wù)器任務(wù)分配的理想方法：服務(wù)器掃描整個(gè)任務(wù)列表；發(fā)送針對(duì)該客戶端的“最佳”任務(wù)；然而這在現(xiàn)實(shí)中不可行，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)的開銷將高得驚人。服務(wù)器任務(wù)分配的實(shí)際方法：服務(wù)器在內(nèi)存中維持1000個(gè)任務(wù)緩沖區(qū)；通過“供給器”程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取任務(wù)；服務(wù)器對(duì)緩沖區(qū)的任務(wù)周期性的進(jìn)行補(bǔ)充。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC任務(wù)選擇策略：對(duì)任務(wù)緩沖區(qū)掃描；針對(duì)每個(gè)任務(wù)請(qǐng)求做可行性檢查；如，檢查客戶端內(nèi)存與硬盤空間等。如果通過了檢查，就鎖定它；檢查數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇計(jì)算任務(wù)。服務(wù)器任務(wù)大小設(shè)置：任務(wù)太大，慢客戶端將無法在規(guī)定期限內(nèi)完成任務(wù)；任務(wù)太小，服務(wù)器會(huì)被眾多小任務(wù)調(diào)度而超出負(fù)荷；服務(wù)器在特定時(shí)間間隔（如1天）內(nèi)，向志愿者計(jì)算機(jī)發(fā)送任務(wù)。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC【案例】BOINC客戶端計(jì)算任務(wù)。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC4、客戶端諸多問題的解決計(jì)算錯(cuò)誤：志愿者計(jì)算機(jī)發(fā)生故障；少數(shù)惡意志愿者試圖破壞項(xiàng)目；少數(shù)志愿者為獲得積分而不進(jìn)行實(shí)際運(yùn)算。解決方法：服務(wù)器對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；服務(wù)器把計(jì)算任務(wù)發(fā)送給兩個(gè)不同的客戶端；如果兩者運(yùn)算結(jié)果一致，計(jì)算結(jié)果被認(rèn)為正確；否則，服務(wù)器發(fā)送計(jì)算任務(wù)到其他客戶端，以期獲得一致的計(jì)算結(jié)果。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC客戶端計(jì)算能力評(píng)估：客戶端軟件定期（1周左右）在志愿者計(jì)算機(jī)上運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試程序；對(duì)志愿者計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力做出評(píng)估；客戶端完成計(jì)算任務(wù)后，會(huì)記錄完成該任務(wù)所耗費(fèi)的CPU時(shí)間；在向服務(wù)器上報(bào)計(jì)算結(jié)果的同時(shí)，提交客戶端的積分申請(qǐng)。61.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC客戶端的運(yùn)算效率：不同計(jì)算機(jī)有不同的錯(cuò)誤率，大多數(shù)計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤率接近于0；冗余校驗(yàn)計(jì)算是必要的，但它會(huì)使計(jì)算變得低效。提高運(yùn)算效率的方法：服務(wù)器對(duì)客戶端進(jìn)行動(dòng)態(tài)錯(cuò)誤率E(H)評(píng)估；如果錯(cuò)誤率E(H)>K，對(duì)這個(gè)客戶端所有任務(wù)都進(jìn)行冗余校驗(yàn)計(jì)算；如果錯(cuò)誤率E(H)<K，那么對(duì)任務(wù)做隨機(jī)的冗余校驗(yàn)計(jì)算；當(dāng)錯(cuò)誤率E(H)接近0時(shí)，冗余校驗(yàn)也趨于0；以上策略不能排除計(jì)算錯(cuò)誤的可能性，但可以使錯(cuò)誤降低到可接受水平?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.1.3集群分布式計(jì)算Hadoop6.1.4網(wǎng)格分布式計(jì)算BOINC6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究6.1.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)6.1.2大型計(jì)算機(jī)集群結(jié)構(gòu)6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究目前計(jì)算機(jī)存在的問題：能耗導(dǎo)致集成電路芯片發(fā)熱；發(fā)熱影響芯片集成度，限制了運(yùn)行速度。硅芯片技術(shù)的理論限制：集成電路采用硅芯片光刻技術(shù)；目前CPU內(nèi)部制程線寬達(dá)到了12納米；制程線寬達(dá)到7納米時(shí)，會(huì)使集成電路無法正常工作。這些制約因素激勵(lì)科學(xué)家必須進(jìn)行新型計(jì)算機(jī)的研究。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究1、量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)由存儲(chǔ)元件和邏輯門元件構(gòu)成。量子位存儲(chǔ)：量子計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)采用量子位存儲(chǔ)。一個(gè)量子位可以是0或l，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)；一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。量子計(jì)算機(jī)優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，加快計(jì)算速度；大大提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力；可對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行高效率模擬；能實(shí)現(xiàn)發(fā)熱量極小的計(jì)算機(jī)。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【擴(kuò)展】量子糾纏兩個(gè)來自同一系統(tǒng)的粒子（如電子或光子）被分開時(shí)，它們會(huì)糾纏成量子狀態(tài)，即使距離遙遠(yuǎn)，任何一方狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一方也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)變化。量子糾纏就像是心靈感應(yīng)一樣不可思念，因而愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”。激光束照射硼酸鋇晶體時(shí)，會(huì)在兩個(gè)圓錐面交集的兩條直線之處，制備出很多偏振相互垂直的糾纏光子對(duì)。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【擴(kuò)展】由未通過拍攝目標(biāo)的光子拍攝的鏤空貓圖案。奧地利物理學(xué)家無需光與拍攝目標(biāo)相互作用，利用量子效應(yīng)拍出了貓圖案照片。貓照片證明了粒子能同時(shí)處于兩種狀態(tài)（量子糾纏）。論文發(fā)表在《自然》雜志。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【案例】2007年，加拿大D-WaveSystem公司研制成功了世界上第一臺(tái)16qubits（量子位）的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【案例】D-Wave公司量子計(jì)算機(jī)處理器（CPU）位寬發(fā)展。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究D-Wave量子計(jì)算機(jī)目前能夠快速求解的問題。最大切割問題；俄羅斯方塊、數(shù)獨(dú)問題；圖著色問題；可滿足性問題；子集問題；旅行商問題；共計(jì)3000多個(gè)問題。