計(jì)算機(jī)組成原理(緒論、第一章-new1).ppt

主講人 宋宜斌 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理 前言 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 軟件工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一 從課程地位來(lái)說(shuō) 它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用 本課程以單處理機(jī)作為主要對(duì)象 研究和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)原理 課程內(nèi)容具有知識(shí)面廣 內(nèi)容多 概念強(qiáng) 更新快等特點(diǎn) 本課程選用白中英教授主編的 計(jì)算機(jī)組成原理 第四版 作為主授教材 參考書(shū) 1 計(jì)算機(jī)組成原理 唐朔飛主編 高教出版社 2000年12月2 ComputerOrganizationandArchitecture WilliamStallings主編 高教出版社 2001年8月3 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 王誠(chéng)主編 清華大學(xué)出版社 2004年1月 課程教學(xué)要求 本課程教學(xué)要求 1 掌握基本概念 學(xué)會(huì)分析方法 2 注重系統(tǒng)性學(xué)習(xí)特點(diǎn) 建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念 3 掌握合理的知識(shí)結(jié)構(gòu) 為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)本專業(yè)的后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ) 4 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合 注重能力的培養(yǎng)和對(duì)計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)知識(shí)的把握 5 盡可能地反映新技術(shù) 新動(dòng)向 以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和變化快的需要 課程教學(xué)方法 本課程教學(xué)方法 多媒體 CAI網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái) 課程主頁(yè) 實(shí)驗(yàn) 課程設(shè)計(jì) 相結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié)力求形成 理論 抽象 實(shí)現(xiàn) 三個(gè)過(guò)程相統(tǒng)一的教學(xué)體系 歡迎同學(xué)訪問(wèn)校園網(wǎng)上本課程的網(wǎng)上教學(xué)內(nèi)容 課程內(nèi)容簡(jiǎn)介 課程主要內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 課程重點(diǎn)章節(jié)內(nèi)容 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 2 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 3 內(nèi)部存儲(chǔ)器 4 指令系統(tǒng) 5 中央處理器 6 總線系統(tǒng) 7 外圍設(shè)備 8 輸入 輸出 I O 系統(tǒng) 9 操作系統(tǒng)支持 部分概念 學(xué)時(shí)安排 課程學(xué)時(shí)安排 本課程學(xué)時(shí)安排 堂內(nèi)授課學(xué)時(shí) 68學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn) 8學(xué)時(shí) 計(jì)劃進(jìn)行4個(gè)實(shí)驗(yàn) 另外 本學(xué)期末進(jìn)行課程設(shè)計(jì) 一周 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成原理仿真實(shí)驗(yàn)裝置 第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 概述計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件的基本組成 五大部件 計(jì)算機(jī)軟件的分類計(jì)算機(jī)的基本工作過(guò)程簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程了解計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)吞吐量 響應(yīng)時(shí)間 CPU時(shí)鐘周期 主頻 CPI CPU執(zhí)行時(shí)間 MIPS MFLOPS等 本章主要內(nèi)容 1 1計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用 1計(jì)算機(jī)的分類2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用 1計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類 模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī) 主要特點(diǎn) 模擬計(jì)算機(jī) 模擬運(yùn)算器件 連續(xù)變量 如 電壓 電流等 運(yùn)算過(guò)程連續(xù) 數(shù)字計(jì)算機(jī) 邏輯電子器件 開(kāi)關(guān)變量 離散的數(shù)字量 數(shù)字式按位運(yùn)算 離散式運(yùn)算 計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)分類 表1 