第-1-章-计算机系统概论..ppt

1、2020/7/8，版本9 2013.09第一期，第一章计算机系统概述，2020/7/8，2章学习内容，计算机的发展史计算机系统硬件构成计算机的软件系统计算机系统的组织结构计算机的特性和性能指标计算机的分类和应用，2020/7/8，3，11.电子管时代(1940年代中期到50年代中期)2。晶体管时代(20世纪50年代末60年代中期)3。中小型集成电路时代(20世纪60年代中期到70年代中期)4。超大规模集成电路时代(20世纪70年代中期到90年代初期)5。超大型集成电路时代(截至20世纪90年代初期)，2020/7/8，4，电子管时代(19461959)运算速度：5，4万(秒)，电子管时代，计算

2、机使用电子管作为基本逻辑单元，主存储器使用汞延迟线，鼓和，2020/7/8，5，USA eniac，2020/7/8，6，晶体管时代(191571964)计算速度：数十万(秒)，2020/，2020/7/8，8，第一台小型计算机PDP-8，2020/7/8，9，中小型集成电路时代(19165975)计算速度：百万(秒)，2020使用多处理器并行结构的大、大、低小型外形规格的快速发展。2020/7/8，11，采用英特尔8080的PC Altair8800，2020/7/8，12，超大规模集成电路时代(19751990)的计算速度：数千亿(秒)，22采用并行技术、多机系统和分布式计算技术、RISC

3、指令集等，大大提高了计算机系统的性能。此时，根据计算机的性能和规模，可以将巨型机、大型机、小型机、微型计算机、便携式计算机等多种类型区分开来。2020/7/8，14，超大规模集成电路时代(1990)的计算速度：数千亿万亿(秒)，超大规模集成电路(ULSI，ELSI)，2020/7/8，15，2013中国国防科技大学开发的天河二号超级计算机以每秒33.86亿次浮点运算速度位居第一，成为世界上最快的超级计算机。2020/7/8，16，天河2超级计算机，2020/7/8，17，天河2技术参数，计算速度：54.9PFLOPS(理论峰值)33.86PFLOPS(实际峰值)计算计算核心总数3120000。

4、内存：总计1.408PB(约1400万亿字节)外部存储：12.4PB硬盘阵列，2020/7/8，18，天河2的容量，天河2的1小时等于13亿人在计算器中计算1000年。天河二号的总存储容量等于每本能存储10万个单词的600亿本书。生动的例子是电影阿巴达的动画渲染。阿瓦达的动画渲染工作在一年多的时间里动用了大量的超级计算机资源，如果现在采用天河二号，一个月就可以完成。“2020/7/8，19”、“天河2”将于今年下半年在广州超级计算机中心安装。天河二号应用于生物医学、新材料、工程设计和模拟分析、天气预报、气候模拟和海洋环境研究、数字媒体和动画设计等多个领域，开始为多个用户单位提供超级计算服务。2

5、020/7/8，20，第二位：土卫六，美国能源部(DOE)橡果国立研究所。土卫六的运行速度是每秒17亿5900万次。使用560640个AMD皓龙处理器核心和26632个yingweida K20 x加速器。Titan是功耗为8.21兆瓦的最节能超级计算机，性能为2143 Mflops/W。泰坦是2012年11月的超级碗冠军。2020/7/8，21，泰坦，2020/7/8，22，第三位：红杉，安装在美国能源部劳伦斯里博摩尔国家实验室。Sequoia的峰值计算速度为每秒20132万亿次，持续计算测试达到每秒16.324petaflops，即每秒16324万亿次计算。Sequoia使用1572864