量子計(jì)算機(jī)存在的困難：在環(huán)境作用下，量子不能長(zhǎng)時(shí)間保持糾纏態(tài)；目前水平只能夠讓一兩個(gè)量子比特，相互糾纏幾微秒的時(shí)間；量子比特運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，需要反復(fù)驗(yàn)算保證結(jié)果的準(zhǔn)確；量子比特芯片需要在接近絕對(duì)零度（-273.13攝氏度）的環(huán)境下運(yùn)行；量子編碼糾錯(cuò)復(fù)雜，效率不高。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究2、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)現(xiàn)象：導(dǎo)體在接近絕對(duì)零度（-273.15℃）時(shí)，電流在某些介質(zhì)中傳輸時(shí)所受阻力為0的現(xiàn)象。約瑟夫遜元件：由超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體組成的器件，當(dāng)對(duì)兩端施加電壓時(shí)，電子會(huì)像通過隧道一樣無阻擋地從絕緣介質(zhì)中穿過，形成微小電流，而器件兩端電壓為0。用約瑟夫遜器件制造的計(jì)算機(jī)稱為超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：耗電為半導(dǎo)體器件的幾千分之一；執(zhí)行一個(gè)指令只需幾個(gè)皮秒，比半導(dǎo)體元件快10倍。困難：超導(dǎo)現(xiàn)象只有在超低溫狀態(tài)下才能發(fā)生。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【案例】光控超導(dǎo)芯片原理。通過合并超導(dǎo)開關(guān)，從超導(dǎo)諧振腔中捕捉光子，并將其釋放進(jìn)去；通過控制開關(guān)，在光子通行的密封腔穴和道路之間打開或關(guān)閉通道。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究3、光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)是以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連。優(yōu)點(diǎn)：光子傳輸不需要導(dǎo)線，在光線相交情況下，也不會(huì)相互影響；只需要一小部分能量就能驅(qū)動(dòng)，大大減少芯片的熱量；并行處理能力強(qiáng)，具有超高速運(yùn)算速度。能在高溫下工作。困難：要求有更強(qiáng)光源；光線嚴(yán)格要求對(duì)準(zhǔn)，元件和裝配精度要達(dá)到納米級(jí)；必須研制具有完備功能的基礎(chǔ)元件開關(guān)。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【擴(kuò)展】硅光子技術(shù)。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究4、生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)運(yùn)算過程是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)。優(yōu)點(diǎn)：信息存儲(chǔ)量大，能模擬人腦思維；計(jì)算時(shí)間為10ps（皮秒）級(jí)；有自我修復(fù)的功能。困難：蛋白質(zhì)受環(huán)境干擾大，干燥時(shí)不工作，冷凍時(shí)會(huì)凝固，加熱會(huì)使工作不穩(wěn)定；高能射線可能會(huì)打斷化學(xué)鍵，從而分解分子機(jī)器；DNA（脫氧核糖核酸）分子容易丟失和不易操作。6.1.5新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究【案例】光激活的DNA邏輯門晶體管原理圖?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.2.3數(shù)據(jù)傳輸6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算6.2.5指令系統(tǒng)6.2.1信息編碼6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)6.2.1信息編碼計(jì)算機(jī)工作原理：將各種信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼（信息編碼）；保存在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）；運(yùn)算器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（數(shù)據(jù)計(jì)算）；數(shù)據(jù)從一個(gè)部件傳送到另一個(gè)部件（數(shù)據(jù)傳輸）；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人類能理解的形式（數(shù)據(jù)解碼）；以上工作過程由機(jī)器命令控制（指令系統(tǒng)）。計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一臺(tái)由程序控制的二進(jìn)制符號(hào)處理機(jī)器。6.2.1信息編碼1、信息的編碼轉(zhuǎn)換語(yǔ)言文字是一種信息編碼系統(tǒng)。2、二進(jìn)制編碼的理論依據(jù)香農(nóng)（C.E.Shannon）指出：

通信的基本信息單元是符號(hào)，而最基本的信息符號(hào)是二值符號(hào)。最典型的二值符號(hào)是二進(jìn)制數(shù)。如，多個(gè)開關(guān)的組合可以產(chǎn)生1與0的特殊模式。文字、數(shù)據(jù)、照片，音樂或電影，都可以編碼為二進(jìn)制數(shù)據(jù)；將信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼稱為“信息數(shù)字化”。6.2.1信息編碼3、二進(jìn)制編碼的優(yōu)點(diǎn)計(jì)算機(jī)采用十進(jìn)制和二進(jìn)制的比較：由以上比較可以看出：用二進(jìn)制設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但信息存儲(chǔ)量和計(jì)算量大大增加；這符合圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的思想：機(jī)械的、有限的計(jì)算。運(yùn)算比較十進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)字符號(hào)10個(gè)2個(gè)加法運(yùn)算規(guī)則100個(gè)4個(gè)加法器設(shè)計(jì)復(fù)雜簡(jiǎn)單加法次數(shù)少多6.2.1信息編碼4、計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制編碼的含義計(jì)算機(jī)并不能“理解”二進(jìn)制符號(hào)的含義。如，二進(jìn)制數(shù)“01000010”在計(jì)算機(jī)內(nèi)的含義是什么？如果是采用原碼編碼的數(shù)值，則表示十進(jìn)制的+65；如果采用BCD編碼，則表示十進(jìn)制的42；如果采用ASCII編碼，則表示字符A；另外還可能是圖形數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)，運(yùn)算指令，或其他含義。二進(jìn)制數(shù)據(jù)的具體含義取決于程序?qū)λ慕忉尅?.2.1信息編碼5、計(jì)算機(jī)編碼的基本原則（1）對(duì)應(yīng)性編碼應(yīng)當(dāng)與信息建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。如，英文符號(hào)與ASCII編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。（2）適應(yīng)性編碼要適應(yīng)計(jì)算機(jī)處理的需要。如，邏輯運(yùn)算的“真”和“假”可以用二進(jìn)制“0”和“1”表示。（3）冗余度編碼應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)冗余度。如，壓縮后的音頻信號(hào)減小了數(shù)據(jù)冗余度。6.2.1信息編碼（4）可靠性數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)時(shí)，都會(huì)發(fā)生信號(hào)失真，使信息遭到損壞。