1.3 概論-計算機系統(tǒng)的組織

1.3計算機系統(tǒng)的組織硬件——是指構(gòu)成計算機系統(tǒng)的實體和裝置之類的有形設(shè)備，是組成計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件——是指由硬件所表達的各種內(nèi)在信息，包括數(shù)據(jù)與控制程序。因為它們是無形的東西，所以稱為軟件或軟設(shè)備。1/201.3.1計算機的硬件系統(tǒng)組成CPUM接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線1、硬件系統(tǒng)的基本組成模型2/20※主要功能部件1.CPU（CentralProcessingUnit）主要由運算器、控制器等部件組成。（1）運算器1）功能：完成兩類（算術(shù)和邏輯）運算2）組成特點：3/20主要由ALU(算術(shù)邏輯單元)構(gòu)成，執(zhí)行算術(shù)、邏輯運算以及移位循環(huán)等操作，是CPU功能的主要執(zhí)行部件。ALU以全加器為核心，具有多種運算功能。運算的位數(shù)越多,計算精度就越高,但器件也更復(fù)雜。運算器的數(shù)據(jù)寬度一般是：8位、16位、32位或64位。4/20（2）控制器1）功能：產(chǎn)生控制命令(微命令)，控制全機操作。2）基本組成：微命令發(fā)生器指令信息狀態(tài)信息時序信號微命令序列5/202.存儲器1）功能：存儲數(shù)據(jù)和數(shù)字化后的程序。【注意】不論是數(shù)據(jù),還是程序,存儲器存儲的全是用0或1表示的二進制代碼。存儲器涉及到幾個基本概念：存儲單元：在存儲器中保存一個n位二進制數(shù)的n個存儲電路，組成一個存儲單元。地址：存儲器由許多存儲單元組成,每個存儲單元的編號，稱為地址。6/20存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。存儲容量越大,表示儲存的信息越多，常用的單位有“KB、MB、GB、TB、PB”等；內(nèi)存儲器：即主存，是一種用來存放直接為CPU提供服務(wù)的程序和數(shù)據(jù)存儲器半導(dǎo)體存儲芯片構(gòu)成，特點：工作速度較快，存儲容量比外存小。外存儲器：即輔存，

為計算機配備的存儲容量很大的輔助存儲器。磁盤存儲器、光盤存儲器等，其主要特點是存儲容量大，價格便宜，工作速度較慢。7/20輸出時：處理結(jié)果輸入時：原始信息3.輸入/輸出設(shè)備功能：執(zhí)行輸入/輸出信息的轉(zhuǎn)換。二進制代碼，送入主機；用戶能夠直接感知的形式(字符、圖像、聲音),并輸出給用戶；（二進制代碼）8/204.總線（Bus）能為多個部件分時共享的一組信息傳送通路。根據(jù)傳送的信息不同，可分三類：①傳送各種數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)總線(DataBus);②傳送各種地址信息的地址總線(AddressBus);③傳送各種控制信號的控制總線(ControlBus);9/205.接口外設(shè)的種類、數(shù)量了變，為了將總線與各類外設(shè)連接，須在兩者之間設(shè)置一些部件，具有緩沖、轉(zhuǎn)換、連接等功能，這些部件就是接口。VGA接口顯示器設(shè)備接口其它設(shè)備總線…10/20※計算機硬件的典型架構(gòu)1.微型計算機：南-北橋架構(gòu)CPU北橋芯片組南橋芯片組主存PCI-EHDMI視頻BIOSWIFIPATA、SATA、USB等PCI-E其它I/O總線FSB（掛接網(wǎng)卡、鍵盤和硬盤等外設(shè)）DMI11/20E5-2620芯片組(C600)USB總線（HPProLiantDL300系列）DMI2.小型計算機：多處理器架構(gòu)E5-2620PCI-EWIFIDDR3PCI-EDDR3上行SAS磁盤PCI-ELANPCI-E傳統(tǒng)音頻SATASM總線SuperI/O安全控制芯片…PCI…QPI12/203.超級計算機(超算)：集群式架構(gòu)FT-1500FT-1500FT-1500FT-1500管理集群通信集群路由器路由器路由器路由器存儲集群磁盤陣列磁盤陣列磁盤陣列磁盤陣列計算集群計算節(jié)點計算節(jié)點計算節(jié)點計算節(jié)點（天河-2號，國防科技大學(xué)）8機柜（4096處理器）24機柜（12.4PB）125機柜（16000節(jié)點）13機柜（576路由器）THExpress-2性能：33.86PFLOPS功耗：17.8MW13/20※天河-2號的計算節(jié)點剖析單塊主板2節(jié)點：Phi31S1P(61核)GDDR5,8GBE5-2692(12核)E5-2692(12核)DDR3,32GBDDR3,32GBQPIE5-2692(12核)E5-2692(12核)DDR3,32GBDDR3,32GBQPIPCI-EPCI-EPhi31S1P(61核)GDDR5,8GBAPU(5協(xié)處理器)CPM(4主+1協(xié))14/20多處理機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點：用多處理器CPU構(gòu)成根據(jù)處理器之間連接的緊密程度，又分為：①緊密偶合型多機系統(tǒng)②松散偶合型多機系統(tǒng)15/20CPU1LM1全局MCPUnLMnI/OI/O※緊密偶合型多機系統(tǒng)特點：多個（CPU+LM）組，通過系統(tǒng)總線構(gòu)成多機系統(tǒng)，且有共享的全局主存儲器；16/20※松散偶合多機系統(tǒng)CPU1LM1I/OCASMTS（消息傳送系統(tǒng)）CPUnLMnI/OCAS特點：多個計算節(jié)點，由通信系統(tǒng)連接成的多機系統(tǒng)，無全局的主存儲器。17/201.3.2軟件系統(tǒng)

軟件類別：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序：負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)度管理，提供運行和開發(fā)環(huán)境、各種服務(wù)，確保系統(tǒng)運行良好。應(yīng)用程序：利用計算機來解決應(yīng)用問題所編制的程序,如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等等。18/201.3.3硬、軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)是一個由多層次的軟件+硬件組成的系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：系統(tǒng)分析級用戶程序級應(yīng)用程序級語言處理程序級操作系統(tǒng)級機器指令級微程序級硬件邏輯級軟件部分硬件部分軟硬分界面19/201.3.4軟件與硬件的邏輯