第 1 章 計算機系統(tǒng)概論(計算機組成原理)

2024/3/181第1章計算機系統(tǒng)概論2024/3/182本章學(xué)習(xí)內(nèi)容計算機的發(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(jié)構(gòu)計算機的特點和性能指標(biāo)計算機的分類與應(yīng)用2024/3/183問題世界上第一臺電子計算機？計算機硬件、軟件的發(fā)展及趨勢？硬件和軟件的關(guān)系？計算機普遍采用的結(jié)構(gòu)原則/設(shè)計思想？計算機硬件的有效連接方式？主要性能指標(biāo)？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(yīng)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(yīng)用算術(shù)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(wù)等能力，因而得到了極其廣泛的應(yīng)用。電子計算機的誕生第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）于1946年在美國誕生。①每秒5000次加法運算；②每秒50次乘法運算；③平方和立方計算；④Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運算；⑤其它更復(fù)雜的計算。5十進(jìn)制運算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程1955年退役電腦始祖

—馮·諾依曼馮·諾依曼提出“愛達(dá)法”(EDVAC)，離散變量自動電子計算機(ElectronicDiscreteVariableComputer)改進(jìn)方案：一是用二進(jìn)制代替十進(jìn)制，進(jìn)一步提高電子元件的運算速度；二是存儲程序(StoredProgram)，即把程序放在計算機內(nèi)部的存儲器中，把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來對待。1945年6月，他寫了一篇題為《關(guān)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(nèi)部的存儲器中存放程序的概念，這是所有現(xiàn)代電子計算機的范式，被稱為“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”。按這一結(jié)構(gòu)建造的電腦稱為存儲程序計算機(StoredProgramComputer)，又稱為通用計算機。72024/3/1881.1計算機的發(fā)展歷史

1.1.1更新?lián)Q代的計算機硬件1.

電子管時代（20世紀(jì)40年代中期～50年代中期）2.晶體管時代（20世紀(jì)50年代末期～60年代中期）3.中、小規(guī)模集成電路時代（20世紀(jì)60年代中期～70年代中期）4.超大規(guī)模集成電路時代（20世紀(jì)70年代中期～90年代初期）5.超級規(guī)模集成電路時代（20世紀(jì)90年代初期～目前）代硬件技術(shù)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10,000,000五超大規(guī)模集成電路100,000,000小規(guī)模集成電路SSI10-100個元件或1-10個邏輯門中規(guī)模集成電路MSI100-1000個元件或10-100個邏輯門大規(guī)模集成電路LSI10^3-10^5個元件或100-10000個邏輯門超大規(guī)模集成電路VLSI10^6-10^7個元件或10000個邏輯門特大規(guī)模集成電路ULSI10^7-10^9個元件巨大規(guī)模集成電路GSI10^9個以上元件2024/3/1810電子管時代（1946～1959）運算速度：5千～4萬（次/秒）在電子管時代，計算機以電子管作為基本邏輯單元，主存儲器采用汞延遲線、磁鼓等材料，數(shù)據(jù)用定點表示。我國有:103機、104機、119機11第一臺VonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機12晶體管時代（1957～1964）運算速度：幾十萬～百萬（次/秒）晶體管時代的計算機主要以晶體管代替電子管作為基本邏輯元件，主存儲器由磁芯構(gòu)成，引入了浮點運算硬件加強科學(xué)計算能力。我國推出：DJS-5機、DJS-121機、DJS-108機中小規(guī)模集成電路時代