通信系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)必須采用檢錯(cuò)和糾錯(cuò)編碼。常見檢錯(cuò)編碼：奇偶校驗(yàn)碼；循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）；海明碼等?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.2.3數(shù)據(jù)傳輸6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算6.2.5指令系統(tǒng)6.2.1信息編碼6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)1、存儲(chǔ)器類型存儲(chǔ)器類型：內(nèi)部存儲(chǔ)器（內(nèi)存）、外部存儲(chǔ)器（外存）。內(nèi)存通過總線與CPU相連，用來存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)；外存需要通過接口電路與主機(jī)相連，用來存放暫時(shí)不執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。（1）內(nèi)存內(nèi)存是用CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝制作的半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片；內(nèi)存斷電后，程序和數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。內(nèi)存類型：隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）；ROM使用不方便，性能極低，目前已淘汰。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)DRAM：利用電容保存數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；由于電容漏電，數(shù)據(jù)容易丟失，必須定時(shí)充電（內(nèi)存動(dòng)態(tài)刷新）。SRAM：利用晶體管保存數(shù)據(jù)，速度快，不需要刷新；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用在CPU內(nèi)部作為高速緩存（Cache）。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（2）外存外存要求：能夠保存大量數(shù)據(jù)；價(jià)格便宜；斷電后數(shù)據(jù)不丟失。外存材料：半導(dǎo)體材料的閃存，如，電子硬盤、U盤、存儲(chǔ)卡等；磁介質(zhì)材料的硬盤，如，硬盤（軟盤和磁帶機(jī)已淘汰）；光介質(zhì)材料的光盤，如，CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM等。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（3）存儲(chǔ)容量單位最小存儲(chǔ)單位是字節(jié)（Byte）；1個(gè)字節(jié)可存放8位（bit）二進(jìn)制數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用存儲(chǔ)單位：1Byte=8bit，1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，1PB=1024TB，1EB=1024PB。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（4）存儲(chǔ)器性能存取時(shí)間，一次存儲(chǔ)操作需要的全部時(shí)間；如，內(nèi)存存取時(shí)間為納秒級(jí)（ns）；如，硬盤存取時(shí)間為毫秒級(jí)（ms）。存取周期，連續(xù)2次存儲(chǔ)操作的最小時(shí)間間隔；如，寄存器為1個(gè)存取周期；如，DDR3-1600內(nèi)存為30個(gè)存取周期。傳輸帶寬，單位時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器達(dá)到的最大數(shù)據(jù)存取量；串行傳輸帶寬單位為bit/s（位/秒）；并行傳輸單位為B/s（字節(jié)/秒）。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)【擴(kuò)展】各種存儲(chǔ)器性能比較。CPUSRAM內(nèi)存DRAM閃存SSD硬盤HDD光盤DVD6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)2、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)用戶要求：存儲(chǔ)容量大，停電后數(shù)據(jù)不丟失，設(shè)備移動(dòng)性好，價(jià)格便宜；對(duì)數(shù)據(jù)讀寫延時(shí)不敏感，秒級(jí)即可滿足要求。CPU要求：存儲(chǔ)容量不大，不要求停電保存數(shù)據(jù)，對(duì)移動(dòng)性沒要求；CPU對(duì)數(shù)據(jù)傳送速度要求極高。為了解決以上矛盾，數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中分層次進(jìn)行存儲(chǔ)。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)【案例】存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)查找（1）內(nèi)存數(shù)據(jù)查找程序和數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位存放在內(nèi)存中；每個(gè)內(nèi)存單元都有一個(gè)地址。按內(nèi)存地址查找程序或數(shù)據(jù)的稱為尋址。尋址由操作系統(tǒng)控制，由硬件設(shè)備（CPU、內(nèi)存、總線）執(zhí)行。尋址空間：早期8086計(jì)算機(jī)采用20位地址，尋址空間為220=1048576（1MB）。目前CPU為64位，尋址空間為：264=16EB；但是，32位的Windows操作系統(tǒng)尋址空間為：232=4GB；采用32位操作系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)存尋址空間小于4GB（大約3.7GB，系統(tǒng)核心占用了一部分）。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)【案例】?jī)?nèi)存數(shù)據(jù)的尋址。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（2）外存數(shù)據(jù)查找程序運(yùn)行時(shí)，CPU不直接對(duì)外存的程序和數(shù)據(jù)尋址；而是在操作系統(tǒng)控制下，將程序和數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存；CPU只在內(nèi)存中讀取程序和數(shù)據(jù)。外存以“塊”為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。如，硬盤數(shù)據(jù)塊稱為“扇區(qū)”；如，U盤數(shù)據(jù)按“塊”進(jìn)行查找；如，光盤數(shù)據(jù)按“扇區(qū)”查找，但扇區(qū)結(jié)構(gòu)與硬盤不同；如，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在接收緩沖區(qū)查找。外存數(shù)據(jù)的地址編碼方式與內(nèi)存不同如，Windows按“簇”（1簇=4KB）進(jìn)行數(shù)據(jù)尋址；外存尋址不需要地址線，而是將地址信息放在數(shù)據(jù)包中，利用線路進(jìn)行串行傳輸。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)【案例】硬盤數(shù)據(jù)的尋址。6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)【擴(kuò)展】CPU—內(nèi)存—外存之間的關(guān)系。CPU外存內(nèi)存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.2.3數(shù)據(jù)傳輸6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算6.2.5指令系統(tǒng)6.2.1信息編碼6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)6.2.3數(shù)據(jù)傳輸1、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)信號(hào)形式有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。模擬信號(hào)是連續(xù)變化的電磁波或光波；數(shù)字信號(hào)是電壓或光波脈沖序列。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸【案例】實(shí)測(cè)數(shù)字信號(hào)（上）和模擬信號(hào)（下）。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：傳輸速率高，傳輸成本低，對(duì)噪聲不敏感。數(shù)字信號(hào)的缺點(diǎn)：信號(hào)容易衰減，不利于長(zhǎng)距離傳輸。信號(hào)傳輸方式：?jiǎn)蜗騻鬏敚▎喂ぃ?/p>