1數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算計(jì)的主要區(qū)別 P1 本課程將以數(shù)字計(jì)算機(jī)為主要對(duì)象 討論計(jì)算機(jī)的組成原理與體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)分類 數(shù)字計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)模 速度 價(jià)格及性能等指標(biāo) 又可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī) 專用機(jī) 以快速 經(jīng)濟(jì)和高集成度為主要指標(biāo)的特殊計(jì)算機(jī) 它是針對(duì)某一任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī) 但是它的適應(yīng)性較差 通用機(jī) 適應(yīng)性較高 但是犧牲了效率 速度和經(jīng)濟(jì)性 通用計(jì)算機(jī)根據(jù)性能 價(jià)格 體積等又分六類 見(jiàn)圖所示 書(shū)P1圖1 1 計(jì)算機(jī)分類 計(jì)算機(jī)發(fā)展突飛猛進(jìn) 隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展 今天的小型機(jī)可能是明天的微型機(jī) 而今天的微型機(jī)可能是明天的單片機(jī) 2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)之所以迅速發(fā)展 其生命力在于它的廣泛應(yīng)用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會(huì)的所有領(lǐng)域 主要應(yīng)用領(lǐng)域包括 科學(xué)計(jì)算自動(dòng)控制和測(cè)量信息處理教育和衛(wèi)生家用電器人工智能 具體內(nèi)容請(qǐng)自閱書(shū)P2 6 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 重要的是 計(jì)算機(jī)深刻地影響了人類社會(huì)的發(fā)展 促進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步 從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō) 計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最杰出的科技成就之一 那么 計(jì)算機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)如何呢 馮 諾依曼思想 當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī) 應(yīng)當(dāng)具有如下基本功能 計(jì)算功能 存儲(chǔ)記憶功能 輸入輸出功能 判斷功能 自我控制與協(xié)調(diào)功能 一般包括兩個(gè)層面 硬件 軟件 1 2計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 以馮 諾依曼型計(jì)算機(jī)為分析對(duì)象 計(jì)算機(jī)的硬件 1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)基本組成 運(yùn)算器 控制器 主存儲(chǔ)器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 總線和輸入輸出接口 高速緩存 虛擬存儲(chǔ)器 磁盤(pán)設(shè)備 第二章 第五章 第三章 第六章 第七 八章 CPU 計(jì)算機(jī)的硬件 第四章 指令系統(tǒng) 第九章 教材 書(shū)P5 8 以算盤(pán)計(jì)算為例 引出馮 諾依曼式計(jì)算機(jī)的一般組成結(jié)構(gòu)為 運(yùn)算器 控制器 存儲(chǔ)器 輸入 輸出設(shè)備 計(jì)算機(jī)的硬件 當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu)仍然是以馮 諾依曼思想為架構(gòu)核心 這也是本課程學(xué)習(xí)與討論的主要路徑 CPU 主機(jī) 一般結(jié)構(gòu)有 1 以存儲(chǔ)器為核心的組成結(jié)構(gòu) 2 以處理器為核心的組成結(jié)構(gòu) 馮 諾依曼計(jì)算機(jī)硬件組成框圖 算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算 存放數(shù)據(jù)和程序 將信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式 將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式 指揮程序運(yùn)行 以處理器為核心 各硬件部分的主要功能與特點(diǎn) 1 運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU 能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算 還可進(jìn)行邏輯運(yùn)算 運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)CAI演示 采用二進(jìn)制模式 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡(jiǎn)單 在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn) 如 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越多 計(jì)算的精度就越高 當(dāng)然 所需的電子器件也越多 目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度一般是8位 16位 32位或64位 具體內(nèi)容將在第二章中詳細(xì)討論 2 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器的功能 