（1965～1975）

運算速度：百萬～幾百萬（次/秒）13在中小規(guī)模集成電路（MSI、SSI）時代，集成電路器件成為了計算機的主要邏輯元件，由半導(dǎo)體存儲器替代磁芯存儲器作為主存儲器。此階段采用多處理器并行結(jié)構(gòu)的大型、巨型機和物美價廉的小型機得到快速發(fā)展。本階段典型的計算機有：IBM公司的IBM360系列（1964年）、CDC公司的CDC6600（1964年）和DEC公司的PDP-8（1964年）。我國在此時期也推出了大、中、小型計算機，如150機（1973年）、DJS-130機（1974年，并形成了100系列機）、220機（1973年-1981年，200系列機）和182機（1976年，180系列機）。15超、大規(guī)模集成電路時代（1975～1990）運算速度：幾百萬～幾千萬（次/秒）此時半導(dǎo)體存儲器已完全替代了磁芯存儲器，并發(fā)展了并行技術(shù)、多機系統(tǒng)和分布式計算技術(shù)，出現(xiàn)了RISC指令集。2024/3/1816這一階段集成電路的集成度進(jìn)一步提高，超規(guī)模、大規(guī)模電路（VLSI、LSI）被廣泛應(yīng)用于計算機。采用并行技術(shù)、多機系統(tǒng)和分布式計算技術(shù)、RISC指令集等極大地提高了計算機系統(tǒng)的性能。此時按照計算機性能和規(guī)模，劃分出了巨型機、大型機、小型機、微型機和便攜機等不同的類型。巨型向量機、陣列機等高級計算機得到了發(fā)展，如美國的Cray-I，我國的YH-I等低檔的微處理器開始面世，并迅速推向社會各個領(lǐng)域和家庭。1978年采用Intel8086微處理器構(gòu)成的16位微機IBM-PC/XT的面世，真正使得臺式個人計算機走進(jìn)辦公室和家庭。(此前，有8位的微機，Apple-II,Cromenco,Z80)與此同時，計算機網(wǎng)絡(luò)也由實驗研究階段轉(zhuǎn)入商業(yè)市場，推動了計算機信息處理的發(fā)展和應(yīng)用。從而帶動并形成了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)——IT業(yè)。2024/3/1818采用了Intel8080的個人電腦Altair88002024/3/1819超級規(guī)模集成電路時代（1990～）

運算速度：幾千萬億～幾萬萬億（次/秒）采用超大、甚大規(guī)模集成電路（ULSI，ELSI）

超級規(guī)模集成電路時代出現(xiàn)了采用大規(guī)模并行計算和高性能機群計算技術(shù)的超級計算機，如IBM公司的“深藍(lán)”計算機就是一臺RS/6000SP2超級并行計算機，它具有256塊處理器芯片。我國的YH-III（大規(guī)模并行處理，128個CPU，1997年）、YH-IV（機群技術(shù)）巨型機已達(dá)到國際水平。2004年，我國的研制開發(fā)的超級計算機——曙光4000A進(jìn)入全球超級計算機500強排行榜的前10名，標(biāo)志著我國超級計算機技術(shù)已跨入了世界前列。202008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(gòu)的HPP體系架構(gòu)，共有約30000顆計算核心，大于100TB海量內(nèi)存，700TB數(shù)據(jù)存儲能力，采用低延遲的20Gb的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，其設(shè)計浮點運算速度峰值為每秒230萬億次，Linpack測試速度預(yù)測將達(dá)到160T。222009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”JaguarXT5系統(tǒng)以每秒1.759千萬億次(petaflop/s)的運算速度，在全球超級計算機500強排行榜中首度折桂。美洲豹的科學(xué)應(yīng)用

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(yīng)激氣候最快的五臺超級計算機（截止2009.11）（1）Cray公司:“美洲豹”(Jaguar)

224162個CPU最大平均速度1.759PFlops(1015)（2）IBM:“走鵑”(Roadrunner)130536個CPU最大平均速度1.105PFlops(1015)（3）Cray公司：“海妖”(Kraken)98928個CPU最大平均速度831.70TFlops(1012)（4）德國：“尤金”(JUGENE)292000個CPU最大平均速度825TFlops(1012)（5）國防科大：天河一號(Tianhe-1)71680個CPU最大平均速度563.10TFlops(1012)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2009前獲得的最高名次。對比2003年最快的超級計算機（2003.06）（1）IBM:Seaborg 6080個CPU最大平均速度7.304TF(1012)2010年超級計算機榜首(2010.11)中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)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“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(dá)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(dá)每秒1750萬億次；排名第三的“星云”計算機實測運算速度達(dá)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(dāng)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(dāng)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(dāng)于存儲100萬漢字的書籍10億冊。2011超級計算機榜首升級完畢的日本“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?！熬比耘f完全基于傳統(tǒng)處理器，沒有使用GPU加速。配備了88128顆富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心處理器。除用于模擬演算地震、海嘯、臺風(fēng)等地球科學(xué)及有關(guān)宇宙形成的研究外，“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(dāng)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·利弗莫爾國家實驗室

