计算机组成与结构第一章PPT

计算机组成与系统结构教师：卢维亮电话箱：luwl@资源：98从ENIAC到Ipad正在编程控制面板封装的电子管展览于宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院一个巨大的计算机化的防空系统，SAGE（Semi-AutomaticGroundEnvironment半自动地面防空警备系统）旨在帮助空军实时跟踪雷达数据。装置了调制解调器和图形显示技术的进步配备，机器重达300吨，占据了一个大楼的一个楼层。SAGE,1954

一种可互换计算机系列的一部分，IBM公司的System/360主机是第一个涵盖全范围应用，从小到大，从商业到科学的主机。用户不必作出令人头痛的软件升级就能够放大或缩小其设置。高端的的System/360机型曾在NASA的阿波罗登月计划以及空中交通控制系统起作用。IBMSystem/360,1964很长一段时间里它都是世界上最快的机器，控制数据公司的6600机器是由著名的计算机设计师西摩克雷设计的。CDC6600的速度王冠一直保持到1969年克雷的下一个超级计算机的设计。CDC6600，1964

第一个成功的商业小型计算机。PDP-8，由DEC（数字设备公司）研发，在发布后售出50000台，是那时数目最多的一种计算机。DECPDP-8,1965在其发布的那段时间，Cray-1是世界上运行最快的计算机。尽管它的售价5~10亿美元——但它仍然畅销。Cray-1,1976Apple-I是一种早期的个人电脑，由斯蒂夫·沃兹尼亚克设计并手工打造。沃兹尼亚克的朋友史蒂夫·乔布斯则提出销售这台电脑的主意。AppleI是苹果公司的第一项产品，AppleI,1976AppleII,1976直至2008年，约有30~50台AppleI尚存，使其成为非常罕见的收藏品，而一般价位则在14,000至16,000美元之间。AppleI于1999年曾被卖到50,000美元，2010年在英国以21.36万美元高价拍卖。它采用了独立的键盘、打印机、显示器、简单易于操作并有完整的前瞻性包，这些使IBM个人电脑走出爱好者的车库通向企业和消费市场主流。其巨大的商业成功，使它多年来一直是个人电脑系统的标志，并致使其他厂家生产类似的台式机。IBM个人电脑,1981在80年代后期开始于IBM，深蓝色的项目是一个运用多重处理解决一个难题的尝试-即，击败了世界上最好的棋手，加里•卡斯帕罗夫。经过了六场比赛，卡斯帕罗夫最终输了，困惑的他认为一定有一步棋是出自上帝之手。深蓝,1997以移动通讯为代表的手持设备，为新一代的应用开阔了巨大的移动互联网应用领域。iPhone,2007iPad,2010微处理器生产巨头Intel日前发布了史上最强x86服务器处理器XeonE7-x800v2系列，配备多达15个核心Tianhe-2,asupercomputerdevelopedbyChina’sNationalUniversityofDefenseTechnology,istheworld’snewNo.1systemwithaperformanceof33.86petaflopsontheLinpackbenchmark,accordingtothe41steditionofthetwice-yearlyTOP500listoftheworld’smostpowerfulsupercomputers.ThelistwasannouncedJune17duringtheopeningsessionofthe2013InternationalSupercomputingConferenceinLeipzig,Germany.Tianhe-2,orMilkyWay-2,willbedeployedattheNationalSupercomputerCenterinGuangzhou,China,bytheendoftheyear.ThesurpriseappearanceofTianhe-2,twoyearsaheadoftheexpecteddeployment,marksChina’sfirstreturntotheNo.1positionsinceNovember2010,whenTianhe-1Awasthetopsystem.Tianhe-2has16,000nodes,eachwithtwoIntelXeonIvyBridgeprocessorsandthreeXeonPhiprocessorsforacombinedtotalof3,120,000computingcores.

序号国家位置名称所属公司核心数Rmax

(TFlop/s)Rpeak

(TFlop/s)Power(kW)1中国国家超级计算机中心天河2号中国国防科技大学3,120,00033,862.7054,902.4017,8082美国橡树岭国家实验室泰坦克雷公司560,64017,590.0027,112.508,2093美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室红杉IBM公司1,572,86417,173.2020,132.707,8904日本RIKEN高级计算科学研究院K计算机富士通705,02410,510.0011,280.4012,6605美国阿贡国家实验室MiraIBM公司786,4328,586.6010,066.303,9456瑞士瑞士国家超级计算中心Piz

Daint克雷公司115,9846,271.007,788.902,3257美国德克萨斯高级计算中心Stampede戴尔公司462,4625,168.108,520.104,5108德国德国尤利希研究中心JUQUEENIBM公司458,7525,008.905,872.002,3019美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室VulcanIBM公司393,2164,293.305,033.201,97210美国政府部门Cray

XC30克雷公司225,9843,143.504,881.30无数据2014年11月全球500强超级计算机排名TOP10/目录学习本课程的一些相关问题计算机系统的基本组成及其层次结构计算机硬件的５个功能部件及其功能冯·诺依曼计算机计算机系统主要的技术与性能指标教学环节与成绩评定本课程的一些相关问题学了哪些程序设计语言？学了哪些硬件相关课程？为何要学习这门课程？怎么学？课程主要内容简介课程类别：专业课课程性质：必修考研占45分软件水平考试必考其他课程的基础计算机系统概述

