1计算机系统概论

第1章计算机系统概述,主要内容：（一）计算机发展历程（二）计算机系统层次结构1.计算机硬件的基本组成2.计算机软件的分类3.计算机的工作过程（三）计算机性能指标吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS。,计算机里有什么？,计算机基本组成,构成计算机的基础理论大部分已经有80年了。目前，计算机的关键部件也没有大的改变CPU运算器（DataPath）控制器存储器输入/输出（I/O）,1.1计算机的发展历程,公元前500年，中国出现算盘。1642年，年仅19岁的法国科学家BlaisePascal(1623-1662)制造出的第一台能工作的计算机器。整台机器是纯机械设备，使用手柄驱动，用齿轮传动，能完成加法和减法。程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。1945年,美籍数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。1946年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC。重约30吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。,1.1.1计算机的产生,约翰冯诺依曼,约翰冯诺依曼（JohnvonNeumann，19031957），美籍匈牙利人，1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯。冯诺依曼从小聪颖过人，兴趣广泛，读书过目不忘据说他6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈，一生掌握了七种语言。,在计算机方面，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想，促进了电子计算机的发明，鉴于冯诺依曼在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为计算机之父而在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为“博弈论之父”。在物理领域，冯诺依曼在30年代撰写的量子力学的数学基础已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。,图灵机,1937年，AlanTuring提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机的新时代。50年代，Turing提出了“智能”计算机的概念。,1912年6月23日，出生于英国伦敦。1931年-1934年，在英国剑桥大学国王学院（KingsCollege）学习。1932年-1935年，主要研究量子力学、概率论和逻辑学。1937年，主要研究可计算理论，并提出“图灵机”的构想。1936年-1938年，主要在美国普林斯顿大学做博士研究，涉及逻辑学、代数和数论等领域。1940年-1942年，作为主要参与者和贡献者之一，在破译纳粹德国通讯密码的工作上成就杰出，并成功破译了德军U-潜艇密码。1947年-1948年，主要从事计算机程序理论的研究，并同时在神经网络和人工智能领域做出开创性的理论研究。1949年，成为世界上第一位把计算机实际用于数学研究的科学家。1950年，发表论文“计算机器与智能”，为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。提出著名的“图灵测试”理论。1951年，从事生物的非线性理论研究。年仅39岁的图灵，被选为英国皇家学会会员。1954年6月7日，自杀。,Turing机特点,通用计算机：并不是保存所有问题的结果。存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放空间也是有限的。是现代计算机的鼻祖。,图灵机与冯诺依曼机,这两者的差别，更多的是：后者从一个工程的角度：（1）在逻辑表达层面上：把人所常用的操作，例如取数、存数等、加法等，封装了指令集，以方便人的表达和使用（程序的形式）；冯诺依曼机器和图灵机是等价的，也就是说：它不仅方便了，而且没有可计算性上的代价。（2）在硬件及其结构上：既然逻辑上已经把一些指令集独立出来，那么有必要设计一些物理设备来单独实现它们。这样的思想，更多的是体现冯诺依曼机的思想，也许只有在计算机学家+工程师的双重视角下才能实现。而二则的结合实现，现在有了一个鼎鼎大名的名字：计算机。,典型冯.诺依曼（VonNeumann）机结构,计算机的基本结构图,数据线路,控制信号,现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件采用二进制数据：简化了存储器只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置。,冯.诺依曼机的基本特点,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。数据以二进制码表示指令由操作码和地址码组成。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增。机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。,1.1.2电子计算机的发展简史,第一代电子管时代(1946-1958)：耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言第二代晶体管时代(1958-1965)：变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言第三代中小规模集成电路时代(1965-1970)：存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒第四代大规模集成电路时代(1971至今)：向大型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向：巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化，多核。