计算机组成原理：第1章 绪论

1、第1章 绪 论 让我们了解计算机了解哪些 ?计算机的发展历史计算机系统的硬件组成计算机的软件系统计算机系统的组织结构计算机的特点和性能指标计算机的分类与应用电子计算机分类按其信息的表示形式和处理方式分类： 电子模拟计算机以连续变化的量即模拟量表示数据，通过电流或电压的物理变化过程实现运算。受到元器件精度的影响，使其运算精度较低，解题能力有限，信息存储困难，因而应用面窄。 电子数字计算机以离散量即数字量表示数据，应用算术运算法则实现运算。由于具有很强的逻辑判断功能、庞大的存储能力，以及计算、模拟、分析问题、操作机器、处理事务等能力，因而得到了极其广泛的应用。1.1 计算机的发展历史电子计算机的诞

2、生 第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。 每秒5000次加法运算； 每秒50次乘法运算； 平方和立方计算； Sin和Cos函数数值运算； 其它更复杂的计算。1955年退役十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5 000次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程电脑始祖 冯诺依曼 冯诺依曼提出了新的改进方案：一是用二进制代替十进制，进一步提高电子元件的运算速度；二是存储程序(Stored Program)，即把程序放在计算机内部的存储器中，换言之，

3、把能进行数据处理的程序放在数据处理系统内部，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存，即把程序本身当作数据来对待。冯诺依曼的改进方案被称为“爱达法”(EDVAC)，即离散变量自动电子计算机(Electronic Diserete Variable Computer)的简称。 1945年6月，他写了一篇题为关于离散变量自动电子计算机的草案的论文，第一次提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念(Stored Program Concept)，这是所有现代电子计算机的范式，被称为“冯诺依曼结构”。按这一结构建造的电脑称为存储程序计算机(Stored Program Computer)，又称为通用

4、计算机。时至今日，所有的电脑都逃脱不了冯诺依曼的掌心，我们所有的电脑，都有一个共同的名字，叫“冯诺依曼机器”，它超越了品牌、国界、速度和岁月。1.1.1 更新换代的计算机硬件（1） 电子管时代（1946年1959年）（2） 晶体管时代（1959年1964年）（3） 中、小规模集成电路时代（1964年1975年）（4） 超、大规模集成电路时代（1975年1990年）（5） 超级规模集成电路时代（1990年现在）代硬件技术速度（次/秒）一电子管40,000二晶体管200,000三中小规模集成电路1,000,000四大规模集成电路10,000,000超大规模集成电路100,000,000第一台von

5、 Neumann 系统结构的计算机IBM System360 超级计算机（1）IBM: Seaborg6080个 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012)（2）IBM: ASCI White8192个 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012)（3）Linux NetworX : MCR Linux Cluster2304个 CPU 最大平均速度 7.634 TF (1012)（4）HP : ASCI Q4096个 CPU 最大平均速度 13.88 TF (1012)（5）NEC: Earth Simulator2008年超级计算机榜首美国能源部下属洛斯阿拉莫斯国家实验室

6、的IBM超级计算机“走鹃”（Roadrunner）以每秒1.105千万亿次的浮点运算速度再度蝉联榜首。 2008年超级计算机第十曙光5000A高性能计算机采用最新的四核AMDBarcelona(主频2.0GHz)处理器，采用基于刀片架构的HPP体系架构，共有约30000颗计算核心，大于100TB海量内存，700TB数据存储能力，采用低延迟的20Gb的网络互联，其设计浮点运算速度峰值为每秒230万亿次，Linpack测试速度预测将达到160T。2009年超级计算机榜首美国能源部下属橡树岭国家实验室的Cray“美洲豹”XT5系统以每秒1.759千万亿次(petaflop/s)的运算速度，在全球超级

