計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 01計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)如何計(jì)算？數(shù)據(jù)表示計(jì)算對(duì)象是什么？運(yùn)算規(guī)則運(yùn)算的具體方法過(guò)程控制如何控制運(yùn)算完成如何用計(jì)算機(jī)完成計(jì)算？電子數(shù)字通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電子非電子（機(jī)械、機(jī)電）量子計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬通用專(zhuān)用GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)……計(jì)算發(fā)展史——電子計(jì)算機(jī)阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī)（Atanasoff-BerryComputer，簡(jiǎn)稱(chēng)ABC）1939年，愛(ài)荷華州立大學(xué)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī))1945年，賓夕法尼亞大學(xué)關(guān)于ENIAC1946年2月15日，由美國(guó)夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)家約翰·莫克利（JohnMauchly）和工程師普雷斯伯·?？颂兀↗PresperEckert）領(lǐng)導(dǎo)研制成功機(jī)器中約有18800只電子管，1500個(gè)繼電器，70000只電阻及其他各類(lèi)電氣元件運(yùn)行時(shí)耗電140千瓦，8英尺高，3英尺寬，100英尺長(zhǎng)，占用長(zhǎng)度超過(guò)30米的房間，重量達(dá)30噸運(yùn)算速度：加法5000次/秒，乘法333次/秒ENIAC的典型特征采用十進(jìn)制；無(wú)存儲(chǔ)器，只有20個(gè)10位的累加器，至多只能存20個(gè)字長(zhǎng)10位的十進(jìn)制數(shù)；程序是“外插型”的，即用線路連接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式相同嗎？計(jì)算發(fā)展史——未來(lái)的計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)（quantumcomputer）生物計(jì)算機(jī)（biologicalcomputer）……電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一代（1946～1954）電子管(radiotube/electronicvalve)計(jì)算機(jī)第二代（1955～1964）晶體管(transistor)計(jì)算機(jī)第三代（1965～1973）集成電路(integratedcircuit,IC)計(jì)算機(jī)第四代（1974～現(xiàn)在）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(LSI/VLSI)計(jì)算機(jī)摩爾定律Moore’sLaw戈登·摩爾(GordonMoore)，Intel公司的創(chuàng)始人之一最早出現(xiàn)是在1965年4月19日，發(fā)表于《電子學(xué)》雜志第114頁(yè)的摩爾（時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司工程師）撰寫(xiě)的文章三個(gè)版本集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，或價(jià)格下降一半相同價(jià)格能買(mǎi)到的電腦，性能每隔18個(gè)月增加一倍摩爾定律足足保持差不多40年計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指那些能夠被程序員所看見(jiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性。計(jì)算機(jī)組成（ComputerOrganization）：計(jì)算機(jī)組成是指如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是透明的（即程序員不知道的）硬件細(xì)節(jié)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（ComputerImplementation）：指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。電子計(jì)算機(jī)的分類(lèi)電子計(jì)算機(jī)數(shù)字式通用計(jì)算機(jī)(generalpurposecomputer)巨、大、中、小、微、單板、單片……專(zhuān)用計(jì)算機(jī)(specialpurposecomputer)IOP、DSP模擬式專(zhuān)用計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)處理,DigitalSignalProcess,DSP協(xié)處理器,coprocessor圖形處理器,GraphicsProcessingUnit,GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)微型計(jì)算機(jī)發(fā)展最快的，普及最廣泛的一類(lèi)計(jì)算機(jī)以微處理芯片為代表微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的里程碑第一塊微處理器芯片Intel4004第一臺(tái)商用微型計(jì)算機(jī)Altair88001976年，SteveJobs和SteveWozniak創(chuàng)建了蘋(píng)果計(jì)算機(jī)公司1981年，IBM的PC系列/微軟的崛起/微型計(jì)算機(jī)的分類(lèi)microcomputerserverworkstationpersonalcomputerlaptoptablet……我們常用的是哪種？它們之間有什么區(qū)別嗎？SupercomputerTOP500SupercomputerSites/TheTOP500projectwasstartedin1993toprovideareliablebasisfortrackinganddetectingtrendsinhigh-performancecomputing.Twiceayear,alistofthesitesoperatingthe500mostpowerfulcomputersystemsisassembledandreleased.ThebestperformanceontheLinpackbenchmarkisusedasperformancemeasureforrankingthecomputersystems.普林斯頓結(jié)構(gòu)馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)（VonNeumannarchitecture），也稱(chēng)馮·紐曼模型（VonNeumannmodel）普林斯頓結(jié)構(gòu)（Princetonarchitecture）結(jié)果程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器結(jié)果程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器存儲(chǔ)器控制器哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)（Harvardarchitecture）是一種將程序指令儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)非馮?諾依曼計(jì)算機(jī)在馮?諾依曼體制范疇內(nèi)，對(duì)傳統(tǒng)馮?諾依曼機(jī)進(jìn)行改造流水線用多個(gè)馮?諾依曼機(jī)組成多機(jī)系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)多核心處理器多處理機(jī)系統(tǒng)從根本上改變馮?諾依曼機(jī)的控制流驅(qū)動(dòng)方式CPU(CentralProcessingUnit)GPU(GraphicsProcessingUnit)TPU(TensorProcessingUnit)NPU(NeuralnetworkProcessingUnit)BPU(BrainProcessingUnit)DPU(DeeplearningProcessingUnit)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件（子）系統(tǒng)和軟件（子）系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)的硬件：由電子、機(jī)械和光電元件等組成的各種部件和設(shè)備計(jì)算機(jī)的軟件：指安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和有關(guān)的文件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)軟件Software指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序及其文檔，程序是計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料分類(lèi)系統(tǒng)軟件：負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作應(yīng)用軟件：為了某種特定的用途而被開(kāi)發(fā)的軟件計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)保護(hù)1991年，《計(jì)算機(jī)軟件保護(hù)條例》匯編語(yǔ)言層操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層數(shù)字邏輯層高級(jí)語(yǔ)言層應(yīng)用層微體系結(jié)構(gòu)層軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)硬件和軟件的邏輯等價(jià)性硬件和軟件在邏輯上是等價(jià)的任何由軟件實(shí)現(xiàn)的操作都可直接由硬件來(lái)完成的任何由硬件實(shí)現(xiàn)的指令都可由軟件來(lái)模擬根據(jù)當(dāng)時(shí)的成本、速度、可靠性等因素來(lái)決定的，并且會(huì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍的變化而改變硬件與軟件的發(fā)展變化早期硬件成本高硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的核心問(wèn)題軟件為硬件服務(wù)，研究如何發(fā)揮硬件優(yōu)勢(shì)后期軟件開(kāi)發(fā)成本持續(xù)升高硬件設(shè)計(jì)圍繞如何對(duì)軟件的優(yōu)化提供支持操作系統(tǒng)優(yōu)化編譯器（高級(jí)語(yǔ)言）優(yōu)化主要技術(shù)與性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)(WordSize)CPU速度主頻(Cl