中國海洋大學計算機組成原理課件(第1章)

ForStudentsofLab2010(ComputerOrganizationPrinciples)主講教師蔣永國(jiangyg@)

(信息學院南樓,B313室)實驗教師

徐惠敏(yziping@)

計算機硬件系統(tǒng)組成(章節(jié)分配)運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備總線和I/O接口高速緩存虛擬存儲器(磁盤設備)第一部分(2,3章)第二部分(5,6章)第三部分(4,7,8章)第四部分(9,10章)第1章計算機系統(tǒng)概論(目錄部分)1.1計算機的語言

1.2計算機的硬件1.3計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4電子計算機的發(fā)展簡史1.5計算機的應用1.6

計算機網(wǎng)絡1.7習題與作業(yè)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的語言)計算機語言分為低級語言(機器語言、匯編語言)和高級語言兩類。也可分為機器語言、通用的編程語言(匯編語言、高級語言)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的語言)計算機的語言自然語言：人類相互交流信息所用的語言。高級語言：和自然語言接近并能為計算機接受的語言，這種語言被稱為計算機的高級語言。

BASIC,PASCAL,C,JAVA….機器語言：由二進制代碼表示的指令組成，計算機能直接執(zhí)行的語言，這種語言被稱為機器語言.

1000101111000011匯編語言：符號式(助記符mnemonicsymbol）程序設計語言。

MOVAX,BX第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的語言)需要進一步說明的地方：機器語言:計算機所能識別的語言只有機器語言，即由0和1構(gòu)成的代碼。但通常人們編程時，不采用機器語言，因為它非常難于記憶和識別。匯編語言:實質(zhì)和機器語言是相同的，都是對硬件操作，只不過指令采用英文縮寫的標識符，更容易識別和記憶。高級語言:指更接近于人們?nèi)粘Ｊ褂玫臅嬲Z言、用來編制程序的語言,高級語言主要是相對于匯編語言而言，它并不是特指某一種具體的語言，而是包括了很多編程語言，如目前流行的VB、VC、Delphi等，這些語言的語法、命令格式都各不相同。(經(jīng)過編譯和解釋兩種方式“翻譯”成目標代碼(機器語言),才能被計算機識別)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的語言)1、指令是對計算機進行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。2、指令格式操作碼地址碼機器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置）

3、工作原理

不斷的取指令和執(zhí)行指令，最后將計算的結(jié)果放入指令指定的存儲器地址中。例如：ADDAX,BXBASIC語言語句：LETd=b*b-4*a*c機器語言：1.MULBB;b2送B2.MULAE;4a送入A3.MULAC;4ac送A4.SUBBA;b2–4ac送B5.MOVDB;b2–4ac從B送到DAaBbCcDdE4將指令存放在相鄰的存儲單元中：nMULn+7n+7;b2送Bn+1MULn+6n+10;4a送入An+2MULn+6n+8;4ac送An+3SUBn+7n+6;b2–4ac送Bn+4MOVn+9n+7;b2–4ac從B送到Dn+5HLT;停機指令n+6an+7bn+8cn+9dn+104計算機的硬件（Hardware）組成(計算機的硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計算機的所有物理部件的集合。通常這些部件是由電子磁性、光元器件、機械等物理部件組成)算盤運算器紙存儲器筆輸入/輸出設備大腦控制器第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)運算存儲（記錄）控制（協(xié)調(diào)）CPU(中央處理器)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)運算器存儲器I/O設備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制器CPUI/O接口I/O設備I/O接口組成計算機的基本部件有中央處理器CPU（運算器和控制器）、存儲器和輸入、輸出設備。運算控制部件（CPU)存儲器輸入/輸出輸入/輸出地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB……第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)圖1.1以總線連接的計算機框圖第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線分類:單向總線雙向總線傳送方向數(shù)據(jù)總線控制總線信息種類地址總線單總線三總線總線數(shù)目雙總線內(nèi)總線外總線物理位置單向總線雙向總線傳送方式芯片級總線:接口總線:三個層次系統(tǒng)總線:一個功能部件內(nèi)部的總線，CPU內(nèi)