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)碼化后的程序 存儲(chǔ)器包括如下名詞概念 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)觸發(fā)器 組成一個(gè)存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù) 通常用單位 KB MB GB 等表示 如 128KB 64MB 20GB等 存儲(chǔ)容量越大 表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息的能力就越大 地址 存儲(chǔ)器中各個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào) 稱為地址 CAI演示 計(jì)算機(jī)的硬件 二進(jìn)制數(shù) 內(nèi)存儲(chǔ)器 主存 存放直接為CPU提供數(shù)據(jù)與程序服務(wù)的存儲(chǔ)器 其特點(diǎn)為 工作速度較快 但是其存儲(chǔ)容量比外存小 外存儲(chǔ)器 輔存 存儲(chǔ)容量很大的輔助存儲(chǔ)器 其主要特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大 價(jià)格便宜 但是工作速度較慢 內(nèi)存儲(chǔ)器的具體內(nèi)容將在第三章中詳細(xì)討論 存儲(chǔ)器類別有 3 控制器 計(jì)算機(jī)的硬件 控制器是計(jì)算機(jī)中控制各部件有條不紊地進(jìn)行工作的器件 其任務(wù) 從內(nèi)存中逐條取出的指令并加以分析 然后依次向有關(guān)部件發(fā)出操作命令 以實(shí)現(xiàn)各指令的功能 通常 取出指令的所需時(shí)間叫做 取指周期執(zhí)行指令的所段時(shí)間叫做 執(zhí)行周期而這兩個(gè)周期之和 稱為該指令的指令周期 名詞與基本概念 1 計(jì)算程序計(jì)算機(jī)求解任何問(wèn)題 都是化成一步一步簡(jiǎn)單的加 減 乘 除等算術(shù)或邏輯基本操作來(lái)做 每一步基本操作就用一條指令來(lái)控制實(shí)現(xiàn) 而解算某一問(wèn)題的一串指令序列 叫做該問(wèn)題的計(jì)算程序 簡(jiǎn)稱為程序 書(shū)P5 6給出的一個(gè)簡(jiǎn)單運(yùn)算程序例子 2 指令的形式每條指令必須明確告訴控制器 從何處取出操作數(shù) 并進(jìn)行何種操作 操作結(jié)果送到何處 等等 指令基本格式 操作碼 地址碼 操作碼功能 表示指令所要進(jìn)行的操作 如加 減 乘 除 移位 取數(shù) 存數(shù) 等等 地址碼功能 表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從哪個(gè)單元取 運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元 等等 注意到 存儲(chǔ)器中保存的數(shù)據(jù)或指令 程序 都是二進(jìn)制形式的數(shù)碼 CAI演示 名詞與基本概念 3 馮 諾伊曼型計(jì)算機(jī)的工作特征馮 諾伊曼型計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)總是根據(jù)事先編制好并放在存儲(chǔ)器中的計(jì)算程序 即 存儲(chǔ)程序 依次執(zhí)行程序的指令 進(jìn)而完成所對(duì)應(yīng)的任務(wù) 所以說(shuō) 存儲(chǔ)程序控制 馮 諾伊曼型計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn) 4 指令字和數(shù)據(jù)字計(jì)算機(jī)中的 字 指一串由0和1 二進(jìn)制 數(shù)字組成的代碼 一位 bit 代碼是數(shù)字計(jì)算機(jī)的最小信息單位 通常 CPU向存儲(chǔ)器存入或取出信息時(shí) 以字節(jié) B 或字 W 為基本信息單位 字節(jié) 一個(gè) 字節(jié) 由8位二進(jìn)制代碼組成 字長(zhǎng) 一個(gè) 字 一般由一個(gè)或多個(gè)字節(jié)組成 通常把組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)叫做字長(zhǎng) 計(jì)算機(jī)字既可以代表指令 也可以代表數(shù)據(jù) 代表數(shù)據(jù)的稱為數(shù)據(jù)字 表示指令的稱為指令字 名詞與基本概念 問(wèn)題 所有指令和數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制數(shù)碼形式放在內(nèi)存中 那么 計(jì)算機(jī)如何來(lái)加以區(qū)分呢 計(jì)算機(jī)對(duì)指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分 一般來(lái)講 1 時(shí)間上 在取指周期中 CPU從內(nèi)存讀出的信息一定是指令 而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ菙?shù)據(jù) 2 空間上 指令一定流向控制器 而數(shù)據(jù)則是在內(nèi)存 或寄存器 與運(yùn)算器之間流動(dòng) 指令周期分為 取指周期 執(zhí)行周期 11 馮諾依曼計(jì)算機(jī)中指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制形式存放在存儲(chǔ)器中 CPU區(qū)分它們的依據(jù)是 A 指令操作碼的譯碼結(jié)果B 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式C 指令周期的不同階段D 指令和數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)單元 例 2009年考研題 答案 C考點(diǎn) 馮諾依曼思想的基本概念 指令流與數(shù)據(jù)流 當(dāng)一個(gè)取指周期內(nèi)同時(shí)從內(nèi)存取出多條指令時(shí) 即向控制器送出 指令流 當(dāng)在一個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí) 