計算機組成原理：第1章 緒論

1、第1章 緒 論 讓我們了解計算機了解哪些 ?計算機的發(fā)展歷史計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機的軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的組織結構計算機的特點和性能指標計算機的分類與應用電子計算機分類按其信息的表示形式和處理方式分類： 電子模擬計算機以連續(xù)變化的量即模擬量表示數(shù)據(jù)，通過電流或電壓的物理變化過程實現(xiàn)運算。受到元器件精度的影響，使其運算精度較低，解題能力有限，信息存儲困難，因而應用面窄。 電子數(shù)字計算機以離散量即數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，應用算術運算法則實現(xiàn)運算。由于具有很強的邏輯判斷功能、龐大的存儲能力，以及計算、模擬、分析問題、操作機器、處理事務等能力，因而得到了極其廣泛的應用。1.1 計算機的發(fā)展歷史電子計算機的誕

2、生 第一臺電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美國誕生。 每秒5000次加法運算； 每秒50次乘法運算； 平方和立方計算； Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運算； 其它更復雜的計算。1955年退役十進制運算18 0001 500150301 500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5 000次加法秒用手工搬動開關和拔插電纜來編程電腦始祖 馮諾依曼 馮諾依曼提出了新的改進方案：一是用二進制代替十進制，進一步提高電子元件的運算速度；二是存儲程序(Stored Program)，即把程序放在計算機內部的存儲器中，換言之，

3、把能進行數(shù)據(jù)處理的程序放在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內部，程序和該程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式儲存，即把程序本身當作數(shù)據(jù)來對待。馮諾依曼的改進方案被稱為“愛達法”(EDVAC)，即離散變量自動電子計算機(Electronic Diserete Variable Computer)的簡稱。 1945年6月，他寫了一篇題為關于離散變量自動電子計算機的草案的論文，第一次提出了在數(shù)字計算機內部的存儲器中存放程序的概念(Stored Program Concept)，這是所有現(xiàn)代電子計算機的范式，被稱為“馮諾依曼結構”。按這一結構建造的電腦稱為存儲程序計算機(Stored Program Computer)，又稱為通用

4、計算機。時至今日，所有的電腦都逃脫不了馮諾依曼的掌心，我們所有的電腦，都有一個共同的名字，叫“馮諾依曼機器”，它超越了品牌、國界、速度和歲月。1.1.1 更新?lián)Q代的計算機硬件（1） 電子管時代（1946年1959年）（2） 晶體管時代（1959年1964年）（3） 中、小規(guī)模集成電路時代（1964年1975年）（4） 超、大規(guī)模集成電路時代（1975年1990年）（5） 超級規(guī)模集成電路時代（1990年現(xiàn)在）代硬件技術速度（次/秒）一電子管40,000二晶體管200,000三中小規(guī)模集成電路1,000,000四大規(guī)模集成電路10,000,000超大規(guī)模集成電路100,000,000第一臺von

5、 Neumann 系統(tǒng)結構的計算機IBM System360 超級計算機（1）IBM: Seaborg6080個 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012)（2）IBM: ASCI White8192個 CPU 最大平均速度 7.304 TF (1012)（3）Linux NetworX : MCR Linux Cluster2304個 CPU 最大平均速度 7.634 TF (1012)（4）HP : ASCI Q4096個 CPU 最大平均速度 13.88 TF (1012)（5）NEC: Earth Simulator2008年超級計算機榜首美國能源部下屬洛斯阿拉莫斯國家實驗室

6、的IBM超級計算機“走鵑”（Roadrunner）以每秒1.105千萬億次的浮點運算速度再度蟬聯(lián)榜首。 2008年超級計算機第十曙光5000A高性能計算機采用最新的四核AMDBarcelona(主頻2.0GHz)處理器，采用基于刀片架構的HPP體系架構，共有約30000顆計算核心，大于100TB海量內存，700TB數(shù)據(jù)存儲能力，采用低延遲的20Gb的網絡互聯(lián)，其設計浮點運算速度峰值為每秒230萬億次，Linpack測試速度預測將達到160T。2009年超級計算機榜首美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的Cray“美洲豹”XT5系統(tǒng)以每秒1.759千萬億次(petaflop/s)的運算速度，在全球超級

7、計算機500強排行榜中首度折桂。美洲豹的科學應用圖從左到右，從上到下依次為：1：極端氣候模擬2：超新星研究3：生命和半衰期4：從光合作用到新燃料5：聚變加速6：模仿火山爆發(fā)應激氣候2009年超級計算機第五由中國國防科大研制的“天河一號”超級計算機以實測速度每秒563.1萬億次位列世界第五、亞洲第一，這也是中國超級計算機迄今獲得的最高名次，也是前十位中唯一非美超級計算機。2010年超級計算機榜首全球超級計算機500強排行榜（又稱TOP500）11月16日在美國新奧爾良會議中心正式揭曉，由中國國防科學技術大學研制的“天河一號”超級計算機排名第一，美國橡樹嶺國家實驗室的“美洲虎”和中國曙光公司研制的