如，計(jì)算機(jī)向打印機(jī)、音箱等設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)；雙向傳輸（全雙工）

如，內(nèi)存與CPU、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等；半雙向傳輸（半雙工），一方傳輸完成后，另外一方才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

如，SATA2.0接口的硬盤、USB2.0接口的U盤等。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸2、數(shù)據(jù)并行傳輸數(shù)據(jù)以成組方式（1至多個(gè)字節(jié)）在線路上同時(shí)傳輸。并行傳輸中，每位占一條線路，32位（4字節(jié)）傳輸就需要32條線路；并行傳輸適用短距離（2米以下）設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。并行傳輸應(yīng)用：CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸；PCI總線設(shè)備與主板芯片組之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?.2.3數(shù)據(jù)傳輸【案例】數(shù)據(jù)的并行傳輸。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸【案例】數(shù)據(jù)的并行傳輸。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸3、數(shù)據(jù)串行傳輸數(shù)據(jù)在傳輸線路（信道）上一位一位按順序傳送。優(yōu)點(diǎn)物理線路最少；適合信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸【擴(kuò)展】字符串行傳輸（上）和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀串行傳輸（下）。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸4、并行傳輸與串行傳輸?shù)谋容^從理論上看，并行傳輸?shù)膸挻蟠蟾哂诖袀鬏?。提高并行傳輸速率的困難：時(shí)鐘頻率在200MHz以下，時(shí)鐘頻率過高，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)之間相互干擾；高頻（100MHz以上）并行傳輸時(shí)，信號(hào)的同步控制成本很高；目前并行傳輸（64位總線）最高帶寬為12GB/s。串行傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)：傳輸時(shí)鐘頻率在1GHz以上；如，USB3.0傳輸時(shí)鐘頻率為5GHz；如，光纖傳輸時(shí)鐘頻率達(dá)到了6.4THz以上，以字節(jié)計(jì)算，大致為640GB/s。信號(hào)同步簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，線路少，占用空間小，通信成本低；串行傳輸帶寬大大高于并行傳輸。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸【擴(kuò)展】并行傳輸?shù)臅r(shí)序較為復(fù)雜。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸【擴(kuò)展】串行傳輸?shù)臅r(shí)序簡(jiǎn)單。6.2.3數(shù)據(jù)傳輸并行傳輸發(fā)展趨勢(shì)：集成電路芯片內(nèi)部電路一般采用并行傳輸；內(nèi)存與CPU之間采用并行傳輸，因?yàn)榇袀鬏敿夹g(shù)成本過高；PCI總線采用并行傳輸，但目前趨于淘汰。串行傳輸發(fā)展趨勢(shì)：計(jì)算機(jī)越來越多采用串行傳輸技術(shù)。如，顯卡數(shù)據(jù)傳輸采用PCI-E串行總線；如，硬盤采用SATA串行接口；如，外部數(shù)據(jù)采用USB串行總線等?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.2.3數(shù)據(jù)傳輸6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算6.2.5指令系統(tǒng)6.2.1信息編碼6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算1、加法器部件狹義計(jì)算：如，加、減、乘、除等；廣義計(jì)算：如，通過算法對(duì)問題進(jìn)行求解。計(jì)算機(jī)的計(jì)算建立在算術(shù)四則運(yùn)算的基礎(chǔ)上。四則運(yùn)算中最基本的運(yùn)算是加法。進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)加法運(yùn)算的部件稱為加法器；CPU內(nèi)部有ALU（算術(shù)邏輯運(yùn)算單元）和FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）；ALU功能：整數(shù)四則運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；FPU功能：小數(shù)運(yùn)算和矢量運(yùn)算。如，IntelCorei7CPU中，有4個(gè)CPU內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核有5個(gè)64位ALU單元和3個(gè)128位的FPU單元。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算【擴(kuò)展】Intel8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算【擴(kuò)展】IntelCoreCPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算2、計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行過程一條程序指令的執(zhí)行可能包含許多操作，但主要由“取指令、指令譯碼、指令執(zhí)行、結(jié)果寫回”四種基本操作構(gòu)成，這個(gè)過程不斷重復(fù)進(jìn)行，如圖6-16所示。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算（1）取指令（IF）CPU內(nèi)部的指令寄存器（IP）保存當(dāng)前指令的內(nèi)存地址；控制單元在指令寄存器中取出指令的內(nèi)存地址；通過地址總線，找到指令內(nèi)存單元（尋址）；通過總線將指令傳送到高速緩存。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算（2）指令譯碼（ID）譯碼單元解釋指令的類型與內(nèi)容；判定指令的操作對(duì)象（操作數(shù)）；將操作數(shù)從內(nèi)存單元讀入CPU高速緩存中。譯碼就是將二進(jìn)制指令代碼翻譯成為特定的CPU微操作。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算（3）指令執(zhí)行（IE）執(zhí)行單元由ALU和FPU組成。譯碼后的指令送入處理單元；如果操作是整數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、內(nèi)存存取、控制指令等，則送入ALU處理；如果操作對(duì)象是浮點(diǎn)數(shù)據(jù)（即小數(shù)），則送入FPU處理。