《计算机组成与实现》第1章 计算机概述

计算机概述计算机组成与实现目录计算机的基本认识计算机的应用及分类计算机的基本硬件构成计算机的层次结构第一台数字式多用途计算机ENIAC：ElectronicNumericalIntegratorandCalculator时间：1946年；用途：计算炮弹弹道美国宾夕法尼亚大学3真空管重量面积功耗性能1880030吨100m2150KW5000加法/秒Cpl.IrwinGoldstein设置功能表开关程序员BettyJeanJennings(左)与FranBilas(右)J.PresperEckert(1919-1995)JohnWilliamMauchly(1907-1980)两位主设计师大型机时代：上世纪50年代~60年代核心技术：计算机4大型机~Mainframe磁带机CPU磁带机磁盘打印机控制台读卡机龙头企业价格用户技术IBM1M美元大型企业COBOL，Fortran，分时OS小型机时代：上世纪70年代核心技术：集成电路（Integratedcircuits）5小型机~Minicomputer龙头企业价格用户技术Digital，HP10K美元大学，实验室C，UNIXPC时代：上世纪80年代~2000中期核心技术：微处理器（Microprocessor）6龙头企业价格用户技术Apple，IBM1K美元个人Basic，Java，WindowsPC~PersonalComputer后PC时代：2000以后1/2核心技术：无线网络(WirelessNetwork)，ARMCPU7龙头企业价格用户技术Motorola，Nokia，Apple，Google500美元个人iOS，AndroidMotorolaV70360度旋盖2002NokiaN-Gage全球首款游戏手机2003AppleiPhone全面定义智能手机2007后PC时代：2000以后2/2核心技术：局域网，宽带互联网8龙头企业用户Amazon，Google，阿里无法(不愿)负担高端计算与存储设备的用户云计算重大认识#1：摩尔定律晶体管~transistor芯片的晶体管数量：每2年翻一番GordonMoore(1929)Intel创始人重大认识#2：局部性与存储层次局部性：体现了程序内在的固有基本规律存储层次：应用了局部性原理，是性能、容量、成本的设计折中DDR-SDRAM，SRAMCPU主存储器存储设备输入/输出设备(外部设备)快小高性能容量单位成本慢大低SRAM~StaticRandomAccessMemory；SDRAM~SynchronousDynamicRAMDDR-SDRAM~DoubleDataRateSDRAM目录计算机的基本认识计算机的应用及分类计算机的基本硬件构成计算机的层次结构个人计算机定位：是以较小代价为个人用户提供较高的性能范围：最为广泛，如台式机、笔记本电脑都是PC范畴PC始终是最大的计算机市场之一软件：办公软件、开发软件、娱乐软件、游戏软件等来源：/history-of-the-personal-computer/服务器1/3定位：承载大负载的任务，例如科学计算、Web访问等软件：Web服务、数据库、科学计算软件、模拟系统等应用：部署在机房中，通过网络对外提供计算与存储服务服务器~ServerLenovoSystemx3550M5外视图前视图：8个2.5英寸SATA硬盘内部视图服务器2/3--服务器集群服务器集群：多台服务器聚合在一起，以分布式对外提供服务微信、淘宝、新浪等的运行平台集群~Cluster服务器3/3--超级计算机超级计算机：更大规模的服务器集群，聚合的处理器总量大约在10万颗量级，主要以并行方式提供超级计算能力用途：如天气预报、地质勘探、核爆模拟、蛋白质结构分析等超级计算机~SuperComputer，SC中国芯：申威26010厂商江南计算技术研究所指令集64位RISC核心数260主频1.45GHz峰值性能3.06TFlop/sCPU数量：申威26010x40960计算能力：全球72亿人口用计算器不间断计算32年系统功耗：15.371MW机柜超节点x4超节点运算插件x32运算插件运算节点x4运算节点申威26010x2嵌入式计算机1/2定位：面向特点应用，作为一个子系统被内嵌在整个系统中范围：最为广泛，无所不在冰箱、洗衣机、微波炉、数字电视、汽车、高铁、飞机、轮船、卫星、4G网络、WIFI、机器人......最大的计算机市场嵌入式计算机2/2普遍更重视成本、功耗、可靠性通常不把性能作为首要指标某些应用中，还非常强调实时特性例如视频播放器实时~RealTime目录计算机的基本认识计算机的应用及分类计算机的基本硬件构成计算机的层次结构计算机的典型硬件组成中央处理器存储器输入输出设备中央处理器~CentralProcessingUnit，CPUCPUCPU是计算机的最核心部件，其功能是能够执行由一组指令构成的程序CPU可以抽象为2大部分：数据通路、控制器数据通路：执行指令所需的计算与存储的功能部件集合PC：类似于C语言的指针，指向要执行的指令ALU：完成各类计算，如加减乘除寄存器堆：临时性存储参与运算的数据以及运算结果控制器：根据指令控制数据通路的各个部件完成相应操作例如加法指令，就需要控制ALU完成加法运算程序计数器~ProgramCounter(PC)算数逻辑单元~ArithmeticandLogicUnit(ALU)CPU基本模型CPU现代CPU通常包含cache、MMU为了提高性能，现代主流CPU一般为多核结构每个核心相当于过去的一个完整CPU高速缓存~cache存储管理单元~MemoryManagementUnit(MMU)CPU基本模型现代主流CPU基本结构主存储器主存储器（简称主存）：存储程序以及程序运行过程中产生以及需要处理的各种数据程序示例：Excel.exe就是一个程序，平时是存储在硬盘中的；被鼠标双击后，它就会被Windows操作系统加载到主存中。