中国海洋大学计算机组成原理课件(第1章)

1、For Students of Lab 2010(Computer Organization Principles)主讲教师主讲教师 蒋永国蒋永国() ( (信息学院南楼信息学院南楼, ,B313室室) )实验教师实验教师 徐惠敏徐惠敏() 计算机硬件系统组成(章节分配)运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备 总线和总线和I/O接口接口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)第一部分第一部分(2,3章章)第二第二部分部分(5,6章章)第三第三部分部分(4,7,8章章)第四部分第四部分(9,10章章)第1章 计算机系统概论(目录部分)1.

2、1 计算机的语言计算机的语言 1.2 计算机的硬件计算机的硬件1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.4 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史1.5 计算机的应用计算机的应用1.6 计算机网络计算机网络1.7 习题与作业习题与作业第1章 计算机系统概论(计算机的语言)机器语言、汇编语言汇编语言、高级语言第1章 计算机系统概论(计算机的语言)：人类相互交流信息所用的语言。高级语言高级语言：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 。 BASIC, PASCAL, C , JAVA.机器语言机器语言：由二进制代码表示的组成，计算机能直接执行的语言，这种语

3、言被称为机器语言. 1000101111000011汇编语言汇编语言：符号式(助记符mnemonic symbol）程序设计语言。 MOV AX , BX第1章 计算机系统概论(计算机的语言)第1章 计算机系统概论(计算机的语言)1、指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。2、指令格式指令格式操作码 地址码机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）3、工作原理工作原理 不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。例如：ADD AX,BX语句：LET d = b*b - 4*a*c： 1. MUL B B ; b2 送B 2. M

4、UL A E ; 4a 送入A 3. MUL A C ;4ac 送A 4. SUB B A ;b2 4ac送B 5. MOV D B ; b2 4ac从B 送到D A a B b C c D d E 4： n MUL n+7 n+7 ; b2 送B n+1 MUL n+6 n+10 ; 4a 送入A n+2 MUL n+6 n+8 ;4ac 送A n+3 SUB n+7 n+6 ;b2 4ac送B n+4 MOV n+9 n+7 ; b2 4ac从B 送到D n+5 HLT ;停机指令 n+6 a n+7 b n+8 c n+9 d n+10 4计算机的计算机的是指构成计算机的所有物理部件的集

5、合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等物理部件组成第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)运算运算 存储（记录）存储（记录） 控制（协调）控制（协调）CPU(CPU(中央处理器中央处理器) )第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)地址总线数据总线控制总线 组成计算机的基本部件有中央处理器中央处理器CPU（运算器运算器和控制器控制器）、存储器存储器和输入输入、输出设备输出设备。运算控制部件（CPU)输入/输出输入/输出地址总线AB数据总线DB控制总线CB 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)图1.1 以总线连接的计算机框图第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)单向总线单向总线双向总线

6、双向总线传送方向传送方向数据总线数据总线控制总线控制总线信息种类信息种类地址总线地址总线单总线单总线三总线三总线总线数目总线数目双总线双总线内总线内总线外总线外总线物理位置物理位置单向总线单向总线双向总线双向总线传送方式传送方式芯片级总线芯片级总线:接口总线接口总线:三个层次三个层次系统总线系统总线:一个功能部件内部的总线，一个功能部件内部的总线，CPU内内 单机系统各功能部件间的总线单机系统各功能部件间的总线 连接不同系统的总线连接不同系统的总线 第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)优点：简单，对总线传输速率要求低优点：简单，对总线传输速率要求低 缺点：缺点：I/O设备与内存交换信息需

7、经设备与内存交换信息需经CPU，CPU效率低效率低第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)优点：设备扩充、增删方便、灵活优点：设备扩充、增删方便、灵活缺点：缺点：分时使用总线分时使用总线第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担缺点：缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂硬件成本高，总线控制逻辑复杂 第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件) 按相对于按相对于CPU或其它芯片的位置可分为或其它芯片的位置可分为 片内总线片内总线: 在在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传