8、“星云”緊隨其后，其他排名前十的超級計算機分別位于日本、法國、德國和美國?！疤旌右惶枴?010年在中國國家超級計算天津中心安裝部署，升級后的實測運算速度可達每秒2570萬億次；排名第二的“美洲虎”超級計算機實測運算速度可達每秒1750萬億次；排名第三的“星云”計算機實測運算速度達到每秒1270萬億次。超級計算機天河一號運算速度 “天河一號”峰值運算速度為每秒4700萬億次。做個換算對比：“天河一號”運算1小時，相當于全國13億人同時計算340年以上的時間；“天河一號”運算1天，相當于1臺雙核的高檔桌面電腦運算620年以上的時間。存儲容量 “天河一號”存儲容量為兩千萬億個字節(jié)。做個換算對比：一個

9、漢字平均為兩個字節(jié)，“天河一號”可在線存儲一千萬億個漢字，相當于存儲100萬漢字的書籍10億冊。2011超級計算機榜首第38屆全球超級計算機五百強排行榜，升級完畢的日本“京”(KComputer)成為人類歷史上第一臺計算能力跨越1億億次每秒的計算系統(tǒng)。在日語中，“京”是一個計量單位，代表1萬萬億。不同于其它近來表現(xiàn)“猖狂”的高性能計算系統(tǒng)，“京”仍舊完全基于傳統(tǒng)處理器，沒有使用GPU加速。現(xiàn)在的“京”配備了88128顆富士通 SPARC 64VIIIfx 2.0GHz八核心處理器。“京”將在明年6月完成整個系統(tǒng)的配置，并于同年11月正式開始運用。除用于模擬演算地震、海嘯、臺風等地球科學及有關宇

10、宙形成的研究外，“京”還將運用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車及飛機的研發(fā)等工作。2011超級計算機榜首2011超級計算機亞軍天河一號A最大性能只有“京”的24.4。事實上，除了一路狂奔的“京”之外，從第二名到到第十一名都沒有多少變化。從超算分布的國家來看，最近兩年增長最快的國家無疑是中國，兩年時間，中國入圍超算總數(shù)從2010年11月的24臺猛增至如今的74臺，平均增長率超過45%。美國作為當今唯一的超級大國，在入圍超算數(shù)量上也保持了一如既往的霸氣，始終占據(jù)著TOP500的半壁江山，其他國家望塵莫及。2012年6月超級計算機排名第一名：紅杉(Sequoia)超級計算機，美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗

11、室/view/c3d6cef17c1cfad6195fa743.html使用紅杉來研究美國核威懾武器的安全性和可靠性2012年6月超級計算機排名第二名：K超級計算機，日本理化學研究所高級計算科學研究所(AICS)第三名：米拉(Mira) 超級計算機，伊利諾伊州阿爾貢國家實驗室第五名：天河-1A，天津國家超級計算中心第十名：星云(Nebulae)，中國深圳2012年11月TOP500強Cray公司的超級計算機Titan以17590TFlop/s的運算速度奪冠，IBM的Sequoia以16324.8TFlop/s的速度奪得亞軍，曾經位列榜首的K Computer以10510TFlop/s屈居第三位

12、。曾在2010年位列榜首的中國最快的超級計算機天河-1A，以2566TFlop/s的運算速度排在第八位。Top 10超級計算機中，有5臺來自美國，德國2臺，中國、意大利與日本各1臺。在整個TOP 500榜單中，251臺來自美國，72臺來自中國。按照平臺來劃分，Top 500超級計算機中76%來自Intel，12%來自AMD，10%來自IBM。2013年6月超級計算機排名1 天河二號是由中國國防科技大學開發(fā)的超級計算機，今年以持續(xù)計算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。部署在廣州的國家超級計算機中心。2 泰坦是一臺安裝在美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實驗室Cray XK7系統(tǒng)的超級計算機

13、。最節(jié)能的系統(tǒng)之一。3 紅杉是安裝在美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一臺IBM藍色基因/ Q系統(tǒng)超級計算機。10 天河-1A，中國天津的國家超級計算中心。/system/2013/06/19/019413676.shtml2013年11月/server/2013/1119/2996063.shtml前三甲分別為中國天河二號、橡樹嶺國家實驗室的泰坦、和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的紅杉。 天河二號是由中國國防科技大學開發(fā)的超級計算機，今年以持續(xù)計算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。 天河二號將于今年年底被部署到廣州的國家超級計算機中心。它的出世比原定計劃提前兩年。天河二號有16,000個