数据示例：Excel中打开的某个excel文件就是Excel.exe运行所需要的数据主存主存很多时候也被称为内存顾名思义，既然有主存和内存的概念，那么就有辅存和外存的概念。辅存或外存通常是指硬盘、光盘等设备。从图11可以看出，它们也属于输入输出设备范畴。早期计算机主存只有几千字节的容量。更有甚者，某些计算机只有容量极小的主存，而没有硬盘。到本书成文时，一台普通PC的主存容量通常会达到4GB以上，而配置的硬盘动辄都是以TB为单位。巨大的容量使得计算机可以运行种类繁多的程序并存储规模庞大的数据，极大的增强了计算机的应用面。可以说，计算机技术的成功在一定程度上源自存储技术的进步。目录计算机的基本认识计算机的应用及分类计算机的基本硬件构成计算机的层次结构软硬件层次结构一个完整的计算机系统，可以划分为硬件和软件两大部分其中，两者之间的交互界面就是指令集计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考数字电路软硬件层次结构：指令集硬件功能被抽象为一组基础操作，如加法运算、减法运算等这些操作被称指令；指令的集合就是指令集计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考从硬件的角度指令集是底层设计的需求，也是底层功能的抽象数字电路软硬件层次结构：操作系统系统软件，如Windows、Linux、IOS、Andorid管理计算机的软件和硬件资源为应用程序提供丰富的功能计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考早期：应用程序直接运行在硬件上现代：应用程序的运行离不开操作系统提供的各类服务数字电路软硬件层次结构：编译器/汇编器编译器把高级程序设计语言（如C程序）转换为汇编程序，然后调用汇编器把汇编程序转换为二进制机器指令，再经优化等生成可执行程序计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考现代应用软件开发离不开开发工具和环境，其中最重要的是编译器和汇编器数字电路软硬件层次结构：应用软件种类最为繁多，用于满足用户的特定需求PC上的各类办公软件、游戏、浏览器等；服务器上的各类Web服务软件、科学与工程计算软件等；手机上的微信等计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考应用软件是种类最多的程序，用于满足用户的特定需求数字电路软硬件层次结构：CPU计算机硬件中最核心的部件。它执行程序的基本原理：从存储器读取一条指令；执行指令功能；计算下条指令在存储器的位置不断的重复上述过程计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储器应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考一般来说，CPU只能执行某个特定的指令集。例如Intel公司生产的CPU就只执行X86指令集，ARM公司生产的CPU就只执行ARM指令集数字电路软硬件层次结构：存储器存储器是计算机硬件中第2重要的组成部分今天使用的绝大多数计算机应该称为存储程序计算机构成程序的指令和数据都以二进制数字的形式存储在存储器中计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考一台计算机的存储器通常包含若干层次，不同层次的存储器在容量上和速度上具有数量级差距数字电路软硬件层次结构：输入/输出系统输入系统负责信息进入计算机，输出系统负责信息从计算机输出如鼠标、键盘、无线网卡计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考只能计算而无信息输入输出的计算机没有实用价值数字电路软硬件层次结构：微架构芯片的内部结构就是微架构CPU这样的芯片内部可以划分为两大部分：数据通路、控制器其中，数据通路又包含一组功能部件，如寄存器堆、运算单元等计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)数字电路晶体管CPU存储应用软件操作系统工具/环境编译器I/O系统软件硬件汇编器指令集注：大致结构，仅供参考所有的功能部件、控制器等又是由数字电路组成的软硬件层次结构：数字电路数字电路包括组合电路和时序电路两大部分组合电路：具有计算功能的电路，如与门、或门、非门等时序电路：具有存储功能的电路，如寄存器等计算机领域微电子领域微架构(数据通路&控制器)数字电路晶体管CPU存储应用软件操作系统工具