8、输数据所用的总线。与控制部件之间传输数据所用的总线。 片外总线片外总线:是是CPU与内存与内存RAM、ROM和输入和输入/输出设备输出设备接口之间进行通讯的通路。接口之间进行通讯的通路。按按总线的功能总线的功能可分为可分为 地址总线地址总线(ABus), 数据总线数据总线(DBus), 控制总线控制总线(CBus)按按总线的层次结构总线的层次结构可分为可分为 CPU总线总线:包括地址线包括地址线(CAB)、数据线、数据线(CDB)和控制线和控制线(CCB)，它用来连接，它用来连接CPU和控制芯片。和控制芯片。 存贮总线存贮总线:包括地址线包括地址线(MAB)、数据线、数据线(MDB)和控制线和

9、控制线(MCB)，用来连接存储控制器和，用来连接存储控制器和DRAM。 系统总线系统总线: 也称为也称为I/O通道总线，包括地址线通道总线，包括地址线(SAB)、数据、数据线线(SDB)和控制线和控制线(SCB)，用来与扩充插槽上的各扩充板卡相，用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。 外部总线：外部总线： 用来连接外设控制芯片，如主机板上的用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控控制器和键盘控制器。包括地址线制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线、数据线(XDB)和控和控制线制线(XCB)。第1章 计算机

10、系统概论概论(计算机的硬件) CPU总线、存储总线、外部总线总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采在系统板上，不同的系统采用不同的芯片集。这些总线不完全相同，也不存在互换性问用不同的芯片集。这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。题。 系统总线系统总线是与是与I/O扩充插槽相连的，扩充插槽相连的，I/O插槽中可插入各式各插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。 我们要讨论的总线就是系统总线，各种总线标

11、准也主要是指我们要讨论的总线就是系统总线，各种总线标准也主要是指系统总线的标准系统总线的标准(PC机上的系统总线又可分为机上的系统总线又可分为ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多种标准等多种标准)。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)按总线在微机系统中的位置可分为：按总线在微机系统中的位置可分为： 机内总线机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。上面介绍的各类都是机内总线。 机外总线机外总线(Peripheral Bus 外设总线外设总线):指与外部设备接口的指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。总线，实际上是一种外设的接口标准。目前目前PC机上流行的接口标准：机上

12、流行的接口标准：IDE、SCSI、USB和和IEEE1394，前两种主要是与硬盘、光驱等，前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)(5)局部总线局部总线 在以在以Windows为代表的图形用户接口为代表的图形用户接口(GUI)进入进入PC机之机之后，要求有高速的图形描绘能力和后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。处理能力。 这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外

13、设的速度已有了很大的提高，如提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的总线的速度应为外设速度的35倍。倍。 因此原有的因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。个系统的主要瓶颈。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)(5)局部总线局部总线 局部总线是局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数

14、据体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶的瓶颈，使高性能颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。的功能得以充分发挥。 从结构上看，所谓局部总线是在从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和总线和CPU总线之间增总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。总线相匹配。 局部总线可分为三种：局部总线可分为三种： 专用局部总线专用局部总线:如如NEC、Dell、H

15、P等等,为自己系统开发的专为自己系统开发的专用总线用总线,用于图形处理、网络传输等用于图形处理、网络传输等.它们是非标准的它们是非标准的,不能通用，不能通用，也不被广大兼容机采用。也不被广大兼容机采用。 VL 总线总线(VESA Local Bus) PCI 总线总线 VL 总线和总线和PCI 总线都是通用总线，但总线都是通用总线，但VL 总线只是适用总线只是适用于于486的一种过渡标准，目前已经淘汰。的一种过渡标准，目前已经淘汰。586以上档次的微机以上档次的微机普遍采用普遍采用PCI 总线。总线。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件) 微处理器微处理器主流厂家 大型机IBM、SUN 微

16、机 嵌入式ARM、MIPS 中国芯：龙芯lMIPS公司公司: Microprocessor without interlocked piped stageslARM公司公司: Advanced RISC Machine 微处理器微处理器微处理器的发展微处理器的发展 ( (机械时代机械时代) )第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处