14、節(jié)點，每個節(jié)點兩個Intel Xeon Ivy Bridge的處理器。 2014年6月天河二號以比第二名美國“泰坦”快近一倍速度獲得冠軍除了助力探月工程、載人航天等政府科研項目外，天河二號目前已經逐漸應用于民用領域，比如石油勘探、汽車飛機的設計制造、基因測序等。 傳統(tǒng)手段研發(fā)新車，一般要經過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進行模擬，只需3到5次實車碰撞、兩個月即可實現(xiàn)。 中國商用飛機設計有限公司北京研究中心利用約2.4萬CPU核開展了大型民機全參數(shù)氣動優(yōu)化設計，在天河二號計算6天，完成了其自身計算平臺約需2年的工作量，極大地提高了優(yōu)化工作效率。 華大基因使用的生物信息軟件能迅

15、速在天河二號上運行，不需要再另外進行編程；同時天河二號強大的計算能力，可以快速滿足華大基因海量基因數(shù)據(jù)分析所需的計算資源，節(jié)省大量分析時間。 但是能耗很高，應用軟件缺失。1.1.2 日臻完善的計算機軟件匯編語言階段（20世紀50年代）程序批處理階段（20世紀60年代）分時多用戶階段（20世紀70年代）分布式管理階段（20世紀80年代）軟件重用階段（20世紀90年代）Web服務階段（21世紀初期現(xiàn)在）1.2 計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.1 計算機的功能部件首先思考：計算機的基本功能是什么數(shù)據(jù)加工運算器控制器輸入設備輸出設備主機系統(tǒng)CPU存儲器I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)傳送操作控制（1）輸入設備（2）

16、輸出設備（3）存儲器分為主存儲器（內存）和輔助存儲器（外存）。CPU能夠直接訪問的存儲器是主存。輔助存儲器用于幫助主存記憶更多的信息，輔助存儲器中的信息必須調入主存后，才能為CPU所使用。主存儲器的每個單元都有自己唯一的地址碼，通常是按地址進行訪問的，若對存儲器某個單元進行讀/寫操作，必須首先給出被訪存儲單元的地址碼。主存儲器結構簡圖（4）運算器運算器是計算機的執(zhí)行部件，用于對數(shù)據(jù)的加工處理，完成算術運算和邏輯運算。算術運算是指按照算術運算規(guī)則進行的運算，如加、減、乘、除以及它們的復合運算。邏輯運算則為肺算術性運算，如與、或、非、異或、比較、移位等。其核心是算術邏輯部件（Arithmetic

17、and Logical Unit，ALU）。運算器中還設有若干寄存器，用于暫存操作數(shù)據(jù)和中間結果。由于這些寄存器往往兼?zhèn)涠喾N用途，如用作累加器、變址寄存器、基址寄存器等，所以通常稱為通用寄存器。運算器的簡單框圖見書P6圖1-3。（5）控制器是整個計算機的指揮中心?？刂破骶褪前粗孪劝才藕玫慕忸}不愁，控制計算機各個部件有條不紊地自動工作。程序按指令序列存放在存儲器中，控制器根據(jù)程序實施控制，這種工作方式稱為存儲程序方式。1.2 計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.2 馮諾依曼計算機存儲程序的概念是由美國數(shù)學家馮諾依曼于1946年6月在研究EDVAC計算機時首先提出來的，它奠定了現(xiàn)代計算機的結構基礎。其基

18、本思想如下：（1）計算機由五大部件組成哪五大部件？（2）采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令指令是什么？（3）采用存儲程序方式什么是存儲程序？ 早期的馮諾依曼計算機(圖1-4，P7) 現(xiàn)代計算機組織結構(圖1-5，P7)在微處理器問世之前，運算器和控制器是兩個分離的功能部件，加上當時存儲器還是以磁芯存儲器為主，計算機存儲的信息量較少，因此早期馮諾依曼計算機結構是以運算器為中心的，其他部件都通過運算器完成信息的傳遞。微處理器將運算器和控制器兩個主要功能部件合二為一，集成到一個芯片里?，F(xiàn)代計算機組織結構逐步轉變?yōu)橐源鎯ζ鳛橹行?，但是現(xiàn)代計算機的基本結構仍然遵循馮諾依曼思想。1.3 計算機的軟件系統(tǒng)1.3.1 系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng) 語言處理程序 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 分布式軟件系統(tǒng) 網絡軟件系統(tǒng) 各種服務程序應用軟件應用軟件是指用戶為解決某個應用領域中的各類問題而編制的程序，如各種科學計算類程序、工程設計類程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理程序、情報檢索程序、企業(yè)管理程序、生產過程控制程序等。目前應用軟件正向標準化、集成化方向發(fā)展，許多通用