如果需要數(shù)據(jù)，則從高速緩存中讀??；如果高速緩存中沒有需要的數(shù)據(jù)，則從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)。6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算（4）結(jié)果寫回（WB）運(yùn)算完成后，ALU（或FPU）將運(yùn)算結(jié)果寫回到高速緩存或內(nèi)存中。執(zhí)行完一條指令后，控制單元從內(nèi)存讀取下一條指令以上過程不斷重復(fù)執(zhí)行?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.2.3數(shù)據(jù)傳輸6.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算6.2.5指令系統(tǒng)6.2.1信息編碼6.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)6.2.5指令系統(tǒng)1、指令的基本組成指令是計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。指令的類型與數(shù)量由CPU決定。機(jī)器指令組成：操作碼+操作數(shù)【例】8086匯編語(yǔ)言指令的格式。操作碼操作數(shù)說

明MOVBX,1234H匯編語(yǔ)言程序指令，將數(shù)據(jù)1234H存入BX寄存器0011010000010010可執(zhí)行機(jī)器碼，第1字節(jié)為操作碼，第2-3字節(jié)為操作數(shù)6.2.5指令系統(tǒng)2、指令系統(tǒng)不同類型的計(jì)算機(jī)，指令系統(tǒng)不同。不同指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，它們的軟件不能通用。例如，臺(tái)式計(jì)算機(jī)采用x86指令系統(tǒng)，智能手機(jī)采用ARM指令系統(tǒng)，它們的軟件不能相互通用。指令類型：（1）數(shù)據(jù)傳送指令：將數(shù)據(jù)在內(nèi)存與CPU之間傳送；（2）數(shù)據(jù)處理指令：數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯或關(guān)系運(yùn)算；（3）程序控制指令：如條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移、調(diào)用子程序、返回、停機(jī)等；（4）輸入/輸出指令：外部設(shè)備與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；（5）其他指令：對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件進(jìn)行管理等。6.2.5指令系統(tǒng)3、CISC與RISC指令系統(tǒng)（1）CISC指令系統(tǒng)CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）指令：數(shù)量多，功能復(fù)雜，長(zhǎng)度不一。x86系列計(jì)算機(jī)是典型的CISC指令系統(tǒng)。為了兼容以前的軟件，x86指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜。（2）RISC指令系統(tǒng)RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）指令：數(shù)量少，功能簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度固定；所有指令在一個(gè)周期內(nèi)完成；指令采用流水線執(zhí)行技術(shù)等。ARM（安媒）CPU采用RISC指令系統(tǒng)；智能手機(jī)和平板電腦大多采用RISC指令系統(tǒng)。6.2.5指令系統(tǒng)4、x86基本指令集Intel公司1978年發(fā)布8086指令集。x86指令長(zhǎng)度為1～15字節(jié)不等大部分指令在5個(gè)字節(jié)以下。從PentiumCPU開始，長(zhǎng)度不同的x86指令，在CPU內(nèi)部譯碼成長(zhǎng)度固定的RISC指令，這種方法稱為微指令或微操作指令。x86指令集的發(fā)展：6.2.5指令系統(tǒng)【擴(kuò)展】微指令技術(shù)。微指令是CPU利用軟件實(shí)現(xiàn)硬件功能的技術(shù)。微指令概念的引入使大型復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)生了革命性變化；因?yàn)槲⒅噶罴夹g(shù)可代替硬件電路控制技術(shù)；即由門電路組成的硬件電路可被微指令所取代。

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化了CPU的邏輯電路；用微程序代替邏輯電路；指令系統(tǒng)升級(jí)靈活方便；CPU內(nèi)核測(cè)試、維護(hù)方便。缺點(diǎn)：降低了CPU執(zhí)行效率。6.2.5指令系統(tǒng)【擴(kuò)展】微指令技術(shù)。微指令的特征：一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序；一個(gè)微程序由若干條微指令組成；一條微指令包含若干個(gè)并行執(zhí)行地微操作；一條微指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。微指令執(zhí)行過程：CPU內(nèi)部ROM中存放了機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序；執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)，CPU電路會(huì)在ROM中尋找對(duì)應(yīng)的微程序；取出微程序后，執(zhí)行各個(gè)微操作，完成機(jī)器指令的功能。程序匯編指令機(jī)器指令微程序微指令微操作CPU解釋執(zhí)行編譯器解釋6.2.5指令系統(tǒng)【擴(kuò)展】微指令典型結(jié)構(gòu)。符號(hào)X表示一個(gè)二進(jìn)制位。微指令字段是執(zhí)行部件的控制信號(hào)，X=1表示有微指令，X=0表示無微指令。測(cè)試判別字段X=0時(shí)，下址字段就是下條微指令的地址；測(cè)試判別字段X=1時(shí)，修改下址字段，修改后地址為下條微指令地址?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.3.3主板組成6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備6.3.5集成電路6.3.1系統(tǒng)組成6.3.2CPU性能6.3.1系統(tǒng)組成1、計(jì)算機(jī)控制中心結(jié)構(gòu)Corei7計(jì)算機(jī)“1-2-3規(guī)則”：1個(gè)CPU，2大芯片，3級(jí)結(jié)構(gòu)。6.3.1系統(tǒng)組成【案例】Corei7計(jì)算機(jī)控制中心結(jié)構(gòu)。6.3.1系統(tǒng)組成【擴(kuò)展】蘋果iMacG5微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2004年)。PworePCG5CPU6.3.1系統(tǒng)組成【擴(kuò)展】智能手機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。ARMCPU6.3.1系統(tǒng)組成（1）1個(gè)CPUCPU控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)逐級(jí)上傳到CPU進(jìn)行處理。CPU運(yùn)行速度大大高于其他設(shè)備；以下各個(gè)設(shè)備越往下走，性能越低。CPU的更新?lián)Q代將導(dǎo)致南橋芯片的改變，內(nèi)存類型的改變等。指令系統(tǒng)改變時(shí)，必然引起CPU結(jié)構(gòu)的變化。目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以CPU為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)。6.3.1系統(tǒng)組成（2）2大芯片ICH（南橋芯片）和BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）芯片。南橋芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳與下送；南橋芯片接口越多，計(jì)算機(jī)功能擴(kuò)展性越強(qiáng)。