17、理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展( (进入机电时代进入机电时代) )第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)”晶体管之父”的肖克利（W.Shockley）博士诺宜斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Ho

18、erni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）仙童半导体公司FairChild集成电路之父杰克基尔比微处理器的发展微处理器的发展-英特尔英特尔Intel(Integrated/Electronics) 的元老的元老第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)摩尔摩尔诺宜斯诺宜斯 葛洛夫葛洛夫Intel微处理器发展历史微处理器发展历史4004第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1971年11月Intel面世了微处理器4004。n 这款芯片的架构为4bit。 n 4004 是英特尔推出的第一款微处理器。n 这一突破性的发明最先应用于 Busicom

19、 计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。n 晶体管数量：2,300n 速度：108 KHzn Intel的第一款微处理器是给日本人做计算器用的Intel微处理器发展历史微处理器发展历史8008 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1972 年：8008 微处理器诞生n 8008 的性能是 4004 的两倍。1974 年，Radio Electronics发表的一篇文章指出一款名为 Mark-8 的设备采用了 8008。n Mark-8 是第一批家用计算机之一，而以今天的标准来看该产品很难进行构建、维护和操作。n 晶体管数量： 3,500n 速度：200 KHzIntel微处

20、理器发展历史微处理器发展历史8080 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1974 年：8080 微处理器n 8080 有幸成为了第一款个人计算机 Altair 的大脑。n Altair 这个名称是源星际旅行电视节目中一个星际飞行计划（Starship Enterprise）的目的地名称。计算机爱好者花费 395 美元即可购得 Altair 套件。数月内，Altair 的销售量达到数万台，造成了电脑销售历史上第一次缺货现象。n 晶体管数量： 6,000n 速度：2 MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史808*第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1978 年：8086-8

21、088 微处理器n 英特尔成功将 8088 销售给 IBM全新的个人计算机部门，使得 8088 成为了 IBM 全新热销产品-IBM PC 的大脑。8088 的大获成功使英特尔顺利跻身财富 500 强之列，财富杂志将该公司评为“七十大商业奇迹之一（Business Triumphs of the Seventies）”。n 晶体管数量： 29,000n 速度：5 MHz,8 MHz,10 MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史286第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1982 年：286 微处理器n 286 也称为 80286，是英特尔第一款具有完全兼容性的处理器，即可以运行所

22、有针对其前代处理器编写的软件。这一软件兼容性也成为了英特尔处理器家族一个恒久不变的特点。该产品发布后的 6 年内，全世界基于 286 处理器的个人计算机便达到了大约 1,500 万台。n 晶体管数量： 134,000n 速度：6 MHz、8 MHz、10 MHz、12.5 MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史386第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1985 年：英特尔 386 微处理器n 英特尔 386 微处理器采用 275,000个晶体管约是最初的 4004 处理器的 100 多倍。它是一个 32 位的“多任务”芯片即可以同时运行多个程序。n 每秒可以处理500万条指令，

23、并 且可以运行所有流行的操作系统包括Windows* n 晶体管数量：275,000n 速度：16MHz、20MHz、25MHz、33MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史486第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1989 年： 英特尔 486 DX CPU 微处理器n 下一代处理器英特尔 486 处理器真正意味着您从命令形式的进入到了point-and-click的计算时代。n 英特尔 486 处理器首次采用内建的数学协处理器，将负载的数学运算功能从中央处理器中分离出来，从而显著加快了计算速度。n 晶体管数量：120 万n 速度：25MHz,33MHz,50MHzIntel微

24、处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1993 年：英特尔奔腾处理器n 英特尔 奔腾处理器支持计算机更轻松的集成“现实世界”数据，如语音、声音、手写 体和图片等。n 晶体管数量：310 万n 速度：60MHz、66MHzIntel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾II第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1997 年：英特尔奔腾II 处理器n 汇集 750 万个晶体管的英特尔 奔腾 II 处理器采用了英特尔 MMX 技术。该技术专门设计用于高效处理视频、音频和图形数据。它采用创新的单边接触（S.E.C.）卡盒推出，同时还集成了高速的高速缓存内