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(xué)研究所高級計算科學(xué)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(jīng)位列榜首的KComputer以10510TFlop/s屈居第三位。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。Top10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TOP500榜單中，251臺來自美國，72臺來自中國。按照平臺來劃分，Top500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(xué)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CrayXK7系統(tǒng)的超級計算機。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(lán)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。2013年11月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(xué)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。天河二號有16,000個節(jié)點，每個節(jié)點兩個IntelXeonIvyBridge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(jīng)逐漸應(yīng)用于民用領(lǐng)域，比如石油勘探、汽車飛機的設(shè)計制造、基因測序等。傳統(tǒng)手段研發(fā)新車，一般要經(jīng)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(jìn)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(shè)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(shè)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速在天河二號上運行，不需要再另外進(jìn)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(yīng)用軟件缺失。2014年11月1、中國“天河二號”超級計算機（浮點運算速度為每秒33．86千萬億次）2、美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的“泰坦”（每秒17．59千萬億次）3、美國勞倫斯－利弗莫爾國家實驗室的“紅杉”（每秒17．17千萬億次）4、日本理化研究所的“京”（每秒10．51千萬億次）5、美國阿爾貢國家實驗室的“米拉”（每秒8．59千萬億次）。2015年6月中國“天河二號”連續(xù)第五屆拔得頭籌，進(jìn)一步刷新了歷史記錄。天河二號已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定應(yīng)用期，正為我國各行各業(yè)的計算提供超高加速能力，系統(tǒng)本身已經(jīng)不再有什么變化，性能方面還是最大33.83PFlops(千萬億次浮點計算)。使用了Intel至強E5-269212核處理器及XeonPhi31S1P加速卡，總計擁有312萬個核心，整機功率也達(dá)到了17808千瓦。由于經(jīng)濟、技術(shù)等各方面的原因，如今的頂級超算已經(jīng)進(jìn)入了停滯期，這一次前六名都沒有任何變化，而半年前更是前九名都巋然不動。2024/3/18462016全球超級計算機500強

/2016年6月20日，在德國法蘭克福召開的“2016國際超級計算大會”上，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的“神威?太湖之光”超級計算機系統(tǒng)最新一屆世界超級計算機500強排行榜上擊敗占居榜首3年的“天河2號”位居第一。在這之前天河二號自2013年6月以來，已連續(xù)6次位居世界超算500強榜首。

2024/3/1847神威?太湖之光超級計算機2024/3/1848神威?太湖之光技術(shù)參數(shù)運算速率：125.4PFLOPS

（理論峰值）

93PFLOPS（實際峰值）

（每秒運算93千萬億次）

整臺“神威?太湖之光”由40個運算機柜和8個網(wǎng)絡(luò)機柜組成。共使用了40960塊“申威26010”處理器，采用眾核+CPU架構(gòu)，計算核心總數(shù)達(dá)1065萬個。主內(nèi)存：1.31PB（約1300萬億字節(jié)）2024/3/1849神威?太湖之光的能力“神威?太湖之光”一分鐘的計算能力相當(dāng)于全球72億人口用計算器不間斷計算32年。

2024/3/18501.1.2日臻完善的計算機軟件1.匯編語言階段（20世紀(jì)50年代）2.程序批處理階段（20世紀(jì)60年代）3.分時多用戶階段（20世紀(jì)70年代）4.分布式管理階段（20世紀(jì)80年代）5.軟件重用階段（20世紀(jì)90年代）6.Web服務(wù)階段（21世紀(jì)前十年）7.云計算階段（現(xiàn)今全球熱點）2024/3/18511.2計算機硬件系統(tǒng)—個完整的計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成一臺計算機的各種物理裝置以及它們的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)軟件系統(tǒng)泛指計算機系統(tǒng)中使用的各種程序和文件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(shè)備輸出設(shè)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2024/3/1853計算機硬件系統(tǒng)主要包括計算機的五大部件以及將它們組織成計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。2024/3/18541.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的主要功能：將程序和數(shù)據(jù)以機器所能識別和接受的信息形式輸入到計算機內(nèi)。常見的輸入設(shè)備有：鍵盤、掃描儀、語音輸入設(shè)備、手寫筆、觸摸屏、鼠標(biāo)、數(shù)碼攝像設(shè)備等。2024/3/18562.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的主要功能：將計算機處理的結(jié)果以人們所能接受的信息形式或其它系統(tǒng)所要求的信息形式輸出。最常見的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀、音箱等。計算機的輸入、輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備。2024/3/1858存儲器是計算機的存儲部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機存儲信息的核心。存儲器可分為：