單機系統(tǒng)各功能部件間的總線

連接不同系統(tǒng)的總線

第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):1.面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點：簡單，對總線傳輸速率要求低缺點：I/O設備與內(nèi)存交換信息需經(jīng)CPU，CPU效率低第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):2.單總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點：設備擴充、增刪方便、靈活缺點：分時使用總線第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):3.面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點：存取速度提高，減輕了系統(tǒng)總線負擔缺點：硬件成本高，總線控制邏輯復雜

第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機常用總線結(jié)構(gòu)⑴按相對于CPU或其它芯片的位置可分為

?片內(nèi)總線:在CPU內(nèi)部，寄存器之間和算術邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線。

?片外總線:是CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設備接口之間進行通訊的通路。⑵按總線的功能可分為

?地址總線(ABus),數(shù)據(jù)總線(DBus),控制總線(CBus)⑶按總線的層次結(jié)構(gòu)可分為

?CPU總線:包括地址線(CAB)、數(shù)據(jù)線(CDB)和控制線(CCB)，它用來連接CPU和控制芯片。

?存貯總線:包括地址線(MAB)、數(shù)據(jù)線(MDB)和控制線(MCB)，用來連接存儲控制器和DRAM。

?系統(tǒng)總線:也稱為I/O通道總線，包括地址線(SAB)、數(shù)據(jù)線(SDB)和控制線(SCB)，用來與擴充插槽上的各擴充板卡相連接。系統(tǒng)總線有多種標準，以適用于各種系統(tǒng)。

?外部總線：用來連接外設控制芯片，如主機板上的I/O控制器和鍵盤控制器。包括地址線(XAB)、數(shù)據(jù)線(XDB)和控制線(XCB)。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機常用總線結(jié)構(gòu)注意:

?CPU總線、存儲總線、外部總線在系統(tǒng)板上，不同的系統(tǒng)采用不同的芯片集。這些總線不完全相同，也不存在互換性問題。?系統(tǒng)總線是與I/O擴充插槽相連的，I/O插槽中可插入各式各樣的擴充板卡，作為各種外設的適配器與外設連接。系統(tǒng)總線必須有統(tǒng)一的標準，以便按照這些標準設計各類適配卡。

?我們要討論的總線就是系統(tǒng)總線，各種總線標準也主要是指系統(tǒng)總線的標準(PC機上的系統(tǒng)總線又可分為ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多種標準)。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機常用總線結(jié)構(gòu)⑷按總線在微機系統(tǒng)中的位置可分為：

?機內(nèi)總線:上面介紹的各類都是機內(nèi)總線。

?機外總線(PeripheralBus—外設總線):指與外部設備接口的總線，實際上是一種外設的接口標準。說明:目前PC機上流行的接口標準：IDE、SCSI、USB和IEEE1394，前兩種主要是與硬盤、光驅(qū)等IDE設備接口，后面兩種新型外部總線可以用來連接多種外部設備。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機常用總線結(jié)構(gòu)(5)局部總線在以Windows為代表的圖形用戶接口(GUI)進入PC機之后，要求有高速的圖形描繪能力和I/O處理能力。這不僅要求圖形適配卡要改善其性能，也對總線的速度提出了挑戰(zhàn)。實際上當時外設的速度已有了很大的提高，如硬磁盤與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸率已達10MB/s以上，圖形控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸率也達到69MB/s。通常認為I/O總線的速度應為外設速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已遠遠不能適應要求，而成為整個系統(tǒng)的主要瓶頸。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機常用總線結(jié)構(gòu)(5)局部總線

?局部總線是PC體系結(jié)構(gòu)的重大發(fā)展。它打破了數(shù)據(jù)I/O的瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮。

?從結(jié)構(gòu)上看，所謂局部總線是在ISA總線和CPU總線之間增加的一級總線或管理層。這樣可將一些高速外設，如圖形卡、硬盤控制器等從ISA總線上卸下而通過局部總線直接掛接到CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配。

?局部總線可分為三種：專用局部總線:如NEC、Dell、HP等,為自己系統(tǒng)開發(fā)的專用總線,用于圖形處理、網(wǎng)絡傳輸?shù)?它們是非標準的,不能通用，也不被廣大兼容機采用。