25、存 芯片。n 晶体管数量：750 万n 速度：200MHz、233MHz、266MHz、300MHz微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)Intel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾III第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 1999 年：英特尔奔腾III处理器n 英特尔 奔腾 III 处理器采用了 70 条新指令互联网 SIMD 流指令扩展，显著增强了高级图像、3D、音频流、视频和语音识别应用的性能。n 处理器采用 0.25 微米技术制造。n 晶体管数量：950 万n 速度：650MHz 至 1.2GHzIntel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾

26、4第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 2000 年：英特尔 奔腾 4 处理器 n 处理器首次采用4,200万个晶体管和 0.18 微米的电路线。n 晶体管数量：4, 200 万n 速度：1.30、1.40、1.50、1.70、1.80n 2001 年 8 月:英特尔 奔腾 4 处理器达到 2 GHz 里程碑n 2002 年 11 月：含超线程（HT）技术的英特尔 奔腾 4处理器n 英特尔在全新英特尔 奔腾 4 处理器 3.06 GHz上推出其创新超线程（HT）技术。n 1998年英特尔发布了Pentium II Xeon处理器。n 第一代Xeon采用了同Pentium II一样的SECC

27、封装，但是使用了Slot2接口。n Xeon将处理器的二级缓存放在了处理器板上，、使用的是1MB甚至2MB的全速二级缓存（Pentium II的二级缓存是以处理器主频的二分之一工作的），而且采用的是Intel自行开发的静态缓存（其原理还是不大清楚）能够提升缓存的工作效率。n 另外提升了SMP能力，配合450NX芯片组可以支持最大8个处理器共同工作。n 另外Intel还为工作站推出了450GX芯片组，支持双至强工作和2GB ECC内存！Intel服务器级芯片服务器级芯片Xeon(至强至强)第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)Intel服务器级芯片服务器级芯片安腾安腾第1章 计算机系统概论(计算

28、机的硬件)n 2001年英特尔发布了Itanium Itanium处理器是英特尔第一款64位元的产品. 在Itanium处理器中体现了一种全新的设计思想，完全是基于平行并发计算而设计（EPIC）.n 2002年英特尔发布了Itanium 2处理器 Itanium 2处理器是以Itanium架构为基础所建立与扩充的产品，通过模拟运行可以兼容32位运算. Itanium 2具有6.4GB/sec的系统总线带宽、最高达到16MB的L3缓存。微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2005： Intel Pentium D 处理器处理器 (正式揭开了正式揭开了x86处理器多核

29、心时代处理器多核心时代 )Intel微处理器发展历史酷睿微处理器发展历史酷睿第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2006年：年： Intel Core 2 Duo 处理器处理器(其E6700 2.6GHz型号比先前推出之最强的Intel Pentium D 960 (3.6GHz)处理器，在性能方面提升了40%，省电效率也增加40%，Core 2 Duo处理器内含2.91亿颗晶体管。)n 2006 年 7 月：英特尔公司发布了十款全新酷睿 2 双核处理器和酷睿 至尊处理器n 全新处理器可实现高达 40% 的性能提升n 其能效比最出色的英特尔奔腾处理器高出 40%。n 英特尔 酷睿 2 双核处

30、理器包含 2.91 亿个晶体管。 微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2007年：年： 45纳米处理器纳米处理器(英特尔Core 2至尊四核四核处理器QX9650)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)配备配备80核微处理器的试制主板核微处理器的试制主板 位于中央的方形封装中安装了80核微处理器。封装连接2根水管，利用水冷技术冷却封装和芯片。通过连接底板部分的红、黑电源线供电。微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2009年：年： 32纳米处理器纳米处理器?微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(

31、计算机的硬件)1、 2、 3、 4、 5微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K5 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n AMD处理器被人们广泛了解是从AMD K5开始的。 n AMD K5内建430万晶体管，350nm工艺。n K5 是AMD 公司第一块自行设计的处理器，时钟频率有90MHz 、100MHz 、120MHz 等几款。n 由于推出的时间较晚，因此刚一推出就面临着被Intel 公司淘汰出局的悲惨命运命运。 AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K6-2 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 在AMD K6时