6、个核心。功耗为7.84兆瓦。红杉可以用于模拟核试验，延长旧核武器的寿命，避免地下核试验。2020/7/8，23，红杉(sequia)，2020/7/8，24，第4位：北京(k)，北京(k)是日本神户化学研究所AICS基准测试速度为10.51ppflop/s，使用705024个SPARC64处理核心，每秒计算10.1亿次。2020/7/8，25，北京(K)，2020/7/8，26，第10位：天河-1A，天河-1A系统安装在中国国家超级计算天津中心。该系统具有2.57 petaflop的计算速度，即每秒执行2.5亿次运算，具有186368个至强处理器内核。2009年国防科技大学研究开发的天河一号(

7、TH -1)是我国独立开发的第一台计算机能力达到千万的超级计算机。2009年11月，在世界超级计算机TOP500排名中，她排在亚洲第一，世界第五。天河-1A已在2010年八月TH -1基础上升级。在2010年11月的世界超级计算机TOP500排名中，世界第一，在2011年6月的TOP500排名中，世界第二。2020/7/8，27，此次500大名单中，美国252大系统构建欧洲112大系统构建亚洲119大系统(其中中国的66大系统)整体来看，美国仍然主导着世界高性能计算(HPC)的最新动向。2020/7/8，28，1.1.2计算机软件开发，1 .汇编语言阶段(20世纪50年代)2。方案部署阶段(2

8、0世纪60年代)3。分时多用户阶段(20世纪70年代)4。分布式管理阶段(80年代)5。软件重用阶段(1990年代)6。web服务阶段(21世纪初期)，2020/7/8，29，1.2计算机硬件系统，完整的计算机系统由硬件和软件两个主要系统组成。计算机系统、硬件系统构成一台计算机的各种物理设备以及设计和实现技术、软件系统通常包括计算机系统中使用的各种程序和文件、2020/7/8，30，1.2.1计算机硬件系统的功能组件、计算机的基本功能主要包括3360数据处理、数据存储、数据传输和操作控制。要实现这些基本功能，计算机需要相应的功能部件(硬件)来执行相关任务。2020/7/8，31，2020/7/

9、8，32，计算机硬件系统主要包括计算机的5个组件，以及将它们配置为计算机系统的体系结构。2020/7/8，33，1。输入设备，输入设备的主要功能：在计算机中识别程序和数据，并以接受的信息形式输入。典型的输入设备包括键盘、扫描仪、语音输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标和数码相机设备。2020/7/8，34，2。输出设备，输出设备的主要功能：以人们可以接受的信息形式或其他系统要求的信息形式输出计算机处理结果。最常用的输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。计算机的输入、输出设备简称为I/O设备。2020/7/8，35，存储是计算机存储信息的核心，是存储程序和数据的存储部件。存储可以分为主存储(内

10、部存储，即内存，主存储)CPU可以直接访问的存储辅助存储(外部存储，次存储)CPU不能直接访问的高容量、慢存储。辅助存储可以帮助您在主存储中存储更多信息，只有将信息从辅助存储传输到主存储后，CPU才能使用这些信息。3 .存储，2020/7/8，36，主存储划分为多个存储单元。每个单元都有唯一的地址代码。每个主存储单元的长度取决于机器。通常是字节或字节的几倍。按存储访问方法地址进行访问如果需要对存储单元进行读/写操作，则必须首先提供被访问存储单元的地址代码。按内容访问允许按所需内容同时访问阵列中的多个单元。可以按内容访问的存储称为连接的存储。2020/7/8，37，主存储的基本配置，2020/7

11、/8，38，存储：存储二进制信息的主体地址寄存器：存储要访问的存储设备的地址代码，查找通过地址解码选择的存储设备。数据寄存器：与主存储器不同的组件的接口。用于暂时存储从内存中读取(弹出)或写入(存入)的信息。控制逻辑：用于生成内存操作所需的各种定时信号。2020/7/8，39，运算器是完成算术逻辑运算和数据处理的计算机的执行部件。计算系统的核心是算术逻辑部件逻辑单元(ALU)。运算器有多个寄存器，它们临时处理操作数据和中间结果。寄存器通常被称为通用寄存器，因为它被用作累加器、地址更改寄存器、默认地址寄存器等。4运算机，2020/7/8，40，运算机的简单方块图，2020/7/8，41，控制器是