☆

VL總線(VESALocalBus)☆PCI總線

VL總線和PCI總線都是通用總線，但VL總線只是適用于486的一種過渡標準，目前已經(jīng)淘汰。586以上檔次的微機普遍采用PCI總線。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機常用總線結(jié)構(gòu)CPU(微處理器)介紹微處理器主流廠家大型機IBM、SUN微機Intel、AMD嵌入式ARM、MIPS中國芯：龍芯MIPS公司:MicroprocessorwithoutinterlockedpipedstagesARM公司:AdvancedRISCMachine微處理器發(fā)展簡史微處理器IBMIntelAMD(AdvancedMicroDevices)(超微)微處理器的發(fā)展(機械時代)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展(進入機電時代)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)”晶體管之父”的肖克利（W.Shockley）博士諾宜斯（N.Noyce）、摩爾（R.Moore）、布蘭克（J.Blank）、克萊爾（E.Kliner）、赫爾尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、羅伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆仙童半導體公司FairChild集成電路之父杰克·基爾比微處理器的發(fā)展----英特爾Intel(Integrated/Electronics)的元老第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)摩爾諾宜斯葛洛夫Intel微處理器發(fā)展歷史－4004第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1971年11月Intel面世了微處理器4004。這款芯片的架構(gòu)為4bit。4004

是英特爾推出的第一款微處理器。這一突破性的發(fā)明最先應用于Busicom

計算器，為無生命體和個人計算機的智能嵌入鋪平了道路。晶體管數(shù)量：2,300速度：108KHzIntel的第一款微處理器是給日本人做計算器用的Intel微處理器發(fā)展歷史－8008第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1972

年：8008

微處理器誕生8008的性能是4004

的兩倍。1974

年，RadioElectronics發(fā)表的一篇文章指出一款名為Mark-8

的設備采用了

8008。Mark-8

是第一批家用計算機之一，而以今天的標準來看該產(chǎn)品很難進行構(gòu)建、維護和操作。晶體管數(shù)量：3,500速度：200KHzIntel微處理器發(fā)展歷史－8080第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1974

年：8080

微處理器8080

有幸成為了第一款個人計算機Altair

的大腦。Altair

這個名稱是源《星際旅行》電視節(jié)目中一個星際飛行計劃（StarshipEnterprise）的目的地名稱。計算機愛好者花費395

美元即可購得Altair

套件。數(shù)月內(nèi)，Altair

的銷售量達到數(shù)萬臺，造成了電腦銷售歷史上第一次缺貨現(xiàn)象。晶體管數(shù)量：6,000速度：2MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－808*第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1978

年：8086-8088微處理器英特爾成功將8088

銷售給IBM全新的個人計算機部門，使得8088

成為了IBM

全新熱銷產(chǎn)品-IBMPC

的大腦。8088

的大獲成功使英特爾順利躋身財富500

強之列，《財富》雜志將該公司評為“七十大商業(yè)奇跡之一（BusinessTriumphsoftheSeventies）”。晶體管數(shù)量：29,000速度：5MHz,8MHz,10MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－286第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1982

年：286

微處理器286

也稱為

80286，是英特爾第一款具有完全兼容性的處理器，即可以運行所有針對其前代處理器編寫的軟件。這一軟件兼容性也成為了英特爾處理器家族一個恒久不變的特點。該產(chǎn)品發(fā)布后的6

年內(nèi)，全世界基于286

處理器的個人計算機便達到了大約1,500萬臺。晶體管數(shù)量：

134,000速度：6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－386第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1985

年：英特爾?386?

微處理器英特爾?386?

微處理器采用275,000個晶體管——約是最初的4004

處理器的100

多倍。它是一個32

位的“多任務”芯片——即可以同時運行多個程序。每秒可以處理500萬條指令，并且可以運行所有流行的操作系統(tǒng)包括Windows*

晶體管數(shù)量：275,000速度：16MHz、20MHz、25MHz、33MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－486第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1989

年：英特爾?486?DXCPU

微處理器下一代處理器英特爾?486?

處理器真正意味著您從命令形式的進入到了point-and-click的計算時代。英特爾?486?