,现代计算机的里程碑,第一台通用电子计算机ENIAC,ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,1946年2月,第一台通用电子计算机，设计用于计算火炮的弹道重30吨，占地170平方米，18800个电子管，耗电150KWPS:世界上第一台电子计算机其实是ABC(Atanasoff-BerryComputer,阿塔纳索夫-贝瑞计算机,在1937年至1941年间开发),ENIAC是第二台。,运算速度：5000次加法/秒使用十进制数20个寄存器，每个存放10位的十进制数通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程,第一台小型计算机：PDP-1,1957年由DEC公司生产第二代计算机（晶体管）18位字长，4K内存，机器周期为5微秒售价120000美元。售出50台。开创了计算机产业！,第一个系列计算机：IBM360,第三代计算机计算机应用：科学计算和商务处理如何在不同的硬件平台上运行相同的软件？系列计算机：IBM360计算机系统结构：程序员眼中的计算机。具有相同系统结构的计算机可以运行相同的程序。微程序控制器,应用的普及：IBMPC机,RISC计算机,精简指令系统计算机，例如单片机、嵌入式处理器指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成提高计算机的运行速度,提高计算机性能,提高计算机性能的方向是采用并行处理技术。近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非冯诺依曼化。表现在3个方面:,对传统冯诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水线处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如采用数据流驱动方式，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行执行。,多处理器与多核处理器,多处理器：多处理器系统是指包含两台或多台功能相近的处理器，处理器之间彼此可以交换数据，所有处理器共享内存，I/O设备，控制器，及外部设备，整个硬件系统由统一的操作系统控制，在处理器和程序之间实现作业、任务、程序、数组极其元素各级的全面并行。多处理器广泛应用于服务器领域，刀片机，例如Intel的至强处理器。,摩尔定律,晶体管数,每三年芯片集成度翻2翻。,Intel公司的缔造者之一GordonMoore提出,多处理器与多核处理器,多核处理器多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。多核技术的开发源于工程师们认识到，仅仅提高单核芯片的速度会产生过多热量且无法带来相应的性能改善。处理器的可靠性就会受到致命性的影响。就连戈登摩尔本人似乎也依稀看到了“主频为王”这条路的尽头，他曾公开表示，引领半导体市场接近40年的“摩尔定律”，在未来10年至20年内可能失效。,Inter率先提出，例如酷睿（Core）与上一代台式机处理器相比，酷睿2双核处理器在性能方面提高40%，功耗反而降低40%。,下一代计算机,Babbage：更快、更高、更强Turing：智能计算机Bush：信息网格？,1.2计算机系统层次结构,1.2.1计算机硬件组成,运算器（ArithmeticalUnit，ALU）:完成算术和逻辑运算，通常包括其中的寄存器。控制器:CPU的组成部分，它根据程序指令来指挥运算器，存储器以及I/O运行，共同完成程序功能。存储器:存放运行时程序及其所需要的数据的场所。输入:信息进入计算机的设备，如键盘、鼠标等。输出:将计算结构展示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机、扬声器等。,运算器Datapath,Memory,I/O,计算机硬件的组成框图,CPU（包括运算器和控制器）存储器ROMRAM输入/输出设备(I/O设备)总线DBDATABUSABADDRESSBUSCBCONTROLBUS,运算器和控制器CPU,存储器,输入/输出设备,地址总线,数据总线,控制总线,1.2.2计算机软件组成,没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用。没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。计算机软件按照面向对象的不同可分两类：系统软件和应用软件。系统软件：用于管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正常高效地运行，这类软件面向系统。应用软件：是面向用户，根据用户的特殊要求编制的应用程序，这类软件通常实现用户的某类要求。,计算机软件组成,计算机的语言简介,自然语言：人类相互交流信息所用的语言。,高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。,汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。,机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由二进制代码表示的指令组成）。,计算机的工作过程,冯诺依曼计算机特点基本上指出了计算机的工作过程。冯诺依曼体系结构的基本思想是：存储程序，并且按照地址顺序自动执行。首先将指令和数据存储到计算机中，计算机启动后，就能够按顺序取出指令并依次执行，直到程序执行完毕，得到计算结果为止。一条指令操作包括：取指令、分析（译码）和执行指令3个阶段,1.2.3计算机系统的层次结构,（1）层次结构。计算机系统是一个复杂的软、硬件结合体，它包含硬件系统和软件系统两部分。它通常由6个不同的级组成，在每一级都能够进行程序设计。由逻辑部件级、微程序设计级、指令系统级、操作系统级、汇编语言级和高级语言级组成，如图所示：,硬件部分,硬、软界面,软件部分,站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。,计算机系统的层次结构,计算机系统的层次结构,（2）软件和硬件逻辑上的等价性计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂的功能则通过软件实现。