7、计算机500强排行榜中首度折桂。美洲豹的科学应用图从左到右，从上到下依次为：1：极端气候模拟2：超新星研究3：生命和半衰期4：从光合作用到新燃料5：聚变加速6：模仿火山爆发应激气候2009年超级计算机第五由中国国防科大研制的“天河一号”超级计算机以实测速度每秒563.1万亿次位列世界第五、亚洲第一，这也是中国超级计算机迄今获得的最高名次，也是前十位中唯一非美超级计算机。2010年超级计算机榜首全球超级计算机500强排行榜（又称TOP500）11月16日在美国新奥尔良会议中心正式揭晓，由中国国防科学技术大学研制的“天河一号”超级计算机排名第一，美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”和中国曙光公司研制的

8、“星云”紧随其后，其他排名前十的超级计算机分别位于日本、法国、德国和美国。“天河一号”2010年在中国国家超级计算天津中心安装部署，升级后的实测运算速度可达每秒2570万亿次；排名第二的“美洲虎”超级计算机实测运算速度可达每秒1750万亿次；排名第三的“星云”计算机实测运算速度达到每秒1270万亿次。超级计算机天河一号运算速度 “天河一号”峰值运算速度为每秒4700万亿次。做个换算对比：“天河一号”运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上的时间；“天河一号”运算1天，相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年以上的时间。存储容量 “天河一号”存储容量为两千万亿个字节。做个换算对比：一个

9、汉字平均为两个字节，“天河一号”可在线存储一千万亿个汉字，相当于存储100万汉字的书籍10亿册。2011超级计算机榜首第38届全球超级计算机五百强排行榜，升级完毕的日本“京”(KComputer)成为人类历史上第一台计算能力跨越1亿亿次每秒的计算系统。在日语中，“京”是一个计量单位，代表1万万亿。不同于其它近来表现“猖狂”的高性能计算系统，“京”仍旧完全基于传统处理器，没有使用GPU加速。现在的“京”配备了88128颗富士通 SPARC 64VIIIfx 2.0GHz八核心处理器。“京”将在明年6月完成整个系统的配置，并于同年11月正式开始运用。除用于模拟演算地震、海啸、台风等地球科学及有关宇

10、宙形成的研究外，“京”还将运用于新材料、医药用品、汽车及飞机的研发等工作。2011超级计算机榜首2011超级计算机亚军天河一号A最大性能只有“京”的24.4。事实上，除了一路狂奔的“京”之外，从第二名到到第十一名都没有多少变化。从超算分布的国家来看，最近两年增长最快的国家无疑是中国，两年时间，中国入围超算总数从2010年11月的24台猛增至如今的74台，平均增长率超过45%。美国作为当今唯一的超级大国，在入围超算数量上也保持了一如既往的霸气，始终占据着TOP500的半壁江山，其他国家望尘莫及。2012年6月超级计算机排名第一名：红杉(Sequoia)超级计算机，美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验

11、室/view/c3d6cef17c1cfad6195fa743.html使用红杉来研究美国核威慑武器的安全性和可靠性2012年6月超级计算机排名第二名：K超级计算机，日本理化学研究所高级计算科学研究所(AICS)第三名：米拉(Mira) 超级计算机，伊利诺伊州阿尔贡国家实验室第五名：天河-1A，天津国家超级计算中心第十名：星云(Nebulae)，中国深圳2012年11月TOP500强Cray公司的超级计算机Titan以17590TFlop/s的运算速度夺冠，IBM的Sequoia以16324.8TFlop/s的速度夺得亚军，曾经位列榜首的K Computer以10510TFlop/s屈居第三位

12、。曾在2010年位列榜首的中国最快的超级计算机天河-1A，以2566TFlop/s的运算速度排在第八位。Top 10超级计算机中，有5台来自美国，德国2台，中国、意大利与日本各1台。在整个TOP 500榜单中，251台来自美国，72台来自中国。按照平台来划分，Top 500超级计算机中76%来自Intel，12%来自AMD，10%来自IBM。2013年6月超级计算机排名1 天河二号是由中国国防科技大学开发的超级计算机，今年以持续计算速度每秒3.39亿亿次的优越性能位居榜首。部署在广州的国家超级计算机中心。2 泰坦是一台安装在美国能源部（DOE）的橡树岭国家实验室Cray XK7系统的超级计算机