則形成所謂的 數(shù)據(jù)流 這種概念常出現(xiàn)在流水線結(jié)構(gòu)或分布式處理計(jì)算機(jī)的分析與討論中 適配器與輸入設(shè)備 4 輸入輸出 I O 設(shè)備與適配器I O設(shè)備 通常又統(tǒng)稱為外圍設(shè)備 完成計(jì)算機(jī)與用戶或外設(shè)之間的信息轉(zhuǎn)換 由于種類繁多且速度各異 因而 I O設(shè)備一般不能直接地同高速工作的主機(jī)相連接 而需要通過(guò)適配器 接口 部件與主機(jī)相連接 總線的概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線 系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息鏈接 是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路 借助于系統(tǒng)總線 計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間可以實(shí)現(xiàn)地址 數(shù)據(jù)和控制信息的傳送操作 1 3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)模型是1932年由英國(guó)的數(shù)學(xué)家圖靈 Turing 提出來(lái)的 圖靈提出的是一個(gè)數(shù)學(xué)模型 它具有如圖所示的結(jié)構(gòu) 確定型圖靈機(jī) 1932 有窮狀態(tài)集 有窮符號(hào)集 轉(zhuǎn)移函數(shù)F F Q P Q P 0 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展 1946年美國(guó)ENIAC 用手工搬動(dòng)開(kāi)關(guān)和拔插電纜來(lái)編程 世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC 1946 1955年退役 硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響 可見(jiàn) 20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了晶體管 60年代和70年代以后的微電子技術(shù)的發(fā)展 是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)生重大變革的重要基礎(chǔ) 20世紀(jì)70年代以后 微電子芯片的集成度每18個(gè)月就翻一番 這就是著名的莫爾定律 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 比如1971年Intel的4004微處理器剛剛出現(xiàn)時(shí) 在一個(gè)芯片中集成了2300個(gè)晶體管 到發(fā)展到90年代的奔騰 Pentium 機(jī) 一個(gè)芯片里就含有600萬(wàn)個(gè)晶體管 在短短的20幾年里 晶體管數(shù)提高了將近3千倍 現(xiàn)代微電子芯片 一個(gè)芯片里則已含有1000萬(wàn)個(gè)晶體管以上 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器發(fā)展來(lái)看 存儲(chǔ)器的容量提高的速度更快 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1971年的內(nèi)存儲(chǔ)器才是1KB 信息單位 到了1994年就變成了64MB 提高了六萬(wàn)倍 到90年代末 集成度109 也就是進(jìn)入所謂 G G 千兆 芯片年代 它的密度差不多達(dá)到人腦中神經(jīng)元密度水平 人腦是由1010 1011個(gè)神經(jīng)細(xì)胞組成的 100億個(gè) 但是須指出的 CMOS元件的開(kāi)關(guān)速度比人腦神經(jīng)元的傳輸速度要快108 當(dāng)其密度可以同人腦神經(jīng)元相當(dāng)時(shí) 可以想象計(jì)算機(jī)蘊(yùn)藏著何等強(qiáng)大的功能 所以過(guò)去一臺(tái)大型計(jì)算機(jī) 現(xiàn)在就可以變成臺(tái)式機(jī) 掌上機(jī) 象筆記本一樣大 另外 利用嵌入式技術(shù) 可以實(shí)現(xiàn)非常小的嵌入式計(jì)算機(jī)芯片 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也是突飛猛進(jìn)地發(fā)展 中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展年譜 中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展年譜型號(hào) 峰值 面世時(shí)間每秒運(yùn)算速度銀河 1983年1億次曙光一號(hào)1992年6 4億次銀河 1994年10億次銀河 1997年130億次神威 1999年3840億次深騰18002002年1萬(wàn)億 1T 次曙光4000A2004年11萬(wàn)億次神威3000A2007年18萬(wàn)億次深騰70002008年106 5萬(wàn)億次曙光 5000A2008年230萬(wàn)億次天河 I2009年1000萬(wàn)億次新排名 全球第三 天河一號(hào) 計(jì)算一天 需要一臺(tái)配置Intel雙核CPU 主頻為2 5GHz的微機(jī)計(jì)算160年 能夠?yàn)槿珖?guó)每人儲(chǔ)存一張大小接近1MB的照片 2010年 天河一號(hào) 的改進(jìn)機(jī) 天河二號(hào) 實(shí)測(cè)運(yùn)算速度可達(dá)每秒2570萬(wàn)億次 2570TFLOPS 超過(guò)此前排名第一的 美洲虎 超級(jí)計(jì)算機(jī) 美國(guó) 每秒1750萬(wàn)億次 2011年 日本 京 KComputer 超級(jí)機(jī)器以每秒10千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算 1萬(wàn)TFLOPS 成為世界第一 美國(guó)則正在研制每秒20千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算 