BIOS芯片主要解決硬件與軟件的兼容性。南橋芯片BIOS芯片6.3.1系統(tǒng)組成（3）3級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)速度。第1級(jí)最高，然后逐級(jí)降低。CPU訪問頻率。第3級(jí)最低，然后逐級(jí)升高。系統(tǒng)性能。前端總線和南橋芯片容易成為性能瓶頸，然后逐級(jí)次之。連接設(shè)備。第1級(jí)CPU最少，然后逐級(jí)增加?？煽啃裕篊PU和南橋芯片：一旦出現(xiàn)問題（如發(fā)熱），必然導(dǎo)致致命性故障。下層接口和設(shè)備：發(fā)生故障的概率大，但一般不會(huì)造成致命性故障。6.3.1系統(tǒng)組成2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。6.3.1系統(tǒng)組成3、計(jì)算機(jī)主要硬件設(shè)備臺(tái)式計(jì)算機(jī)主要由主機(jī)、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)三大部件組成。6.3.1系統(tǒng)組成臺(tái)式計(jì)算機(jī)的主要部件如圖6-24所示。6.3.1系統(tǒng)組成臺(tái)式計(jì)算機(jī)的主要部件如表6-1所示。序號(hào)部件名稱數(shù)量說明序號(hào)部件名稱數(shù)量說明1CPU1必配9電源1必配2CPU散熱風(fēng)扇1必配10機(jī)箱1必配3主板1必配11鍵盤1必配4內(nèi)存條1必配12鼠標(biāo)1必配5獨(dú)立顯卡1選配13音箱1對(duì)選配6顯示器1必配14話筒1選配7硬盤1必配15ADSLModem1選配8光驅(qū)1選配16外接電源盒1必配《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.3.3主板組成6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備6.3.5集成電路6.3.1系統(tǒng)組成6.3.2CPU性能6.3.2CPU性能1、CPU基本組成CPU（中央處理器）也稱為微處理器。CPU嚴(yán)格按時(shí)鐘頻率工作；CPU工作頻率越高，計(jì)算速度越快。CPU設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠商有：Intel，AMD，IBM，ARM等公司。CPU外觀如圖6-25所示。6.3.2CPU性能Intel公司Core

i7CPU：22nm工藝制造；4內(nèi)核CPU；工作頻率2~3GHz；集成14.8億個(gè)晶體管。集成電路制造工藝幾乎成了CPU每個(gè)時(shí)代的標(biāo)志。英特爾公司CPU產(chǎn)品：酷睿（Core）系列：用于臺(tái)式微機(jī)，筆記本電腦；至強(qiáng)（Xeon）系列：用于PC服務(wù)器，蘋果微機(jī)；凌動(dòng)（Atom）系列：用于移動(dòng)設(shè)備，平板電腦。6.3.2CPU性能2、CPU技術(shù)性能CPU始終圍繞著速度與兼容兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、內(nèi)核數(shù)量、工作頻率等。（1）多核CPU多核是在CPU內(nèi)部集成多個(gè)CPU內(nèi)核。多核CPU增強(qiáng)了運(yùn)算能力，但也增加了CPU發(fā)熱功耗。多核CPU設(shè)計(jì)更加復(fù)雜：如，不同內(nèi)核程序的互相訪問、相互協(xié)作；如，不同內(nèi)核進(jìn)程之間的通信機(jī)制；如，共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。多核CPU需要軟件支持才能發(fā)揮應(yīng)有性能。6.3.2CPU性能【案例】8內(nèi)核CPU（左）和CPU內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)（右）。6.3.2CPU性能（2）CPU工作頻率主流CPU工作頻率在2.0GHz以上。大幅度提高CPU工作頻率受到生產(chǎn)工藝限制。（3）CPU字長(zhǎng)字長(zhǎng)指CPU內(nèi)部ALU一次處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。目前CPU字長(zhǎng)有32位和64位；x86系列CPU字長(zhǎng)為64位。x86CPU向下兼容，16位、32位軟件，可以運(yùn)行在64位CPU中。6.3.2CPU性能（4）CPU制程線寬制程線寬指集成電路芯片兩個(gè)相鄰晶體管之間節(jié)距的一半；制程線寬越小，工藝越先進(jìn)，芯片發(fā)熱量越?。荒壳癈PU工藝達(dá)到了14nm制程線寬。（5）CPU高速緩存高速緩存（Cache）是采用SRAM結(jié)構(gòu)的內(nèi)存單元。高速緩存利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的局部性原理，極大地改善了CPU性能；CPU高速緩存為1MB～10MB，甚至更高。6.3.2CPU性能【擴(kuò)展A】CPU流水線技術(shù)。CPU流水線技術(shù)是將機(jī)器指令分解為多個(gè)工步，并讓不同機(jī)器指令的各個(gè)工步重疊執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)。指令的每個(gè)工步有各自獨(dú)立的電路處理；每完成一步，就進(jìn)到下一步，而前一步則處理后續(xù)指令。流水線技術(shù)大大提高了CPU性能；流水線技術(shù)導(dǎo)致了CPU設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。6.3.2CPU性能【擴(kuò)展A】CPU一條指令在5級(jí)流水線中的執(zhí)行過程。6.3.2CPU性能【擴(kuò)展B】高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）技術(shù)。Cache是內(nèi)存與CPU之間的存儲(chǔ)器，由SRAM組成，速度接近CPU。采用高速緩存技術(shù)后，CPU處理速度顯著提高。高速緩存組成：Cache存儲(chǔ)體：存放由內(nèi)存調(diào)入的指令和數(shù)據(jù)。地址轉(zhuǎn)換部件：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存地址與緩存地址的轉(zhuǎn)換。替換部件：緩存已滿時(shí)，按一定策略進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換。程序局部性原理：正在使用的內(nèi)存單元中，鄰近單元被用到的可能性很大（指令順序存儲(chǔ)）。6.3.2CPU性能【擴(kuò)展B】高速緩存工作原理。硬件電路自動(dòng)將一組內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)調(diào)入高速緩存；CPU需要讀寫數(shù)據(jù)或指令時(shí)，先查詢高速緩存；如果數(shù)據(jù)在已在高速緩存中，稱為命中，將數(shù)據(jù)送入CPU；如果數(shù)據(jù)不在高速緩存中，稱為脫靶，CPU將到內(nèi)存存取數(shù)據(jù)。6.3.2CPU性能【擴(kuò)展C】ARM微處理器技術(shù)。ARM是ARM公司面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的RISC微處理器。ARM公司既不生產(chǎn)芯片，也不銷售芯片，它只出售CPU設(shè)計(jì)技術(shù)。如，高通公司購(gòu)買ARMCPU知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）后，可生產(chǎn)自有品牌的CPU。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用于嵌入式系統(tǒng)；如，智能手機(jī)、汽車導(dǎo)航儀等。ARM處理器特點(diǎn)：耗電少功能強(qiáng)合作伙伴多ARM商業(yè)模式6.3.2CPU性能【擴(kuò)展C】ARMCPU與x86CPU的比較。比較項(xiàng)目ARMCPUX86CPU性能一般高價(jià)格低高能耗幾百毫瓦50W以上應(yīng)用軟件少多應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)通用計(jì)算典型應(yīng)用智能手機(jī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)商業(yè)模式知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)（IP）產(chǎn)品銷售生產(chǎn)廠商高通、三星、任天堂、聯(lián)發(fā)科等Intel、AMD6.3.2CPU性能【擴(kuò)展C】高通公司用于智能手機(jī)的“驍龍”CPU（ARM內(nèi)核）。