32、代最为有名的是AMD K6-2。n K6-2是相当成功的产品，主因归于低价电脑的盛行n AMD K6-2处理器采用了0.25微米五层金属工艺制造，内含930万个晶体管。n AMD K6-2的最大特色是采用了3DNow!技术。采用3DNow!技术的K62，具有单指令多数据(SIMD)性能，即用一条指令便可同时处理多个数据，明显加快了CPU的3D处理速度。K62/300的性能直逼P300，而价格却相对便宜.AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K6-2+第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 接着AMD推出了K6-2+和K6-3型处理器。这两款产品都可以看作K6-2的升级版，其中K6-3比K6-

33、2+先推出。n 这两款处理器与K6-2的区别在于二级缓存的不同。K6-2的二级缓存是建立在主板上的，并以外频速度来工作。而K6-3效仿PIII处理器，把二级缓存放进了CPU内部。 AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K7第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 接着就到了AMD K7的时代。n Duron（毒龙）处理器是K7时代的低端处理器。Duron（毒龙）的L1和L2 Cache均采用的是全速Cache，运行速度和处理器核心同速，性能和Thunderbird(雷鸟)一样强大。n Athlon XP（速龙）处理器是AMD的一款成功之作。Athlon XP（速龙）处理器与雷鸟相比较的改进在于

34、支持SSE指令集并且一级缓存中的数据TLB（转换表缓冲区）由32增加到了40个记录，数据与指令的L1和L2 TLB可以分别独立运行，而且TLB记录能够推断来预先写入。 n 随后Thoroughbred取代了Palomino核心的Athlon XP处理器。在为了应对800MHz前端总线的P4时，AMD又推出了采用512KB二级缓存，333/400MHz前端总线的Barton核心的处理器.AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K8第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n 自从K7架构取得无比辉煌的成功后，AMD就一直秘密进行着自己的下一代处理器K8的研发工作n 2003年4月22日面向高端服务器市

35、场代号Opteron的AthlonFX正式发布，紧接着在同年9月23日，代号Claw Hammer的Athlon64处理器发布，Athlon64的出现正式宣告PC走向64位运算。 n AMD为K8增加了一套通用寄存器（General-purpose Registers，简称“GPR”），使的K8的GPR数量达到16个. IBM Power系列系列第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的缩写，是 IBM 的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。n POWER 芯片起源于 801 CPU，是第二代

36、 RISC 处理器。n POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站（现在称为 eServer 和 pSeries）采用n POWER 的产品有 POWER1、POWER2、POWER3，POWER4， POWER5等。最新是POWER6.IBM Power系列系列第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器发展趋势微处理器发展趋势?n 频率瓶颈由于晶体管数量倍增，会导致硅芯片所需要的电能、耗费功率大幅提升，甚至成几何级数的增加 n 多核处理器可以解决功耗和性能比的问题目前常见2核、4核、8核、16核68核、80核、2xx核计算能力将2T

37、Flopsn 多核处理器设计包括核间通讯cache设计片内总线设计 总线-NOC（network on chip）p软件怎么利用多核尚未解决软件怎么利用多核尚未解决p操作系统操作系统n方案一:当作多处理器看待，不能发挥封装在一个核的优点n方案二:虚拟化，把多核虚拟为一核，牺牲性能n方案三:定制，重写操作系统与编译器，无产品p应用软件应用软件n计算型软件，容易并行n信息处理软件，串行的，怎么用多核p课程知识课程知识n更新快速n 双核是两个单核焊接在一起么双核是两个单核焊接在一起么n 四核是两个双核焊接在一起么四核是两个双核焊接在一起么n 处理器中其他器件怎么连接处理器中其他器件怎么连接n Int