主存儲器(也稱內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存、主存)

CPU能夠直接訪問的存儲器

輔助存儲器(也稱外存儲器，簡稱外存、輔存)

CPU不能直接訪問的大容量、速度較慢的存儲器。輔助存儲器幫助主存記憶更多的信息，輔助存儲器中的信息必須調(diào)入主存后，才能為CPU所使用。

3.存儲器2024/3/1859主存分為若干個存儲單元。每個單元都有自己唯一的地址編碼。每個主存單元的長度依機器而定。通常是一個字節(jié)或字節(jié)的若干倍。存儲器的訪問方式⑴按地址進(jìn)行訪問如果需要對存儲器某個單元進(jìn)行讀/寫操作，必須首先給出被訪問的存儲單元的地址碼。⑵按內(nèi)容進(jìn)行訪問按所需內(nèi)容對存儲器的多個單元同時進(jìn)行訪問。能夠進(jìn)行按內(nèi)容訪問的存儲器稱為相聯(lián)存儲器。2024/3/1860主存的基本的組成2024/3/1861存儲體：存放二進(jìn)制信息的主體地址寄存器：存放所要訪問的存儲單元的地址碼，由它經(jīng)地址譯碼找到被選的存儲單元。數(shù)據(jù)寄存器：主存與其它部件的接口。用于暫存從存儲器讀出(取出)或向存儲器中寫入(存入)的信息。控制邏輯：用于產(chǎn)生存儲器操作所需各種時序信號。2024/3/1862運算器是計算機的執(zhí)行部件，用于完成算術(shù)邏輯運算以及對數(shù)據(jù)的加工處理。運算器的核心是算術(shù)邏輯部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。運算器中設(shè)有若干寄存器，用于暫存操作數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。由于寄存器往往兼?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。4．運算器2024/3/1863運算器的簡單框圖2024/3/1864控制器是整個計算機的指揮中心。用于控制整個計算機系統(tǒng)中的各部件有條不紊地進(jìn)行工作。計算機控制器是根據(jù)事先編好的程序進(jìn)行指揮的。程序：就是解題步驟，控制器按著事先安排好的解題步驟，控制計算機各個部件有條不紊地自動工作。程序按指令序列的形式存放在存儲器中，控制器依次讀出存儲器中存放的程序指令實施控制。這種工作方式稱為存儲程序方式。5．控制器(CU)重點存儲程序的概念是由美國數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其基本思想如下：（1）計算機由五大部件組成哪五大部件？（2）采用二進(jìn)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？1.2.2馮?諾依曼計算機652024/3/1866JohnvonNeumann2024/3/18671.存儲程序思想馮·諾依曼思想的基本要點：(1)計算機由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器、存儲器和控制器五大部件組成。

CPU：運算器和控制器的統(tǒng)稱。計算機主機：CPU與主存儲器(內(nèi)存)的統(tǒng)稱。I/O設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲器的統(tǒng)稱為計算機的外部設(shè)備，簡稱為I/O設(shè)備。2024/3/1868(2)采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令指令是程序的基本單位，程序是若干指令的有序集合。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機中，指令與數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制代碼的形式同存于存儲器中。兩者在存儲器中的地位相同，均可按地址訪問。

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼表示指令的操作性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲器中的位置。2024/3/1869(3)采用存儲程序方式存儲程序方式：在用計算機解題之前，事先編制好程序，并連同所需的數(shù)據(jù)預(yù)先存入主存儲器中。在解題過程(運行程序)中，由控制器按照事先編好并存入存儲器中的程序自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并執(zhí)行，直到獲得所要求的結(jié)果為止。存儲程序方式是馮·諾依曼思想的核心，是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。2024/3/18702.早期的馮·諾依曼計算機

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(dāng)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·諾依曼提出的計算機結(jié)構(gòu)是以運算器為中心的，其它部件都通過運算器完成信息的傳遞。