13、。最节能的系统之一。3 红杉是安装在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一台IBM蓝色基因/ Q系统超级计算机。10 天河-1A，中国天津的国家超级计算中心。/system/2013/06/19/019413676.shtml2013年11月/server/2013/1119/2996063.shtml前三甲分别为中国天河二号、橡树岭国家实验室的泰坦、和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的红杉。 天河二号是由中国国防科技大学开发的超级计算机，今年以持续计算速度每秒3.39亿亿次的优越性能位居榜首。 天河二号将于今年年底被部署到广州的国家超级计算机中心。它的出世比原定计划提前两年。天河二号有16,000个

14、节点，每个节点两个Intel Xeon Ivy Bridge的处理器。 2014年6月天河二号以比第二名美国“泰坦”快近一倍速度获得冠军除了助力探月工程、载人航天等政府科研项目外，天河二号目前已经逐渐应用于民用领域，比如石油勘探、汽车飞机的设计制造、基因测序等。 传统手段研发新车，一般要经过上百次碰撞实验、历时两年多才能完成，而利用天河二号进行模拟，只需3到5次实车碰撞、两个月即可实现。 中国商用飞机设计有限公司北京研究中心利用约2.4万CPU核开展了大型民机全参数气动优化设计，在天河二号计算6天，完成了其自身计算平台约需2年的工作量，极大地提高了优化工作效率。 华大基因使用的生物信息软件能迅

15、速在天河二号上运行，不需要再另外进行编程；同时天河二号强大的计算能力，可以快速满足华大基因海量基因数据分析所需的计算资源，节省大量分析时间。 但是能耗很高，应用软件缺失。1.1.2 日臻完善的计算机软件汇编语言阶段（20世纪50年代）程序批处理阶段（20世纪60年代）分时多用户阶段（20世纪70年代）分布式管理阶段（20世纪80年代）软件重用阶段（20世纪90年代）Web服务阶段（21世纪初期现在）1.2 计算机系统的硬件组成1.2.1 计算机的功能部件首先思考：计算机的基本功能是什么数据加工运算器控制器输入设备输出设备主机系统CPU存储器I/O系统数据保存数据传送操作控制（1）输入设备（2）

16、输出设备（3）存储器分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。CPU能够直接访问的存储器是主存。辅助存储器用于帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所使用。主存储器的每个单元都有自己唯一的地址码，通常是按地址进行访问的，若对存储器某个单元进行读/写操作，必须首先给出被访存储单元的地址码。主存储器结构简图（4）运算器运算器是计算机的执行部件，用于对数据的加工处理，完成算术运算和逻辑运算。算术运算是指按照算术运算规则进行的运算，如加、减、乘、除以及它们的复合运算。逻辑运算则为肺算术性运算，如与、或、非、异或、比较、移位等。其核心是算术逻辑部件（Arithmetic

17、and Logical Unit，ALU）。运算器中还设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。由于这些寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通用寄存器。运算器的简单框图见书P6图1-3。（5）控制器是整个计算机的指挥中心。控制器就是按着事先安排好的解题不愁，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。程序按指令序列存放在存储器中，控制器根据程序实施控制，这种工作方式称为存储程序方式。1.2 计算机系统的硬件组成1.2.2 冯诺依曼计算机存储程序的概念是由美国数学家冯诺依曼于1946年6月在研究EDVAC计算机时首先提出来的，它奠定了现代计算机的结构基础。其基

18、本思想如下：（1）计算机由五大部件组成哪五大部件？（2）采用二进制形式表示数据和指令指令是什么？（3）采用存储程序方式什么是存储程序？ 早期的冯诺依曼计算机(图1-4，P7) 现代计算机组织结构(图1-5，P7)在微处理器问世之前，运算器和控制器是两个分离的功能部件，加上当时存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此早期冯诺依曼计算机结构是以运算器为中心的，其他部件都通过运算器完成信息的传递。微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。现代计算机组织结构逐步转变为以存储器为中心，但是现代计算机的基本结构仍然遵循冯诺依曼思想。1.3 计算机的软件系统1.3.1 系统软件 操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 分布式软件系统 网络软件系统 各种服务程序应用软件应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序，如各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用