處理器首次采用內(nèi)建的數(shù)學協(xié)處理器，將負載的數(shù)學運算功能從中央處理器中分離出來，從而顯著加快了計算速度。晶體管數(shù)量：120

萬速度：25MHz,33MHz,50MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－奔騰第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1993

年：英特爾奔騰處理器英特爾

奔騰處理器支持計算機更輕松的集成“現(xiàn)實世界”數(shù)據(jù)，如語音、聲音、手寫體和圖片等。晶體管數(shù)量：310

萬速度：60MHz、66MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－奔騰II第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1997年：英特爾奔騰II

處理器匯集750萬個晶體管的英特爾?

奔騰?

II

處理器采用了英特爾?MMX?

技術。該技術專門設計用于高效處理視頻、音頻和圖形數(shù)據(jù)。它采用創(chuàng)新的單邊接觸（S.E.C.）卡盒推出，同時還集成了高速的高速緩存內(nèi)存芯片。晶體管數(shù)量：750

萬速度：200MHz、233MHz、266MHz、300MHz微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)Intel微處理器發(fā)展歷史－奔騰III第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1999年：英特爾奔騰III處理器英特爾

奔騰

III

處理器采用了70條新指令——互聯(lián)網(wǎng)SIMD

流指令擴展，顯著增強了高級圖像、3D、音頻流、視頻和語音識別應用的性能。處理器采用0.25

微米技術制造。晶體管數(shù)量：950

萬速度：650MHz

至1.2GHzIntel微處理器發(fā)展歷史－奔騰4第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)2000

年：英特爾?奔騰?4

處理器處理器首次采用4,200萬個晶體管和0.18

微米的電路線。晶體管數(shù)量：4,200

萬速度：1.30、1.40、1.50、1.70、1.802001

年8月:英特爾?奔騰?4

處理器——達到2GHz

里程碑2002

年11月：含超線程（HT）技術的英特爾?奔騰?4處理器英特爾在全新英特爾?奔騰?4處理器3.06GHz上推出其創(chuàng)新超線程（HT）技術。1998年英特爾發(fā)布了PentiumIIXeon處理器。第一代Xeon采用了同PentiumII一樣的SECC封裝，但是使用了Slot2接口。Xeon將處理器的二級緩存放在了處理器板上，、使用的是1MB甚至2MB的全速二級緩存（PentiumII的二級緩存是以處理器主頻的二分之一工作的），而且采用的是Intel自行開發(fā)的靜態(tài)緩存（其原理還是不大清楚）能夠提升緩存的工作效率。另外提升了SMP能力，配合450NX芯片組可以支持最大8個處理器共同工作。另外Intel還為工作站推出了450GX芯片組，支持雙至強工作和2GBECC內(nèi)存！Intel服務器級芯片—Xeon(至強)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)Intel服務器級芯片—安騰第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)2001年英特爾發(fā)布了ItaniumItanium處理器是英特爾第一款64位元的產(chǎn)品.在Itanium處理器中體現(xiàn)了一種全新的設計思想，完全是基于平行并發(fā)計算而設計（EPIC）.2002年英特爾發(fā)布了Itanium2處理器Itanium2處理器是以Itanium架構(gòu)為基礎所建立與擴充的產(chǎn)品，通過模擬運行可以兼容32位運算.Itanium2具有6.4GB/sec的系統(tǒng)總線帶寬、最高達到16MB的L3緩存。微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)2005：IntelPentiumD處理器

(正式揭開了x86處理器多核心時代)Intel微處理器發(fā)展歷史－酷睿第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)2006年：IntelCore2Duo

處理器(其E67002.6GHz型號比先前推出之最強的IntelPentiumD960(3.6GHz)處理器，在性能方面提升了40%，省電效率也增加40%，Core2Duo處理器內(nèi)含2.91億顆晶體管。)2006

年7

月：英特爾公司發(fā)布了十款全新酷睿?2

雙核處理器和酷睿?至尊處理器全新處理器可實現(xiàn)高達40%

的性能提升其能效比最出色的英特爾奔騰處理器高出40%。英特爾

酷睿?2

雙核處理器包含2.91

億個晶體管。微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)2007年：45納米處理器(英特爾Core2至尊四核處理器QX9650)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)配備80核微處理器的試制主板位于中央的方形封裝中安裝了80核微處理器。封裝連接2根水管，利用水冷技術冷卻封裝和芯片。通過連接底板部分的紅、黑電源線供電。微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)2009年：32納米處理器?????????微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)1、4位微處理器(Intel4004)