2024/3/1871早期的馮·諾依曼計算機組織結(jié)構(gòu)圖

2024/3/18723.現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，人們成功地研制出了微處理器。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。同時隨著半導(dǎo)體存儲器代替磁芯存儲器，存儲容量成倍地擴大，加上需要計算機處理、加工的信息量與日俱增，以運算器為中心的結(jié)構(gòu)已不能滿足計算機發(fā)展的需求，甚至?xí)绊懹嬎銠C的性能。為適應(yīng)發(fā)展的需要，現(xiàn)代計算機組織結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐源鎯ζ鳛橹行摹?/p>

2024/3/18732024/3/1874現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮·諾依曼思想2024/3/18751.3計算機軟件系統(tǒng)

軟件的作用⑴軟件在計算機系統(tǒng)中起著指揮和管理的作用。⑵軟件是計算機用戶和硬件的接口界面。⑶軟件是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)。

在計算機系統(tǒng)中，各種軟件的有機組合構(gòu)成了軟件系統(tǒng)?；镜能浖到y(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩大類。2024/3/18761.3.1系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是一組保證計算機系統(tǒng)高效、正確運行的基礎(chǔ)軟件，通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶使用。系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式軟件系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)

各種服務(wù)程序2024/3/18771.3.2應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是指用戶為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序。應(yīng)用軟件包括各種科學(xué)計算類程序、工程設(shè)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(chǎn)過程控制程序等。由于計算機已應(yīng)用到各種領(lǐng)域，因而應(yīng)用程序是多種多樣，極其豐富的。目前應(yīng)用軟件正向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向發(fā)展，許多通用的應(yīng)用程序可以根據(jù)其功能組成不同的應(yīng)用軟件包供用戶選擇使用。計算機系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組成。雖然在一個具體的計算機系統(tǒng)中，硬件、軟件是緊密相關(guān)、缺一不可的，但是對某一具體功能來說，可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)，這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。任何由硬件實現(xiàn)的操作，在原理上，均可用軟件來實現(xiàn)；同樣，任何由軟件實現(xiàn)的操作，在原理上都可硬化由硬件來實現(xiàn)。78硬件、軟件在邏輯功能上等效1.4計算機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)79硬件的軟化：將由硬件實現(xiàn)的功能用軟件實現(xiàn)。軟件的硬化：將由軟件實現(xiàn)的功能用硬件實現(xiàn)。固件：載有在用戶環(huán)境中不能加以改變的程序及數(shù)據(jù)的器件。將復(fù)雜且常用的程序?qū)懭胫蛔x存儲器就構(gòu)成了固件。固件從功能上看是軟件，但從形態(tài)上看是硬件。例如，PC機中的主板BIOS、顯卡BIOS，網(wǎng)卡BOOTROM等都屬于固件。硬件軟件的功能分配在設(shè)計一個計算機系統(tǒng)時，必須根據(jù)設(shè)計要求、現(xiàn)實技術(shù)與器件條件，首先確定哪些功能直接由硬件實現(xiàn)，哪些功能通過軟件實現(xiàn)。這就是硬件、軟件的功能分配。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可以使軟件逐漸“固化”乃至“硬化”

。所以設(shè)計計算機系統(tǒng)時必須首先解決硬、軟件的功能分配問題。80計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)對不同的對象而言，一個計算機系統(tǒng)就成為實現(xiàn)不同語言的、具有不同屬性的機器。根據(jù)從各種角度所看到的機器之間的有機關(guān)系，可以將計算機系統(tǒng)分為多級層次結(jié)構(gòu)。目的：分清各級層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計算機系統(tǒng)。8182高級語言程序

C＝A＋B匯編語言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL83機器語言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100002024/3/18841.4.3計算機硬件系統(tǒng)的組織

如何把五大基本部件互連起來構(gòu)成計算機的硬件系統(tǒng)，是計算機硬件系統(tǒng)的組織問題。在計算機的五大部件之間，有大量的信息需要傳送，如何實現(xiàn)信息的傳送，取決于數(shù)據(jù)通路的邏輯結(jié)構(gòu)。早期的計算機往往在各部件之間直接連接傳送線路，數(shù)據(jù)通路復(fù)雜、零亂，控制不便，而且沒有多少擴展余地。2024/3/1885點對點連線的計算機組織2024/3/1886總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的計算機普遍采用總線結(jié)構(gòu)。1.

總線：一組可為多個功能部件共享的公共信息傳送線路?？偩€規(guī)定了計算機組件間規(guī)范化的交換數(shù)據(jù)（data）的方式，以一種通用的方式為各組件提供數(shù)據(jù)傳送和控制邏輯。2024/3/18872024/3/18882.