38、el、AMD给出不同的答案给出不同的答案n 真假四核真假四核n 系统架构不固定系统架构不固定 微处理器可以针对不同的应用修改自己的体系结构 达到性能最优、功耗更低的目的n 不增加硬件开销不增加硬件开销n 又称软微处理器又称软微处理器n 在在MPSOCMPSOC中，经常有中，经常有FPGAFPGA等可重构器件等可重构器件n 全新架构，无一定规格全新架构，无一定规格n 硬件设计硬件设计重构成什么微处理器重构成什么微处理器专用微处理器核有：专用微处理器核有：XML、JAVA、压缩、加密、网络、压缩、加密、网络、多媒体多媒体n 软件设计软件设计软件架构软件架构如何运行软件如何运行软件n产业界主导的技术

39、，而非研究机构产业界主导的技术，而非研究机构 最强的研究力量都在业界 推出既是标准 竞争使得对手越来越少n Socket插座插座 安装CPU Socket 4、Socket 5、Socket 7、Socket 370(Pentium 时代的 CPU 插座从 开始,它有 273 个脚，工作电压为 5V。正是因为它的工作电压太高，所以它并没有怎么流行就被 Socket 5 取代了。Socket 4 只能支持 6066MHz 的 Pentium。)(从名字就可以看出 Socket 370 插座有 370 个管脚。在 Intel 找到了把处理器内核和 L2 缓存很便宜的做在一起的方法之后，它的 CPU

40、 插座从 Slot 回到了 Socket。Socket 370 是基于 Socket 7 的，它不过只是在插座的四边每一边加了一排管脚。首先采用 Socket 370 的是 PPGA 封装的 Celeron，接着是 FC-PGA 封装的 Pentium III 和 Celeron II。同样也有 Socket 370 到 Slot 1 的转接卡。目前 Intel 的主流 CPU 都是 Socket 370 类型的。)n Slot1 一个狭长的242引脚的插槽 Slot1、Slot 2接口标准、Slot A接口标准 运算器是一个数据加工部件，主要完成二进制算术运算及逻辑运算 电子计算机中采用二进

41、制数的原因 运算规律简单，在电子器件中比较容易实现 运算器的位数越多，计算的精度就越高，但是所费的电子器件也越多，成本就高。目前计算机的运算长度一般为8位、16位、32位或64位。第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)第1章 计算机系统概论(计算机的硬件) 控制器是计算机的决策部件，通过指令译码产生各操作控制信号，控制各部件有条不紊地工作设计目标：容量大、速度快、成本低；同时计算机还应具有响应外部突发事件的能力，控制器能在适当的时刻响应这些外部的请求，并作出处理。n将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为n控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做 存储器的功能是保存或“记忆”解

42、题的原始数据和解题步骤 设计目标：容量大、速度快、成本低为解决容量与成本的矛盾：将存储器分为内存储器和外存储器。n内存储器：由半导体存储器（RAM、ROM）构成，特点：速度快、但成本高，存放正在运行和处理的程序和数据n外存储器：由磁盘、磁带、光盘、移动存储器等构成，特点：容量大、成本低，可脱机保存信息，存放暂时不用的程序和数据第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n一组基本概念n主存储器一般由半导体器件构成，最基本的单元是一个记忆二进制数码（0或1）的记忆元件，它所记忆的是二进制信息中的一个数位（bit），称为n若干个存储元组成一个，微机中的一个存储单元通常为8 bit，存放一个“字节”(By

43、te,简称B)的二进制信息，1 Byte = 8 bit，但一个存储单元也可以是16位、32位、64位等第1章 计算机系统概论(计算机的硬件) 最小单位：位( Bit ) 基本单位：字节( Byte )，也是常用单位d0d1d2d3d4d5d6d7位字节第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)存储器容量常以字节为单位计量千字节(KB)1KB = 1024 Bytes兆字节(MB)1MB = 210 KB吉字节(GB)1GB = 210 MB太字节(TB)1TB = 210 GB第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n存储器中每个存储单元都有编号，称为。向存储器中写数或者从存储器中读数，都是按给定

