计算机组成与体系结构 课件 01计算机系统概述

计算机系统概述计算机组成与体系结构如何计算？数据表示计算对象是什么？运算规则运算的具体方法过程控制如何控制运算完成如何用计算机完成计算？电子数字通用计算机系统电子非电子（机械、机电）量子计算机数字模拟通用专用GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)……计算发展史——电子计算机阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-BerryComputer，简称ABC）1939年，爱荷华州立大学ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，电子数字积分计算机)1945年，宾夕法尼亚大学关于ENIAC1946年2月15日，由美国夕法尼亚大学的物理学家约翰·莫克利（JohnMauchly）和工程师普雷斯伯·埃克特（JPresperEckert）领导研制成功机器中约有18800只电子管，1500个继电器，70000只电阻及其他各类电气元件运行时耗电140千瓦，8英尺高，3英尺宽，100英尺长，占用长度超过30米的房间，重量达30吨运算速度：加法5000次/秒，乘法333次/秒ENIAC的典型特征采用十进制；无存储器，只有20个10位的累加器，至多只能存20个字长10位的十进制数；程序是“外插型”的，即用线路连接的方式来实现的与现代计算机的计算方式相同吗？计算发展史——未来的计算机超导计算机光计算机量子计算机（quantumcomputer）生物计算机（biologicalcomputer）……电子计算机的发展第一代（1946～1954）电子管(radiotube/electronicvalve)计算机第二代（1955～1964）晶体管(transistor)计算机第三代（1965～1973）集成电路(integratedcircuit,IC)计算机第四代（1974～现在）大规模和超大规模集成电路(LSI/VLSI)计算机摩尔定律Moore’sLaw戈登·摩尔(GordonMoore)，Intel公司的创始人之一最早出现是在1965年4月19日，发表于《电子学》杂志第114页的摩尔（时任仙童半导体公司工程师）撰写的文章三个版本集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半相同价格能买到的电脑，性能每隔18个月增加一倍摩尔定律足足保持差不多40年计算机体系结构、组成与实现计算机体系结构（ComputerArchitecture）：计算机体系结构是指那些能够被程序员所看见的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。计算机组成（ComputerOrganization）：计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的（即程序员不知道的）硬件细节。计算机实现（ComputerImplementation）：指计算机组成的物理实现。电子计算机的分类电子计算机数字式通用计算机(generalpurposecomputer)巨、大、中、小、微、单板、单片……专用计算机(specialpurposecomputer)IOP、DSP模拟式专用计算机数字信号处理,DigitalSignalProcess,DSP协处理器,coprocessor图形处理器,GraphicsProcessingUnit,GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)微型计算机发展最快的，普及最广泛的一类计算机以微处理芯片为代表微型计算机发展的里程碑第一块微处理器芯片Intel4004第一台商用微型计算机Altair88001976年，SteveJobs和SteveWozniak创建了苹果计算机公司1981年，IBM的PC系列/微软的崛起/微型计算机的分类microcomputerserverworkstationpersonalcomputerlaptoptablet……我们常用的是哪种？它们之间有什么区别吗？SupercomputerTOP500SupercomputerSites/TheTOP500projectwasstartedin1993toprovideareliablebasisfortrackinganddetectingtrendsinhigh-performancecomputing.Twiceayear,alistofthesitesoperatingthe500mostpowerfulcomputersystemsisassembledandreleased.ThebestperformanceontheLinpackbenchmarkisusedasperformancemeasureforrankingthecomputersystems.普林斯顿结构冯·诺伊曼结构（VonNeumannarchitecture），也称冯·纽曼模型（VonNeumannmodel）普林斯顿结构（Princetonarchitecture）结果程序输入设备输出设备存储器运算器控制器结果程序输入设备输出设备运算器存储器控制器哈佛结构哈佛结构（Harvardarchitecture）是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构非冯•诺依曼计算机在冯•诺依曼体制范畴内，对传统冯•诺依曼机进行改造流水线用多个冯•诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构多核心处理器多处理机系统从根本上改变冯•诺依曼机的控制流驱动方式CPU(CentralProcessingUnit)GPU(GraphicsProcessingUnit)TPU(TensorProcessingUnit)NPU(NeuralnetworkProcessingUnit)BPU(BrainProcessingUnit)DPU(DeeplearningProcessingUnit)计算机系统计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成计算机的硬件：由电子、机械和光电元件等组成的各种部件和设备计算机的软件：指安装在计算机系统中的程序和有关的文件计算机系统组成计算机软件Software指计算机系统中的程序及其文档，程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料分类系统软件：负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作应用软件：为了某种特定的用途而被开发的软件计算机软件著作权保护1991年，《计算机软件保护条例》汇编语言层操作系统层指令系统层数字逻辑层高级语言层应用层微体系结构层软件系统硬件系统计算机系统层次结构硬件和软件的逻辑等价性硬件和软件在逻辑上是等价的任何由软件实现的操作都可直接由硬件来完成的任何由硬件实现的指令都可由软件来模拟根据当时的成本、速度、可靠性等因素来决定的，并且会随着计算机技术的发展趋势和计算机应用范围的变化而改变硬件与软件的发展变化早期硬件成本高硬件是计算机系统设计考虑的核心问题软件为硬件服务，研究如何发挥硬件优势后期软件开发成本持续升高硬件设计围绕如何对软件的优化提供支持操作系统优化编译器（高级语言）优化主要技术与性能指标计算机字长(WordSize)CPU速度主频(Cl