2、8位微處理器

(Intel8080)

3、16位微處理器

(Intel8086/8088,80286)

4、32位微處理器

(Intel80386/80486/Pentium)

5

、

64位微處理器(IntelItanium安騰處理器)微處理器的發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)AMD微處理器發(fā)展歷史－K5第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)AMD處理器被人們廣泛了解是從AMDK5開始的。AMDK5內(nèi)建430萬晶體管，350nm工藝。K5是AMD

公司第一塊自行設計的處理器，時鐘頻率有90MHz、100MHz、120MHz

等幾款。由于推出的時間較晚，因此剛一推出就面臨著被Intel

公司淘汰出局的悲慘命運。AMD微處理器發(fā)展歷史－K6-2第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)在AMDK6時代最為有名的是AMDK6-2。K6-2是相當成功的產(chǎn)品，主因歸于低價電腦的盛行AMDK6-2處理器采用了0.25微米五層金屬工藝制造，內(nèi)含930萬個晶體管。AMDK6-2的最大特色是采用了3DNow!技術。采用3DNow!技術的K6－2，具有單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)性能，即用一條指令便可同時處理多個數(shù)據(jù)，明顯加快了CPU的3D處理速度。K6－2/300的性能直逼PⅡ300，而價格卻相對便宜.AMD微處理器發(fā)展歷史－K6-2+第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)接著AMD推出了K6-2+和K6-3型處理器。這兩款產(chǎn)品都可以看作K6-2的升級版，其中K6-3比K6-2+先推出。這兩款處理器與K6-2的區(qū)別在于二級緩存的不同。K6-2的二級緩存是建立在主板上的，并以外頻速度來工作。而K6-3效仿PIII處理器，把二級緩存放進了CPU內(nèi)部。

AMD微處理器發(fā)展歷史－K7第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)接著就到了AMDK7的時代。Duron（毒龍）處理器是K7時代的低端處理器。Duron（毒龍）的L1和L2Cache均采用的是全速Cache，運行速度和處理器核心同速，性能和Thunderbird(雷鳥)一樣強大。AthlonXP（速龍）處理器是AMD的一款成功之作。Athlon

XP（速龍）處理器與雷鳥相比較的改進在于支持SSE指令集并且一級緩存中的數(shù)據(jù)TLB（轉(zhuǎn)換表緩沖區(qū)）由32增加到了40個記錄，數(shù)據(jù)與指令的L1和L2TLB可以分別獨立運行，而且TLB記錄能夠推斷來預先寫入。

隨后Thoroughbred取代了Palomino核心的AthlonXP處理器。在為了應對800MHz前端總線的P4時，AMD又推出了采用512KB二級緩存，333/400MHz前端總線的Barton核心的處理器.AMD微處理器發(fā)展歷史－K8第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)自從K7架構(gòu)取得無比輝煌的成功后，AMD就一直秘密進行著自己的下一代處理器K8的研發(fā)工作2003年4月22日面向高端服務器市場代號Opteron的AthlonFX正式發(fā)布，緊接著在同年9月23日，代號ClawHammer的Athlon64處理器發(fā)布，Athlon64的出現(xiàn)正式宣告PC走向64位運算。AMD為K8增加了一套通用寄存器（General-purposeRegisters，簡稱“GPR”），使的K8的GPR數(shù)量達到16個.IBMPower系列第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)POWER