2萬(wàn)TFLOPS 的超級(jí)機(jī)器 預(yù)計(jì)今年投入使用 然而 經(jīng)過(guò)近70年的快速發(fā)展 目前的主流計(jì)算機(jī)仍然采用 馮 諾依曼 結(jié)構(gòu)和圖靈式數(shù)學(xué)模型 存儲(chǔ)程序 結(jié)構(gòu) 即 按地址讀出存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù) 并依次加以執(zhí)行或計(jì)算 任務(wù)須首先編制成程序和數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 處理器依次處理指令 最終完成任務(wù) 原因在于 計(jì)算機(jī)本身的性能得到飛速發(fā)展 這種性能上的變化可以概括為 從4K到4G的變化 即 運(yùn)算速度 1K 1Gbits sec存儲(chǔ)密度 1K 1Gbits inch傳輸速度 1K 1Gbits sec計(jì)算機(jī)數(shù)量 0 1K 0 1G臺(tái) 數(shù)百臺(tái) 數(shù)億臺(tái) 人們預(yù)計(jì)到21世紀(jì) 計(jì)算機(jī)的性能將實(shí)現(xiàn)從4G到4個(gè) T 的變化 1T 1 000G T 的中文譯為 太 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從20世紀(jì)40年代到現(xiàn)在 主流計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)原理并沒(méi)有發(fā)生大的變化 那么計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為什么會(huì)發(fā)生如此大的變化呢 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì) 三網(wǎng)合一 將進(jìn)入以通信為中心的共享體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)從數(shù)值計(jì)算為主過(guò)渡到知識(shí)推理為主 從而使計(jì)算機(jī)進(jìn)入了知識(shí)處理階段 非諾伊曼型結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)研究日趨成熟 如 生物計(jì)算機(jī) 神經(jīng)元計(jì)算機(jī) 量子計(jì)算機(jī)等 是指電信網(wǎng) 廣播電視網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)的寬帶與數(shù)據(jù)的融合 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì) 不僅用多處理機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算機(jī) 而且會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 如 多內(nèi)核計(jì)算機(jī)技術(shù)等 在微處理器 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)融合等方面引起一次重大變革 如 智能服務(wù) 網(wǎng)格技術(shù) 云計(jì)算等 1 4計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu) 包括 軟件的組成和分類軟件的發(fā)展歷程 計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu) 1 4 1軟件的組成和分類 軟件 計(jì)算機(jī)中的各種程序 統(tǒng)稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件或軟件系統(tǒng) 軟件類別 系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序 軟件的組成和分類 系統(tǒng)程序 用來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)化使用方法 提高計(jì)算機(jī)的使用效率 發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途的軟件 應(yīng)用程序 用戶利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決某些問(wèn)題所編制的程序 隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用 這類程序的種類越來(lái)越多 1 4 2軟件的發(fā)展歷程 以系統(tǒng)程序?yàn)槔?簡(jiǎn)要說(shuō)明軟件的發(fā)展演變過(guò)程 1 機(jī)器語(yǔ)言程序直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程序 早期手編 這種程序運(yùn)行速度最快 2 匯編程序用一些約定的文字 符號(hào)和數(shù)字按規(guī)定的格式來(lái)表示各種不同的指令 然后再用這些特殊符號(hào)表示的指令來(lái)編寫(xiě)程序 這就是所謂的匯編語(yǔ)言 需要熟悉機(jī)器語(yǔ)言格式 軟件的發(fā)展和演變 二進(jìn)制代碼語(yǔ)言 3 源程序?yàn)榱诉M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流 使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī) 人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語(yǔ)言的算法語(yǔ)言 算法語(yǔ)言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則 比較接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言 直觀通用 與具體機(jī)器無(wú)關(guān) 只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握 