6.3.2CPU性能【擴(kuò)展C】ARMCortex-A8處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。取指令指令譯碼指令執(zhí)行高速緩存寫回《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.3.3主板組成6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備6.3.5集成電路6.3.1系統(tǒng)組成6.3.2CPU性能6.3.3主板組成1、主要部件主板由集成電路芯片、電子元器件、電路系統(tǒng)、各種總線插座和接口組成。目前主板標(biāo)準(zhǔn)為ATX。不同類型的CPU，需要不同類型的主板與之匹配。主板功能多少取決于南橋芯片與主板上的專用芯片。主板BIOS芯片決定主板兼容性好壞。主板上元件的選擇和生產(chǎn)工藝決定主板的穩(wěn)定性。6.3.3主板組成【案例】主板主要集成電路芯片。內(nèi)存電源6.3.3主板組成【案例】主板總線和接口插座。外接USB開/關(guān)機(jī)CPU電源6.3.3主板組成【案例】ATX主板主要部件和接口。部件類型主

要

部

件集成電路北橋，南橋，BIOS，系統(tǒng)時(shí)鐘，SIO，音頻，網(wǎng)絡(luò)，電源，穩(wěn)壓，橋接等電子元件電阻，電容，電感，晶振，二極管，三極管，場(chǎng)效應(yīng)管，電池，PCB板等主板線路信號(hào)線（數(shù)據(jù)、地址、控制），電源線，地線（信號(hào)地、電源地）等總線插座SocketCPU，DIMM內(nèi)存，PCI-E×16，PCI-E×1，PCI，USB等I/O接口SATA，eSATA，KB，MS，音頻，LAN，DVI，VGA，1394等其他插座24腳ATX電源，8腳CPU_12V電源，前置面板按鍵和指示燈，前置音頻，CMOS電池清除，CPU風(fēng)扇，機(jī)箱風(fēng)扇等6.3.3主板組成【擴(kuò)展A】MicroATX主板（小板）。6.3.3主板組成【擴(kuò)展A】各種PC主板尺寸比較。6.3.3主板組成【擴(kuò)展B】南橋芯片主要功能。6.3.3主板組成【擴(kuò)展C】BIOS功能。BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）也稱為“固件”（固化的軟件）。主要功能：上電自檢（POST）；初始化硬件設(shè)備；解決不同硬件與操作系統(tǒng)之間的兼容性問題。BIOS解決不同主板和操作系統(tǒng)之間的兼容性6.3.3主板組成2、總線總線是計(jì)算機(jī)中各種部件之間共享的一組公共數(shù)據(jù)傳輸線路。（1）并行總線并行總線由多條信號(hào)線組成。如32位PCI總線需要32根線路，可以同時(shí)傳輸32位二進(jìn)制信號(hào)。并行總線功能組：

數(shù)據(jù)線、地址線、控制線、電源線和地線。并行總線：內(nèi)存總線（MB），外部設(shè)備總線（PCI）；計(jì)算機(jī)內(nèi)部的并行總線，處于淘汰趨勢(shì)。6.3.3主板組成（2）并行總線性能總線位寬，總線一次并行傳輸二進(jìn)制位數(shù)；如，32位PCI總線、64位內(nèi)存總線；總線頻率，總線每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的頻率；如，PCI總線頻率為33MHz；總線帶寬，總線每秒鐘傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量。如，PCI總線帶寬為132MB/s。并行總線帶寬=總線位寬×總線頻率÷8如，PCI總線帶寬為：32bit×33MHz÷8=132MB/s。6.3.3主板組成（3）串行總線性能計(jì)算機(jī)串行總線：如，圖形顯示總線（PCI-E）；如，通用串行總線（USB）等。串行總線性能用帶寬來衡量。串行總線帶寬計(jì)算較為復(fù)雜；它主要取決于總線信號(hào)傳輸頻率和通道數(shù)；另外與通信協(xié)議、傳輸模式、編碼效率、通信協(xié)議開銷等因素有關(guān)。串行總線采用多通道的方法實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度；通道之間各自獨(dú)立，多條通道組成一條串行總線。多個(gè)串行通道之間并無時(shí)序和同步關(guān)系。6.3.3主板組成PCI-E串行總線：PCI-E1.0標(biāo)準(zhǔn)下，PCI-E×1總線帶寬為2.5Gbit/s（單工）；PCI-E2.0標(biāo)準(zhǔn)下，PCI-E×1總線帶寬為5.0Gbit/s（單工）；PCI-E3.0標(biāo)準(zhǔn)下，PCI-E×1總線帶寬為8.0Gbit/s（單工）。例如，PCI-Ex16總線2.0標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，總線帶寬為：5.0Gbit/s×16=80Gbit/s。注：x16表示16個(gè)x1信道。PCI-E是高速串行總線；PCI-E采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接；PCI-E總線接口長(zhǎng)短不同；PCI-Ex16一般安裝顯卡；PCI-Ex1用于外接聲卡、網(wǎng)卡等。PCI-Ex16總線PCI-Ex1總線6.3.3主板組成USB（通用串行總線）USB2.0總線帶寬為480Mbit/s；USB3.0總線帶寬為5.0Gbit/s。USB總線信號(hào)：2根（D+和D-）數(shù)據(jù)傳送，1根+5V電源，1根地線。USB總線的級(jí)連：可通過Hub進(jìn)行星型連接；每電纜段最大長(zhǎng)度為5m；最多支持5層Hub；最多可連接127個(gè)外設(shè)。6.3.3主板組成USB總線接口類型：標(biāo)準(zhǔn)A型，標(biāo)準(zhǔn)B型，mini-A型，mini-B型，mini-AB型，Micro-B型、OTG等。6.3.3主板組成【擴(kuò)展】USB接口的OTG連接形式。6.3.3主板組成【擴(kuò)展】計(jì)算機(jī)串行總線性能一覽表。總線類型總線帶寬總線類型總線帶寬總線類型總線帶寬QPI12.8GB/sUSB1.112Mbit/sSPI3Mbit/sPCI-E1.0x12.5Gbit/sUSB2.0480Mbit/sSST1Mbit/sPCI-E2.0x15Gbit/sUSB3.05.0Gbit/sSMBus100kbit/sPCI-E3.0x110Gbit/sDMI1Gbit/sIEEE1394b800Mbit/s6.3.3主板組成3、I/O接口接口是兩個(gè)硬件設(shè)備之間起連接作用的邏輯電路。常用計(jì)算機(jī)接口：硬盤串行接口SATA，顯示器接口VGA/DVI，鍵盤和鼠標(biāo)接口USB，音箱接口LineOut，話筒接口MIC，網(wǎng)絡(luò)接口RJ-45等。6.3.3主板組成【案例】微機(jī)SIO接口的連接。6.3.3主板組成【案例】筆記本計(jì)算機(jī)SIO接口。6.3.3主板組成【案例】平板計(jì)算機(jī)SIO接口?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.3.3主板組成6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備6.3.5集成電路6.3.1系統(tǒng)組成6.3.2CPU性能6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備1、內(nèi)存條內(nèi)存條組成：內(nèi)存芯片（DRAM）、SPD（內(nèi)存序列檢測(cè)）芯片，印制電路板（PCB），金手指，散熱片，貼片電阻，貼片電容等。不同標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存條，在外觀上沒有太大區(qū)別；但是引腳數(shù)量和功能不同，互相不能兼容。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【案例】?jī)?nèi)存條的安裝。定位口Key固定卡6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備2．閃存（FlashMemory）閃存具備DRAM快速存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，也具備硬盤永久存儲(chǔ)的特性。優(yōu)點(diǎn)：利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：讀寫速度較DRAM慢；擦寫次數(shù)有極限。