44、的地址来寻找所选的存储单元。n存储器中所有存储单元的总数称为存储器的。第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n输入设备的作用是把人们熟悉的某种形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式n输出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其它机器设备所能接收和识别的信息形式nI/O接口(适配器)，相当于一个转换器，它可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息；由于不同的I/O设备在许多方面存在差异，所以适配器的种类很多，有专用的，也有通用的第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路n借助系统总线，计算机在各系统

45、部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作n系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)第1章 计算机系统概论(计算机系统的层次结构)用高级语言编写程序翻译成机器语言执行程序人工编写计算机上运行源程序source program目标程序object program输出结果outcome图1.2计算机的解题过程计算机上运行第1章 计算机系统概论(计算机系统的层次结构)虚拟机器虚拟机器M3（机器）机器）虚拟机器虚拟机器M2实际机器实际机器M1或中间语言机器：编译程序编译程序和和解释程序解释程序第一代语言第一代语言1GL2GL、 3GL 、 4GL第1章 计算机系统

46、概论(计算机系统的层次结构)第1章 计算机系统概论(计算机系统的层次结构)编译程序编译程序:将编写的源程序中全部语句翻译成机器语言将编写的源程序中全部语句翻译成机器语言程序后，再执行机器语言程序。程序后，再执行机器语言程序。解释程序解释程序:在将源程序的一条语句翻译成机器语言以后在将源程序的一条语句翻译成机器语言以后立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。它的特立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。它的特点是翻译一次只能执行一次，当第二次重复执行该点是翻译一次只能执行一次，当第二次重复执行该语句时，要重新翻译，因而效率较低。语句时，要重新翻译，因而效率较低。第1章 计算机系统概论(计算机系统的层

47、次结构)虚拟机器虚拟机器M4（高级语言机器）（高级语言机器）虚拟机器虚拟机器M3（汇编语言或中间语言机器）（汇编语言或中间语言机器）虚拟机器虚拟机器M2（语言机器）语言机器）实际机器实际机器M1（机器语言机器（机器语言机器）高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言或中间语言机器本级语言程序经编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言一般用机器语言解释操作系统语言由硬件或执行机器语言第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)第一台电子计算机第一台电子计算机（通用可编程序）（通用可编程序） 18800电子管电子管 30吨吨 150平方米平方米 140kw 5000次十进制加法次十进制加法/秒秒194

48、6年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)埃克特(右)莫克利(左)ENIACENIACENIAC：永远是光辉的起点：永远是光辉的起点uENIAC最初是为了进行弹道计算而设计的专用计算机。u1996年2月15日，在ENIAC问世50周年之际，美国副总统戈尔在宾夕法尼亚大学举行的隆重纪念仪式上，再次按动了启动电钮。戈尔在向当年参加ENIAC的研制、如今仍健在科学家发表讲话:“我谨向当年研制这台计算机的先

49、驱者们表示祝贺。” n为了改进程序的输入方式：为了改进程序的输入方式： 美国数学家冯美国数学家冯诺依曼，提出诺依曼，提出二进制二进制表达表达方式和方式和存储程序控制存储程序控制计算机构想。提出并描计算机构想。提出并描述一个计算机模型述一个计算机模型EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer,离散变量自动计算机离散变量自动计算机), 19521952年才调试成功年才调试成功. .p ENIAC的特点的特点：十进制表示十进制表示 程序用插线开关实程序用插线开关实现现第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)第1章 计算机系统概论(

50、电子计算机的发展简史)Von Neumann, EDVAC第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史) (John Von Neumann) ， 现代计算机之父，率先奠定了现代计算机的基本结构。 冯诺依曼体系结构是计算机组成原理讨论的基础，其基本设计思想就是，具有以下特点： 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这的基本功能。 采用方式，这是冯诺依曼思想的核心内容，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。 采用形式表示数据和指令。 指令由操作码和地址码组成。 指令

51、在存储器中按执行，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。 机器以，数据传送都经过运算器。 上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用冯目前为止，绝大多数计算机仍沿用冯诺依曼体系结诺依曼体系结构。构。第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)n第一台可操作的存储程序机器第一台可操作的存储程序机器-Mark-I-Mark-I 1948年，曼彻斯特大学,小型计算机样机n第一台全面的、可操作的、存储程序计算第一台全面的、可操作的、存储程序计算机机EDSACEDSAC：Electronic Dela

