1.3 概論-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織硬件——是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)體和裝置之類的有形設(shè)備，是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件——是指由硬件所表達(dá)的各種內(nèi)在信息，包括數(shù)據(jù)與控制程序。因?yàn)樗鼈兪菬o(wú)形的東西，所以稱為軟件或軟設(shè)備。1/201.3.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)組成CPUM接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線1、硬件系統(tǒng)的基本組成模型2/20※主要功能部件1.CPU（CentralProcessingUnit）主要由運(yùn)算器、控制器等部件組成。（1）運(yùn)算器1）功能：完成兩類（算術(shù)和邏輯）運(yùn)算2）組成特點(diǎn)：3/20主要由ALU(算術(shù)邏輯單元)構(gòu)成，執(zhí)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及移位循環(huán)等操作，是CPU功能的主要執(zhí)行部件。ALU以全加器為核心，具有多種運(yùn)算功能。運(yùn)算的位數(shù)越多,計(jì)算精度就越高,但器件也更復(fù)雜。運(yùn)算器的數(shù)據(jù)寬度一般是：8位、16位、32位或64位。4/20（2）控制器1）功能：產(chǎn)生控制命令(微命令)，控制全機(jī)操作。2）基本組成：微命令發(fā)生器指令信息狀態(tài)信息時(shí)序信號(hào)微命令序列5/202.存儲(chǔ)器1）功能：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)字化后的程序?！咀⒁狻坎徽撌菙?shù)據(jù),還是程序,存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的全是用0或1表示的二進(jìn)制代碼。存儲(chǔ)器涉及到幾個(gè)基本概念：存儲(chǔ)單元：在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的n個(gè)存儲(chǔ)電路，組成一個(gè)存儲(chǔ)單元。地址：存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成,每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，稱為地址。6/20存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。存儲(chǔ)容量越大,表示儲(chǔ)存的信息越多，常用的單位有“KB、MB、GB、TB、PB”等；內(nèi)存儲(chǔ)器：即主存，是一種用來(lái)存放直接為CPU提供服務(wù)的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，特點(diǎn)：工作速度較快，存儲(chǔ)容量比外存小。外存儲(chǔ)器：即輔存，

為計(jì)算機(jī)配備的存儲(chǔ)容量很大的輔助存儲(chǔ)器。磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等，其主要特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，工作速度較慢。7/20輸出時(shí)：處理結(jié)果輸入時(shí)：原始信息3.輸入/輸出設(shè)備功能：執(zhí)行輸入/輸出信息的轉(zhuǎn)換。二進(jìn)制代碼，送入主機(jī)；用戶能夠直接感知的形式(字符、圖像、聲音),并輸出給用戶；（二進(jìn)制代碼）8/204.總線（Bus）能為多個(gè)部件分時(shí)共享的一組信息傳送通路。根據(jù)傳送的信息不同，可分三類：①傳送各種數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)總線(DataBus);②傳送各種地址信息的地址總線(AddressBus);③傳送各種控制信號(hào)的控制總線(ControlBus);9/205.接口外設(shè)的種類、數(shù)量了變，為了將總線與各類外設(shè)連接，須在兩者之間設(shè)置一些部件，具有緩沖、轉(zhuǎn)換、連接等功能，這些部件就是接口。VGA接口顯示器設(shè)備接口其它設(shè)備總線…10/20※計(jì)算機(jī)硬件的典型架構(gòu)1.微型計(jì)算機(jī)：南-北橋架構(gòu)CPU北橋芯片組南橋芯片組主存PCI-EHDMI視頻BIOSWIFIPATA、SATA、USB等PCI-E其它I/O總線FSB（掛接網(wǎng)卡、鍵盤和硬盤等外設(shè)）DMI11/20E5-2620芯片組(C600)USB總線（HPProLiantDL300系列）DMI2.小型計(jì)算機(jī)：多處理器架構(gòu)E5-2620PCI-EWIFIDDR3PCI-EDDR3上行SAS磁盤PCI-ELANPCI-E傳統(tǒng)音頻SATASM總線SuperI/O安全控制芯片…PCI…QPI12/203.超級(jí)計(jì)算機(jī)(超算)：集群式架構(gòu)FT-1500FT-1500FT-1500FT-1500管理集群通信集群路由器路由器路由器路由器存儲(chǔ)集群磁盤陣列磁盤陣列磁盤陣列磁盤陣列計(jì)算集群計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)（天河-2號(hào)，國(guó)防科技大學(xué)）8機(jī)柜（4096處理器）24機(jī)柜（12.4PB）125機(jī)柜（16000節(jié)點(diǎn)）13機(jī)柜（576路由器）THExpress-2性能：33.86PFLOPS功耗：17.8MW13/20※天河-2號(hào)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)剖析單塊主板2節(jié)點(diǎn)：Phi31S1P(61核)GDDR5,8GBE5-2692(12核)E5-2692(12核)DDR3,32GBDDR3,32GBQPIE5-2692(12核)E5-2692(12核)DDR3,32GBDDR3,32GBQPIPCI-EPCI-EPhi31S1P(61核)GDDR5,8GBAPU(5協(xié)處理器)CPM(4主+1協(xié))14/20多處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：用多處理器CPU構(gòu)成根據(jù)處理器之間連接的緊密程度，又分為：①緊密偶合型多機(jī)系統(tǒng)②松散偶合型多機(jī)系統(tǒng)15/20CPU1LM1全局MCPUnLMnI/OI/O※緊密偶合型多機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：多個(gè)（CPU+LM）組，通過(guò)系統(tǒng)總線構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，且有共享的全局主存儲(chǔ)器；16/20※松散偶合多機(jī)系統(tǒng)CPU1LM1I/OCASMTS（消息傳送系統(tǒng)）CPUnLMnI/OCAS特點(diǎn)：多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，由通信系統(tǒng)連接成的多機(jī)系統(tǒng)，無(wú)全局的主存儲(chǔ)器。17/201.3.2軟件系統(tǒng)

軟件類別：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序：負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)度管理，提供運(yùn)行和開(kāi)發(fā)環(huán)境、各種服務(wù)，確保系統(tǒng)運(yùn)行良好。應(yīng)用程序：利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決應(yīng)用問(wèn)題所編制的程序,如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等等。18/201.3.3硬、軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由多層次的軟件+硬件組成的系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：系統(tǒng)分析級(jí)用戶程序級(jí)應(yīng)用程序級(jí)語(yǔ)言處理程序級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器指令級(jí)微程序級(jí)硬件邏輯級(jí)軟件部分硬件部分軟硬分界面19/201.3.4軟件與硬件的邏輯