閃存不能以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)隨機(jī)寫入；因此閃存目前不可能作為內(nèi)存使用。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備（1）U盤U盤組成：閃存芯片、控制芯片、USB接口。U盤容量在128MB～64GB之間；數(shù)據(jù)傳輸速度比硬盤快。U盤的優(yōu)點(diǎn)：具有即插即用功能；讀寫數(shù)據(jù)操作方便；外觀小巧、抗震、容量大。受到用戶的普遍歡迎。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備（2）存儲(chǔ)卡閃存卡應(yīng)用：智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。常見閃存卡：SD卡、TF卡、MMC卡、SM卡、CF卡、記憶棒、XD卡等。SD（安全數(shù)碼）卡是速度最快，應(yīng)用最廣泛的存儲(chǔ)卡。SD卡規(guī)格：MicroSD、mini-SD、SDHC、MicroSDHC、SDXC等。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備（3）固態(tài)硬盤（SSD）固態(tài)硬盤在接口標(biāo)準(zhǔn)和使用方法上，與機(jī)械硬盤完全相同。固態(tài)硬盤沒有機(jī)械部件，因此抗震性能極佳，工作溫度很低。比較項(xiàng)目固態(tài)硬盤（SSD）機(jī)械硬盤（HDD）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單復(fù)雜讀寫速度讀快寫慢一般功耗低高抗振動(dòng)好差工作溫度低高使用壽命有限無限價(jià)格高低HDDSSD6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【案例】固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備3、硬盤硬盤中盤片由鋁質(zhì)合金和磁性材料組成。磁記錄基本原理：磁性材料具有“剩磁”特性，磁粒子方向不會(huì)隨意改變；硬盤利用磁記錄位的極性記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)位。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【案例】硬盤結(jié)構(gòu)和工作原理。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備4、光盤光盤驅(qū)動(dòng)器和光盤一起構(gòu)成了光存儲(chǔ)器。光盤用于記錄數(shù)據(jù)，光驅(qū)用于讀取數(shù)據(jù)。光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理：光盤中每個(gè)溝槽邊緣代表數(shù)據(jù)“1”，其它地方則代表數(shù)據(jù)“0”。光盤類型：只讀光盤（如，DVD-ROM）；一次性刻錄光盤（如，DVD-R）；反復(fù)讀寫光盤（如，DVD-RW）。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【案例】光盤與光驅(qū)。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展A】激光打印機(jī)工作原理。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展B】3D打印機(jī)工作過程。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展B】3D打印機(jī)工作原理。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展B】3D打印機(jī)產(chǎn)品。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展C】LCD和CRT顯示器。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展C】21：9顯示器。6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備【擴(kuò)展D】3D全息投影技術(shù)?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.3.3主板組成6.3.4存儲(chǔ)設(shè)備6.3.5集成電路6.3.1系統(tǒng)組成6.3.2CPU性能6.3.5集成電路1、門電路與集成電路能實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算功能的電路稱為邏輯門電路。門電路功能可用半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)。集成電路的核心器件是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）晶體管。2012年，英特爾公司在CPU芯片中集成了290億個(gè)MOS晶體管。6.3.5集成電路2、MOS晶體管工作原理（1）MOS晶體管結(jié)構(gòu)MOS晶體管的三個(gè)接口端：柵極（Gate）、源極（Source）、漏極（Drain）；由柵極控制漏極與源極之間的電流流動(dòng)。MOS晶體管隔離層作用是阻止柵極電流產(chǎn)生；柵極起控制開關(guān)的作用；使MOS晶體管在“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)中切換。6.3.5集成電路（2）MOS晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)在柵極（G）施加相對(duì)于源極（S）的正電壓VGS時(shí)；柵極會(huì)感應(yīng)出負(fù)電荷；源極S的電子經(jīng)過溝道區(qū)到達(dá)漏極D，形成由源極流向漏極的電流；這時(shí)MOS晶體管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)（邏輯“1”）。6.3.5集成電路（3）MOS晶體管的截止?fàn)顟B(tài)如果改變漏極D與源極S之間的電壓；當(dāng)VDS＝VGS時(shí)，MOS晶體管處于飽和狀態(tài)；電流無法從源極S流向漏極D；MOS晶體管處于“截止”狀態(tài)（邏輯“0”）。6.3.5集成電路3、

集成電路制程線寬如圖6-35所示，溝道長(zhǎng)度是源極S與漏極D之間的距離。MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度越小，晶體管工作頻率越高。提高晶體管工作頻率的方法：減小溝道長(zhǎng)度（如，更小的CPU制程線寬）改變柵極隔離層材料（如，采用高k值氧化物）；提高溝道電荷遷移率（如，采用低k值硅襯底材料）；提高晶體管“柵-源”電壓（如，CPU超頻）。6.3.5集成電路柵極節(jié)距是集成電路第1層，兩個(gè)平行柵極之間的距離；半節(jié)距為節(jié)距的一半；制程線寬（一般簡(jiǎn)稱線寬）指柵極半節(jié)距；集成電路工藝的主要目的是減小芯片的制程線寬；制程線寬越小，柵極半節(jié)距越??；溝道長(zhǎng)度也越小，CPU工作頻率越高；CPU工作電壓越低，CPU發(fā)熱越小。6.3.5集成電路【擴(kuò)展】CPU制程線寬工藝發(fā)展?！队?jì)算機(jī)導(dǎo)論——計(jì)算思維和應(yīng)用技術(shù)》計(jì)算機(jī)6.4.3微機(jī)操作系統(tǒng)Windows6.4.4服務(wù)器操作系統(tǒng)Linux6.4.5智能手機(jī)操作系統(tǒng)Android6.4.1軟件特征與類型6.4.2操作系統(tǒng)的類型6.4.1軟件特征與類型1、軟件的特性軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和文檔。（1）軟件是一種邏輯元素軟件是設(shè)計(jì)開發(fā)的，而不是生產(chǎn)制造的。硬件主要成本在于制造；軟件成本在于開發(fā)設(shè)計(jì)。（2）軟件不會(huì)“磨損”硬件會(huì)因?yàn)榄h(huán)境和使用造成損耗；在軟件生存周期里會(huì)面臨變更問題。磨損的硬件可用備用部件替換；軟件不存在備用部件。6.4.1軟件特征與類型（3）構(gòu)件的復(fù)用大多數(shù)軟件仍然是定制的（如銀行管理系統(tǒng)）。在軟件設(shè)計(jì)中，大規(guī)模復(fù)用還剛剛開始嘗試。如，圖形用戶界面中的窗口、下拉菜單、按鈕等都是可復(fù)用構(gòu)件。6.4.1軟件特征與類型2、軟件的類型軟件的分類目前沒有統(tǒng)一共識(shí)；大部分教材將軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。普雷斯曼（Ro