是PowerOptimizationWithEnhancedRISC

的縮寫，是IBM的很多服務器、工作站和超級計算機的主要處理器。POWER

芯片起源于801CPU，是第二代RISC

處理器。POWER

芯片在1990年被RS

或RISC

System/6000UNIX

工作站（現(xiàn)在稱為

eServer

和pSeries）采用POWER

的產(chǎn)品有POWER1、POWER2、POWER3，POWER4，POWER5等。最新是POWER6.IBMPower系列第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)微處理器發(fā)展趨勢???現(xiàn)實的解決方案一：多核(Mulitcore)頻率瓶頸由于晶體管數(shù)量倍增，會導致硅芯片所需要的電能、耗費功率大幅提升，甚至成幾何級數(shù)的增加多核處理器可以解決功耗和性能比的問題目前常見2核、4核、8核、16核68核、80核、2xx核計算能力將>2TFlops多核處理器設計包括核間通訊cache設計片內(nèi)總線設計總線->NOC（networkonchip）現(xiàn)實的解決方案一：挑戰(zhàn)軟件怎么利用多核尚未解決操作系統(tǒng)方案一:當作多處理器看待，不能發(fā)揮封裝在一個核的優(yōu)點方案二:虛擬化，把多核虛擬為一核，犧牲性能方案三:定制，重寫操作系統(tǒng)與編譯器，無產(chǎn)品應用軟件計算型軟件，容易并行信息處理軟件，串行的，怎么用多核課程知識更新快速現(xiàn)實的解決方案一：疑惑雙核是兩個單核焊接在一起么四核是兩個雙核焊接在一起么處理器中其他器件怎么連接Intel、AMD給出不同的答案真假四核現(xiàn)實的解決方案二：可重構(gòu)處理器架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)不固定微處理器可以針對不同的應用修改自己的體系結(jié)構(gòu)達到性能最優(yōu)、功耗更低的目的不增加硬件開銷又稱軟微處理器在MPSOC中，經(jīng)常有FPGA等可重構(gòu)器件現(xiàn)實的解決方案二：挑戰(zhàn)全新架構(gòu)，無一定規(guī)格硬件設計重構(gòu)成什么微處理器專用微處理器核有：XML、JAVA、壓縮、加密、網(wǎng)絡、多媒體軟件設計軟件架構(gòu)如何運行軟件有沒有其他解決方案?產(chǎn)業(yè)界主導的技術，而非研究機構(gòu)最強的研究力量都在業(yè)界推出既是標準競爭使得對手越來越少封裝與制造工藝——SOCKET、SlotSocket插座安裝CPUSocket4、Socket5、Socket7、Socket370(Pentium

時代的

CPU插座從Socket4

開始,它有273個腳，工作電壓為5V。正是因為它的工作電壓太高，所以它并沒有怎么流行就被Socket5

取代了。Socket4

只能支持60－66MHz

的Pentium。)(Socket370從名字就可以看出Socket370

插座有370

個管腳。在

Intel

找到了把處理器內(nèi)核和

L2

緩存很便宜的做在一起的方法之后，它的CPU

插座從Slot

回到了Socket。Socket370是基于Socket7

的，它不過只是在插座的四邊每一邊加了一排管腳。首先采用Socket370

的是PPGA

封裝的Celeron，接著是

FC-PGA

封裝的

PentiumIII

和CeleronII。同樣也有Socket370

到Slot1

的轉(zhuǎn)接卡。目前Intel的主流CPU

都是Socket370

類型的。)Slot1一個狹長的242引腳的插槽Slot1、Slot2接口標準、SlotA接口標準運算器運算器是一個數(shù)據(jù)加工部件，主要完成二進制算術運算及邏輯運算電子計算機中采用二進制數(shù)的原因運算規(guī)律簡單，在電子器件中比較容易實現(xiàn)運算器的位數(shù)越多，計算的精度就越高，但是所費的電子器件也越多，成本就高。目前計算機的運算長度一般為8位、16位、32位或64位。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)控制器

控制器是計算機的決策部件，通過指令譯碼產(chǎn)生各操作控制信號，控制各部件有條不紊地工作設計目標：容量大、速度快、成本低；同時計算機還應具有響應外部突發(fā)事件的能力，控制器能在適當?shù)臅r刻響應這些外部的請求，并作出處理。將解題的程序（指令序列）存放到存儲器中稱為存儲程序控制器依據(jù)存儲器的程序來控制全機協(xié)調(diào)地完成計算任務叫做程序控制存儲器