计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件指由中央处理器、存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算、处理功能的命令。软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。指令是用于设计程序的一种计算机语言。

计算机系统的层次结构汇编语言层操作系统层指令系统层微体系结构层数字逻辑层高级语言层软件系统硬件系统计算机的解题过程三个级别的程序设计语言BASIC程序10sum=020fori=1to1030sum=sum+I40nextI50printsum60end

汇编语言程序2000:subR15,R15subR1,R1mvrdR0,0AincR1addR15,R1cmpR1,R0jrnz2004cala0664ret

机器语言程序01ff01118800000a091000f1031047fcCe0000f48f00

计算机中的基本硬件系统数据运算部件计算机控制部件数据存储部件接口线路数据输入设备接口线路结果输出设备数据总线地址总线控制总线计算机主机计算机外围设备计算机的CPU另种表述：计算机中的基本硬件系统冯·诺依曼计算机存储程序

将事先编好的程序（包括数据）存入到同一个存储器，然后再启动计算机工作，计算机自动、连续地从存储器中取出指令并运行，这个过程不需要人工干预。

冯·诺依曼计算机的特点1.计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，

可按地址寻访5.存储程序5.存储程序哈佛结构（普林斯顿）程序空间和数据空间分开程序指令存储和数据存储分开，不允许指令和数据并存指令和数据有不同的数据宽度独立的总线（地址、数据）并行操作电子计算机的发展简史计算机系统分类弗林分类法：根据指令流和数据流数量序号类别备注1SISD单指令流单数据流一个处理器，一个存储器，一次执行一条指令(提高性能：流水线、多功能部件、交叉存储器)2SIMD单指令流多数据流一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成（向量计算机、阵列计算机）3MISD多指令流单数据流4MIMD多指令流多数据流使用多个控制器来异步地控制多个处理机，从而实现空间上的并行性。商用并行计算机（超级计算机）计算机的应用微处理器的发展简史与现状微型计算机的分类微型计算机硬件技术发展的特点与趋势微型计算机硬件技术发展的特点 摩尔定律（GordonMoore，Intel创始人之一）微型计算机硬件技术发展的趋势芯片技术将继续发挥原动力作用制造工艺导线材料芯片材料芯片技术（RISC-ReducedInstructionSetComputer）（CISC-ComplexInstructionSetComputer）多媒体和通信技术硬件和软件更加紧密结合笔记本电脑在个人计算机中的应用比例更加提升程序执行过程计算机系统的主要技术与性能指标计算机的字长在计算机系统内部，通常选用多少个二进制位来表示一个数据或一条指令是一个关键技术指标，例如16、32或者64位，这个位数被称为计算机的字长。例如在32位字长的计算机系统中，一个整数、一条指令通常都用32位二进制数表示，叫做一个字，运算器、存储器、数据和地址总线等通常都被设计成32位。字长对计算机的处理能力和运行性能有明显影响，字长较长有利于提高计算机的性能，但需要使用更多的硬件，计算机系统的价格也会高一些。CPU的速度衡量CPU速度，通常有两种方式。第一种方式是使用CPU主频，即每一秒钟提供给CPU的时钟脉冲的个数，通常用赫兹（Hz）表示，例如500MHz。但对不同厂家、不同系列的计算机系统，只用CPU主频来说明其运行速度则未必准确。第二种方式是使用CPU每一秒钟能执行的指令条数，单位是MIPS（millioninstructionspersecond），其计算公式可以通过如下方式推导出来，T=CPI×T_IC×I，这里的T是执行一个程序占用的时间，CPI是执行一条指令平均使用的CPU时钟个数，T_IC是一个CPU时钟的时间长度，是CPU主频f的倒数1/f，I是这个程序的指令条数，3个数值的乘积就等于这个程序总的运行时间T。由此得到：I=T/(CPI×1/f)=T×f/CPI.

当取T=1s，并假定f为300MHz，CPI为4，则计算出CPU系统的性能为300/4，即75个MIPS，即每秒执行75个百万条整数运算指令。若有办法使这台计算机的CPI尽量靠近1，则其运行性能就可以提高近4倍，这正是精简指令系统计算机（RISC）所追求的目标。

若进一步细化，可安如下办法计算出一个程序中全部指令的平均CPI：按照指令的执行步骤数对全部指令进行分类，同类指令的条数×这类指令的CPI，再对各类指令的计算机结果求累加和，则累加和除以总指令条数就得到平均CPI，可以表示为CPI平均=∑CPIj×Ij/I，这里的j是指令的种类编号（从0~n）。可以用MFLOPS表示对浮点数指令的运算速度。

Petaflops?存储容量和读写速度计算机中的存储器通常包括内存储器和外存储器两大类内存储器（主存储器），通常用半导体器件实现，读写速度快，价格较高，通常容量要小一些，例如几百MB或几到十几GB，可供CPU通过指令直接访问。外存储器又称辅助存储器、海量存储器等，主要包括磁盘设备、光盘设备、磁带设备等，读写速度要慢得多，价格较低，