52、y Storage Automatic Electronic Delay Storage Automatic Calculator Calculator 19491949年，年，EDSACEDSAC开始运行开始运行19491949年年5 5月月. .英国剑桥大学英国剑桥大学(M.Wilkes),(M.Wilkes),摘取了摘取了19671967年度计算机世界最高奖年度计算机世界最高奖“ACM“ACM图灵奖图灵奖”。n第一台成功的第一台成功的商业化计算机商业化计算机，UNIVAC-IUNIVAC-I机机19511951年年由埃克特,莫克利研制成功，1952年准确预测美国总统大选。n1952195

53、2年年，IBMIBM公司推出了它的第一台机器公司推出了它的第一台机器IBM701IBM701。第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)Manchester Mark I, origin picture 第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)The EDSAC, taken shortly after its completion in May 1949第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)n英国皇家科学院院士、计算技术的先驱莫里斯 威尔克斯(Maurice Vincent Wilkes) (1967年获得第二届图灵奖)n威尔克斯在设计与建造EDSACEDSAC过程中，决不

54、是简单地模仿和照搬EDVACEDVAC的设计，而是创造和发明了许多新的技术和概念，例如“变址变址”；“宏指令宏指令”；微程序设计；子例程及子例程库；高速缓存；微程序设计；子例程及子例程库；高速缓存CacheCache等等。所有这些都对现代计算机体系结构和程序设计技术产生了深远的影响。威尔克斯的贡献是多方面的，当之无愧地成为第二届图灵奖获得者。UNIVAC I第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)IBM 701第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史) 第一代计算机(1946年1957年) 第二代计算机(1958年1964年) 第三代计算

55、机(1965年1971年) 第四代(1972年至今) 其实，电子计算机的发展是紧随着电子技术的发展而发展的。 电子技术电子技术的发展过程是：Electronic tube(电子管)Transistor(晶体管)IC(集成电路Integrating Circuit)LSI(大规模集成电路Large Scale Integration) VISI(超大规模集成电路Very Large Scale Integration)SVLSI(超大规模集成电路SuperVLSI)。 Power Supply, Console Unit, Read-Punch Unit IBM 650 小型机小型机 1954年

56、年n电子管时代电子管时代IBM 709 大型机大型机 1958年年n电子管时代电子管时代CDC6600 大型机大型机 1964年年n晶体管时代晶体管时代CDC7600 大型机大型机 1969年年n晶体管时代晶体管时代n集成电路时代集成电路时代IBM 360系列系列 1964年年n大型机大型机IBM 370 IBM 370/158n大型机大型机IBM S/390 Generation 5 1998年年5月月 硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电

57、路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度（次速度（次/秒）秒） 硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一Cray-1Cray X-MPCDC CYBER205PDP11VAX11/780银河银河-I巨型计算机：巨型计算机：1983年年12月月,第一台亿第一台亿次巨型计算机由国防科技大学计算机研究所研制成功次巨型计算机由国防科技大学计算机研究所研制成功银河银河- II巨型计算机：巨型计算机：由国防科技大学计算机由国防科技大学计算机研究所

58、于研究所于1992年年11月研制成功。该机是我国自行研制的月研制成功。该机是我国自行研制的第一台面向大型科学第一台面向大型科学/工程计算和大规模数据处理的通用工程计算和大规模数据处理的通用十亿次并行巨型计算机系统。十亿次并行巨型计算机系统。银河银河-III巨型计算机：巨型计算机：1997年年6月，银河月，银河-III超级超级计算机研制成功。中国成为世界上少数几个能研制和生产大计算机研制成功。中国成为世界上少数几个能研制和生产大规模并行计算机系统的国家之一。银河规模并行计算机系统的国家之一。银河III采用分布共享存采用分布共享存储结构，峰值性能达到每秒储结构，峰值性能达到每秒130亿浮点运算。具有良好的可亿浮点运算