存儲器的功能是保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟設計目標：容量大、速度快、成本低為解決容量與成本的矛盾：將存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器：由半導體存儲器（RAM、ROM）構(gòu)成，特點：速度快、但成本高，存放正在運行和處理的程序和數(shù)據(jù)外存儲器：由磁盤、磁帶、光盤、移動存儲器等構(gòu)成，特點：容量大、成本低，可脫機保存信息，存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)存儲器一組基本概念主存儲器一般由半導體器件構(gòu)成，最基本的單元是一個記憶二進制數(shù)碼（0或1）的記憶元件，它所記憶的是二進制信息中的一個數(shù)位（bit），稱為存儲元若干個存儲元組成一個存儲單元，微機中的一個存儲單元通常為8bit，存放一個“字節(jié)”(Byte,簡稱B)的二進制信息，1Byte=8bit，但一個存儲單元也可以是16位、32位、64位等第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)最小單位：位(Bit)基本單位：字節(jié)(Byte)，也是常用單位d0d1d2d3d4d5d6d7位字節(jié)存儲器(信息的存儲單位)第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)存儲器(其它存儲單位)(存儲器容量常以字節(jié)為單位計量)千字節(jié)(KB) 1KB=1024Bytes兆字節(jié)(MB) 1MB=210KB吉字節(jié)(GB) 1GB=210MB太字節(jié)(TB) 1TB=210GB第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)存儲器中每個存儲單元都有編號，稱為地址。向存儲器中寫數(shù)或者從存儲器中讀數(shù)，都是按給定的地址來尋找所選的存儲單元。存儲器中所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲器的存儲容量。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)存儲器(地址與容量)輸入設備的作用是把人們熟悉的某種形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設備的作用是把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它機器設備所能接收和識別的信息形式I/O接口(適配器)，相當于一個轉(zhuǎn)換器，它可以保證外圍設備用計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息；由于不同的I/O設備在許多方面存在差異，所以適配器的種類很多，有專用的，也有通用的第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)I/O系統(tǒng)（接口與I/O設備）系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路借助系統(tǒng)總線，計算機在各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作系統(tǒng)總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機的硬件)系統(tǒng)總線第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))用高級語言編寫程序翻譯成機器語言執(zhí)行程序人工編寫計算機上運行源程序sourceprogram目標程序objectprogram輸出結(jié)果outcome圖1.2計算機的解題過程計算機上運行第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))高級語言虛擬機器的層次結(jié)構(gòu)虛擬機器M3（高級語言機器）虛擬機器M2實際機器M1匯編語言或中間語言機器翻譯程序：編譯程序和解釋程序第一代語言1GL2GL、3GL、4GL第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))高級語言虛擬機器的層次結(jié)構(gòu)翻譯程序編譯程序:將編寫的源程序中全部語句翻譯成機器語言程序后，再執(zhí)行機器語言程序。解釋程序:在將源程序的一條語句翻譯成機器語言以后立即執(zhí)行它，然后再翻譯執(zhí)行下一條語句。它的特點是翻譯一次只能執(zhí)行一次，當?shù)诙沃貜蛨?zhí)行該語句時，要重新翻譯，因而效率較低。第1章計算機系統(tǒng)概論(計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)虛擬機器M4（高級語言機器）虛擬機器M3（匯編語言或中間語言機器）虛擬機器M2（操作系統(tǒng)語言機器）實際機器M1（機器語言機器）高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言或中間語言機器本級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成機器語言程序或操作系統(tǒng)語言一般用機器語言解釋操作系統(tǒng)語言由硬件或微程序執(zhí)行機器語言第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)第一臺電子計算機(ENIAC)第一臺電子計算機（通用可編程序）18800電子管30噸150平方米140kw5000次十進制加法/秒1946年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機ENIAC

(ElectronicNumerical

IntegratorAndComputer)第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)?？颂?右)莫克利(左)ENIACENIACENIAC：永遠是光輝的起點ENIAC最初是為了進行彈道計算而設計的專用計算機。1996年2月15日，在ENIAC問世50周年之際，美國副總統(tǒng)戈爾在賓夕法尼亞大學舉行的隆重紀念儀式上，再次按動了啟動電鈕。戈爾在向當年參加ENIAC的研制、如今仍健在科學家發(fā)表講話:“我謹向當年研制這臺計算機的先驅(qū)者們表示祝賀?！?/p>

為了改進程序的輸入方式：美國數(shù)學家馮·諾依曼，提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機構(gòu)想。提出并描述一個計算機模型EDVAC(Electronic

DiscreteVariableAutomaticComputer,離散變量自動計算機),1952年才調(diào)試成功.