便于推廣使用計(jì)算機(jī) 如 C C JAVA Delphi等 源程序 用算法語(yǔ)言編寫(xiě)的程序稱為源程序 注意到 這種源程序是不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行的 必須把源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言 通常采用編譯系統(tǒng)法或解釋系統(tǒng)法來(lái)完成轉(zhuǎn)換 編譯系統(tǒng)法 計(jì)算機(jī)配置一套用機(jī)器語(yǔ)言寫(xiě)的編譯程序 它把源程序翻譯成目的程序 然后由機(jī)器去執(zhí)行 但由于目的程序一般不能獨(dú)立運(yùn)行 還需要一種叫做運(yùn)行系統(tǒng)的輔助軟件來(lái)幫助 通常 把 編譯程序 運(yùn)行系統(tǒng) 稱為編譯系統(tǒng) 解釋系統(tǒng)法 源程序通過(guò)所謂的解釋系統(tǒng)進(jìn)行解釋執(zhí)行 特點(diǎn)是對(duì)源程序的語(yǔ)句直接邊解釋 邊執(zhí)行語(yǔ)句 進(jìn)而逐步得出計(jì)算結(jié)果 它不是先編出目的程序后再執(zhí)行 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 見(jiàn)教材P13 操作系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)資源管理軟件 專用來(lái)管理計(jì)算機(jī)資源和自動(dòng)調(diào)度用戶的作業(yè)程序 解決人 機(jī)之間的不協(xié)調(diào) 充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源的效率 甚至可使多個(gè)用戶或多個(gè)任務(wù)能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 進(jìn)而大大提高計(jì)算機(jī)的工作效率 管家 無(wú)操作系統(tǒng)的機(jī)器通常被稱作 裸機(jī) 操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng) 分時(shí)操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)在信息處理 情報(bào)檢索及各種管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展 要求大量處理某些數(shù)據(jù) 建立和檢索大量的表格 所謂數(shù)據(jù)庫(kù)就是實(shí)現(xiàn)有組織地 動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)或查詢大量相關(guān)數(shù)據(jù) 方便多用戶訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)軟 硬件資源組成的系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件一起 組成了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展 軟件設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷豐富和完善 1 5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的基本模式 1 5 1多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由硬件 固件和軟件組成的復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 其層次結(jié)構(gòu)示意圖 見(jiàn)書(shū)P14圖1 7及CAI演示 各級(jí)結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn) 書(shū)P14 多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 應(yīng)用語(yǔ)言級(jí) 高級(jí)語(yǔ)言級(jí) 匯編語(yǔ)言級(jí) 操作系統(tǒng)級(jí) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) 微程序機(jī)器級(jí) 硬件邏輯電路 應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件 翻譯 編譯程序 翻譯 編譯程序 軟硬件界面 物理機(jī) 硬件 解釋 翻譯 匯編程序 虛擬機(jī) 軟件 硬件 固件 0級(jí) 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 翻譯 應(yīng)用程序包 1 5 2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性 軟件的特點(diǎn)易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和復(fù)雜運(yùn)算功能 但是常受到速度指標(biāo)和軟件容量的制約 硬件的特點(diǎn)可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能 但是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能或計(jì)算 受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性 各類容量大 價(jià)格低 體積小 可以改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器提供了軟件固化的良好手段 現(xiàn)在已經(jīng)可以把許多復(fù)雜的 常用的程序制作成所謂固件 就它的功能來(lái)說(shuō) 是軟件 但從形態(tài)來(lái)說(shuō) 又是硬件 即 軟件與硬件的界限已日趨模糊 邏輯等價(jià)性 因此 本來(lái)通過(guò)軟件手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的某種功能 現(xiàn)在可以通過(guò)硬件 