计算机是一个软件和硬件结合的整体系统。在机器中，许多功能既可由硬件实现，也可由软件实现。功能分配与设计目标、技术条件有关。早期主要采用硬件软化方式，即软件完成较复杂的逻辑功能，以降低硬件开销。如依靠软件实现乘、除、浮点运算等更高级一些的功能。现在存在软件硬化的趋势，即硬件完成较复杂功能，以提高系统处理速度。如浮点运算器等。,（2）软件和硬件逻辑上的等价性,软件固化：运行微程序实现较复杂功能，以提高性价比。固件：把软件刻入ROM,使软件固化，这样得到的一个实体就是固件。指令系统：是硬件与软件之间的界面。硬件的基本任务是识别与执行指令代码。所编制的程序最终需要转换成指令序列代码，进行执行，而指令系统是编程的基础。,（3）兼容性兼容性的设计思想实际上就是系列机的概念。在系列机中，新机型要求支持老机型上开发的软件；而且还有硬件上的兼容要求。兼容要求软件和硬件设备能够直接在不同的机型上使用。,1.3计算机的分类,巨型机世界几家公司生产，如最快1.4万亿次，9千个CPU组成Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I,银河II,银河III，我国神威号速度达3480亿次/秒。大型机大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，代表产品有IBM360，390，4300等。小型机它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用。典型产品有DEC-PDP11（16位），DEC-VAX系列等。工作站用于特殊的专业领域，例如图像处理和辅助设计等。典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。微型机个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉。嵌入式计算机掌上电脑、平板电脑，移动计算。,1.*计算机应用,科学计算,信息处理,家用电器,CAD/CAMCAT/CAI,自动控制,人工智能,测量测试,教育卫生,1.*计算机的发展趋势,巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算。1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。,微型化,网络化,计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源。,智能化,使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思维、逻辑推理等能力。,智能化,智能化机器人、机器狗、机器昆虫等,基本字长：指计算机内，表示一个操作数或一条指令所用的基本二进制位数。是CPU一次能处理的数据宽度，与加法器、寄存器的位数和内部数据总线的宽度等有关。字长标志着精度，字长越长，运算精度越高。影响计算机的处理能力和运行性能。通常选字节的整数倍：2、4、8倍等。主存容量：计算机主存储器所能够存储的信息的全部总量，称为主存容量。以字节数来表示存储容量的计算机称为字节编码计算机；而以字为单位编址的计算机，存储容量等于字数乘以字长。主频：每台计算机的内部都有一个不断地产生固定频率时钟脉冲的装置，称为主时钟。主时钟的频率通常是机器的主频率，主频率是衡量一台计算机速度的重要参数。,1.4计算机性能指标,计算机性能指标,运算速度：运算速度通常反映计算机运算的快慢。对运算速度的衡量有以下几种方法：根据不同类型指令在计算过程中出现的频率乘上不同的系数，求得统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速度。直接给出每条指令的实际执行时间。以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。MIPS表示每秒百万条指令，MFLOPS表示每秒百万次浮点运算。1.吞吐量、响应时间（1)吞吐量：单位时间内可执行程序的个数。（2)响应时间：从事件开始到事件结束的时间，也称执行时间。,计算机性能指标,2.主频、CPU时钟周期、CPI、CPU执行时间（1）主频：CPU工作主时钟的频率，机器主频f或Rc（2）CPU时钟周期：机器主频的倒数，Tc（3）CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期（4）CPU执行时间：TCPU=InCPITcIn执行程序中指令的总数，CPI执行每条指令所需的平均时钟周期数，TC时钟周期时间的长度。,计算机性能指标,3.MIPS、MFLOPS（1）MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：CPU每秒钟平均执行的整数指令条数(百万条)MIPS=In/(TCPU106)=In/(InCPITc106)=Rc/(CPI106)In：执行该程序的总指令数，TCPU：执行该程序的总时间，CPI：每条指令占用的时钟周期数；Tc：CPU时钟周期，Rc：主频Rc=1/TcMIPS只适合评价标量机，不适合评价向量机。标量机执行一条指令，得到一个运行结果。而向量机执行一条指令，可以得到多个运算结果。,计算机性能指标,（2）MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)：每秒钟平均执行的浮点数的运算次数(百万次)MFLOPS=Ifn/(TCPU106)Ifn：程序中浮点数的运算次数MFLOPS测量单位比较适合于衡量向量机的性能。一般而言，同一程序运行在不同的计算机上时往往会执行不同数量的指令数，但所执行的浮点数个数常常是相同的。,2011年10月14日国际TOP500组织公布,典型题解,单项选择题：1、完整的计算机系统应包括（）。A.运算器、存储器、控制器B.外部设备和主机C.主机和实用程序D.配套的硬件设备和软件系统答案：D2、至今为止，计算机中的所有信息仍以二进制方式表示的理由是（）。A.节约元件B.运算速度快C.物理器件的性能决定D.信息处理方便答案：C3、从器件角度看，计算机经历了四代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于（）型计算机。A.并