ENIAC的特點：十進制表示程序用插線開關實現(xiàn)第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)VonNeumann,EDVAC第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼

(JohnVonNeumann)美籍匈牙利科學家，現(xiàn)代計算機之父，率先奠定了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)是計算機組成原理討論的基礎，其基本設計思想就是存儲程序和程序控制，具有以下特點：由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部件組成計算機系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。采用存儲程序方式，這是馮·諾依曼思想的核心內(nèi)容，它意味著事先編制程序，事先將程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入主存儲器中，計算機在運行程序時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行。采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成。指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址，一般按順序替增。機器以運算器為中心，數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器。上述這些概念奠定了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)思想，到目前為止，絕大多數(shù)計算機仍沿用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)第一臺可操作的存儲程序機器---Mark-I1948年，曼徹斯特大學,小型計算機樣機第一臺全面的、可操作的、存儲程序計算機—EDSAC：ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator1949年，EDSAC開始運行1949年5月.英國劍橋大學威爾克斯(M.Wilkes),摘取了1967年度計算機世界最高獎—“ACM圖靈獎”。第一臺成功的商業(yè)化計算機，UNIVAC-I機1951年由?？颂?莫克利研制成功，1952年準確預測美國總統(tǒng)大選。1952年，IBM公司推出了它的第一臺機器IBM701。第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)ManchesterMarkI,originpicture第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)TheEDSAC,takenshortlyafteritscompletioninMay1949第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)英國皇家科學院院士、計算技術的先驅(qū)莫里斯·威爾克斯(MauriceVincentWilkes)(1967年獲得第二屆圖靈獎)威爾克斯在設計與建造EDSAC過程中，決不是簡單地模仿和照搬EDVAC的設計，而是創(chuàng)造和發(fā)明了許多新的技術和概念，例如“變址”；“宏指令”；微程序設計；子例程及子例程庫；高速緩存Cache等等。所有這些都對現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和程序設計技術產(chǎn)生了深遠的影響。威爾克斯的貢獻是多方面的，當之無愧地成為第二屆圖靈獎獲得者。UNIVACI第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)IBM701第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)第1章計算機系統(tǒng)概論(電子計算機的發(fā)展簡史)電子計算機的發(fā)展第一代電子管計算機(1946年—1957年)

第二代晶體管計算機(1958年—1964年)

第三代集成電路計算機(1965年—1971年)

第四代大規(guī)模集成電路(1972年—至今)

其實，電子計算機的發(fā)展是緊隨著電子技術的發(fā)展而發(fā)展的。

電子技術的發(fā)展過程是：Electronictube(電子管)→Transistor(晶體管)→IC(集成電路IntegratingCircuit)→LSI(大規(guī)模集成電路LargeScaleIntegration)→VISI(超大規(guī)模集成電路VeryLargeScaleIntegration)→SVLSI(超大規(guī)模集成電路Super—VLSI)。

PowerSupply,ConsoleUnit,Read-PunchUnit

IBM650小型機

1954年電子管時代IBM709大型機

1958年電子管時代CDC6600

大型機

1964年晶體管時代CDC7600

大型機

1969年晶體管時代集成電路時代IBM360系列

1964年大型機IBM370

IBM370/158大型機IBMS/390

Generation51998年5月硬件技術對計算機更新?lián)Q代的影響

100000000超大規(guī)模集成電路

1978~現(xiàn)在

10000000大規(guī)模集成電路

1972~1977

1000000中小規(guī)模集成電路

1965~1971

200000晶體管

1958~1964

40000電子管

1946~1957速度（次/秒）硬件技術時間代三四二一Cray-1CrayX-MPCDC–CYBER205PDP–11VAX11/780銀河-I巨型計算機：1983年12月,第一臺億次巨型計算機由國防科技大學計算機研究所研制成功銀河-II巨型計算機：由國防科技大學計算機研究所于1992年11