固件 來(lái)直接解釋執(zhí)行 進(jìn)一步的發(fā)展 就是設(shè)計(jì)所謂面向高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī) 這樣的計(jì)算機(jī) 可以通過(guò)硬件直接解釋執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句 而不需要先經(jīng)過(guò)編譯程序的處理 傳統(tǒng)的軟件部分 今后完全有可能 固化 甚至 硬化 這將大大提高計(jì)算機(jī)的處理速度 1 5 3三個(gè)常用術(shù)語(yǔ)的物理概念 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) Computerarchitecture 定義為 程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性 包括 概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性 這些屬性主要包括 數(shù)據(jù)表示 尋址規(guī)則 寄存器定義 指令集 終端系統(tǒng) 存儲(chǔ)系統(tǒng) 信息保護(hù) I O結(jié)構(gòu)等 通俗地說(shuō) 這臺(tái)計(jì)算機(jī)有無(wú)乘法指令 等等 概念結(jié)構(gòu)與功能屬性 計(jì)算機(jī)組織 Computerorganization 也稱計(jì)算機(jī)組成 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性 即 具體指令的實(shí)現(xiàn)方法 包括機(jī)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等 它著眼于實(shí)體機(jī)器內(nèi)部各事件的排序方式與控制方式 各部件的功能以及各部件的聯(lián)系等 通俗地說(shuō) 這臺(tái)計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)乘法功能 等等 邏輯結(jié)構(gòu)與控制屬性 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) Computerimplementation 指的是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn) 包括處理機(jī) 主存等部件的物理結(jié)構(gòu) 器件的集成度和速度 模塊 插件 底板的劃分與連接 信號(hào)傳輸 電源 冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等具體實(shí)現(xiàn)方法 物理結(jié)構(gòu)屬性 相互之間的關(guān)系 1 具有相同體系結(jié)構(gòu) 如指令系統(tǒng)相同 的計(jì)算機(jī) 因?yàn)樗俣纫蟛煌纫蛩?例如 對(duì)指令流的處理可以按順序方式進(jìn)行 也可以按重疊方式進(jìn)行 以提高處理速度 即 可以采用不同的計(jì)算機(jī)組成 2 一種計(jì)算機(jī)組成可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法 例如 主存器件可以采用SRAM芯片 也可以采用DRAM芯片 可以采用大規(guī)模集成電路單個(gè)芯片 也可以采用中小規(guī)模集成電路進(jìn)行構(gòu)建 顯然 這取決于性能 價(jià)格比的要求與器件技術(shù)的現(xiàn)狀 可見(jiàn) 結(jié)構(gòu) 組成 實(shí)現(xiàn)三者之間有著緊密的關(guān)系 1 5 4計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本類型 從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的并行性能出發(fā) 按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式 通常把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為以下四類 1 單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD 2 單指令流多數(shù)據(jù)流 SIMD 3 多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD 4 多指令流多數(shù)據(jù)流 MIMD 其中 SISD是傳統(tǒng)的單處理計(jì)算機(jī) SIMD以向量處理機(jī)為代表 MISD沒(méi)有實(shí)際計(jì)算機(jī) 不使用 MIMD的代表是多處理機(jī)和機(jī)群系統(tǒng) 1 5 5計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 教材P5 吞吐量表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量 響應(yīng)時(shí)間表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量 用時(shí)間單位來(lái)度量 例如微秒 10 6s 納秒 10 9s 利用率表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi) 系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率 一般用百分比表示 處理機(jī)字長(zhǎng)指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù) 當(dāng)前處理機(jī)的字長(zhǎng)有16位 32位 64位 字長(zhǎng)越長(zhǎng) 表示計(jì)算的精度越高 總線寬度一般指CPU中運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù) 存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目 通常用KB MB GB TB來(lái)表示 其中 K 210 M 220 G 230 T