12、整个计算机的指挥中心。用于系统地控制整个计算机系统的各个部件。电脑控制器按照预先编制的程序指挥。程序：故障排除步骤。控制器按照预先确定的故障诊断步骤，系统地自动操作计算机的每个部件。程序作为命令序列保存在内存中，控制器依次读取存储在内存中的程序命令实现控制。这种工作方式称为存储程序方式。2020/7/8，42，1.2.2冯诺依曼专注于计算机的5控制器(CU)，存储程序概念是美国数学家冯诺依曼在1946年首次提出的，为现代计算机奠定了结构基础。几十年来，计算机体系结构发生了很多重大变化，但是存储程序的概念仍然是普遍采用的结构原则，现在广泛使用的计算机仍然属于冯诺伊曼的结构形式。2020/7/8，

13、43，John von neumann，2020/7/8，44，von neumann思想的基本要点：(1)以二进制形式表示数据和说明是程序的基本单元，程序是若干命令的有序集合。在冯诺依曼结构计算机中，指令和数据都以二进制代码的形式保存在内存中。两者在阵列上的状态相同，并且可以按地址访问。命令由两部分组成：操作码和地址代码。Opcode表示命令的操作特性，地址代码表示操作数在阵列中的位置。1 .存储程序想法，2020/7/8，45，(2)以存储程序方式存储：在使用计算机解决问题之前，提前准备程序，并将所需数据与主存储一起存储。在故障诊断过程(运行程序)中，控制器自动按顺序从内存中取出命令并运行

14、，直到根据存储在内存中的程序获得所需结果。存储程序方式是冯诺依曼思想的核心，是计算机高速自动运行的基础。2020/7/8，46，(3)计算机由5个主要部件组成：输入设备、输出设备、计算设备、存储和控制器。CPU:运算符和控制器的统称。计算机主机：CPU和主存储(内存)的统称。I/O设备：输入设备、输出设备和外部存储统称为计算机的外部设备，简称为I/O设备。，2020/7/8，47，2。早期的冯诺依曼计算机在微处理器问世之前，计算设备和控制器都是可拆卸的功能部件。此外，当时内存仍然基于核心内存，存储在计算机上的信息杨怡较少，所以早期冯诺依曼提出的计算机结构以操作机为中心，其他部件可以通过操作机完

15、成信息传递。2020/7/8，48，早期的冯诺依曼计算机组织图，2020/7/8，49，3。现代计算机组织结构是微电子技术的进步，人们成功地开发了微处理器。微处理器将两个主要功能部件-运算机和控制器-组合在一个芯片上。与此同时，随着半导体存储器代替核心内存的使用，存储容量成倍增加，计算机处理、加工的信息量日益增加，计算中心的结构将不再满足计算机发展的要求，也会影响计算机性能。为了适应发展的需要，现代计算机组织结构逐渐变成了内存中心。2020/7/8，50，2020/7/8，51，现代计算机的基本结构仍然在彭诺曼思想，2020/7/8，52，1.3计算机软件系统，软件的角色软件在计算机系统中起到

16、命令和管理的作用软件是计算机用户和硬件的界面。软件是计算机系统结构设计的主要基础。在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统。基本软件系统应包含两大类别：系统软件和应用软件。2020/7/8，53，1.3.1系统软件，是确保计算机系统高效正确运行的一系列基本软件，通常作为系统资源提供给用户。系统软件主要包括操作系统语言处理系统数据库管理系统分布式软件系统网络软件系统多种服务程序、2020/7/8，54，1.3.2应用程序软件，以及用户为解决特定应用程序的各种问题而编写的程序。应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计和处理程序、信息检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。计算机已经应用于各种领域，因