總線的使用規(guī)定⑴共享總線的各個部件必須分時使用總線發(fā)送信息，保證總線上的信息在任何時候都是唯一的。⑵總線上的各個部件可同時接收總線上的信息?？偩€的使用規(guī)定，保證了總線上的信息不沖突，且總線上的各部件可以共享總線信息。2024/3/1889按總線的任務(wù)分(1)CPU內(nèi)部總線這是一級數(shù)據(jù)線，用于連接CPU內(nèi)部各寄存器和算術(shù)邏輯部件。在微型計算機系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部總線也就是芯片內(nèi)的總線。(2)部件內(nèi)總線在計算機中各功能模塊插件上芯片之間的總線。屬于芯片間的總線。如內(nèi)存條、聲卡等插件上的總線。3.總線的分類2024/3/1890(3)系統(tǒng)總線連接系統(tǒng)內(nèi)各大部件如CPU、主存、I/O設(shè)備等的總線，是連接整機系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制/狀態(tài)總線。在微機系統(tǒng)中總線常見的系統(tǒng)總線有：PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等(4)外總線計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的通信總線。外總線往往借用電子工業(yè)領(lǐng)域已有的標(biāo)準(zhǔn)。如RS－232串行總線標(biāo)準(zhǔn)。2024/3/1891按總線上信息傳送的方向分(1)單向總線

連接在總線上的部件只能有選擇地將信息進(jìn)行單向傳送。如地址總線。(2)雙向總線

連接在總線上的任何部件既能通過總線發(fā)送信息，也能通過總線接受信息。如數(shù)據(jù)總線。2024/3/1892按總線上信息傳送的位數(shù)分(1)并行總線

一次可以傳送多位二進(jìn)制信息的總線。如CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線、地址總線。(2)串行總線

一次只能傳送一位二進(jìn)制信息的總線。如USB總線。2024/3/1893采用總線結(jié)構(gòu)的好處可以大大減少系統(tǒng)中的信息傳輸線數(shù)，減輕發(fā)送部件的負(fù)載。

可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，靈活地修改與擴充系統(tǒng)?？偩€的連接方式單機系統(tǒng)中采用的總線類型(1)單總線結(jié)構(gòu)用一組系統(tǒng)總線把CPU、主存及各種I/O接口連接起來。94優(yōu)點？缺點？(2)雙總線結(jié)構(gòu)①以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)95②面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)962024/3/1897(3)三總線結(jié)構(gòu)在面向主存的雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加I/O總線，使得CPU與主存、主存與I/O之間均具備獨立的信息傳輸通路。2024/3/1898常見的三總線結(jié)構(gòu)2024/3/1899多總線結(jié)構(gòu)2024/3/18100總線結(jié)構(gòu)主要用于微、小型計算機中。對于中型、大型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成，主要著重于系統(tǒng)功能的擴充和效率的提高。為了增強系統(tǒng)功能，必然要配置更多的硬件資源和軟件資源。

由于I/O設(shè)備的增多使I/O處理成為又一個十分突出的問題。許多I/O設(shè)備由于具有機械動作，其工作速度遠(yuǎn)比CPU的速度低，因此，如何解決速度匹配問題，使CPU與I/O操作盡可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個關(guān)鍵問題，為此提出了“通道”的概念。

通道通道是一種具有處理機功能的專門用來管理I/O操作的控制部件。具有通道的計算機系統(tǒng)通常采用四級連接方式。通道結(jié)構(gòu)具有較大的變化和擴展余地101

能自動連續(xù)地工作運算速度快運算精度高具有很強的存儲能力和邏輯判斷能力通用性強1.5計算機的特點和性能指標(biāo)

計算機的特點102計算機的性能指標(biāo)基本字長：參與運算的數(shù)的基本位數(shù)

主存容量：K、M、G、T、P運算速度所配置的外部設(shè)備及其性能指標(biāo)系統(tǒng)軟件配置1041.基本字長字長是硬件組織的基本單位，它決定著寄存器、ALU、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，因而直接影響著硬件成本。字長標(biāo)志著運算精度。

10i=2j,要保證i位十進(jìn)制數(shù)的精度，至少要采用3.3倍i位二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，否則精度難以滿足要求。為了適應(yīng)不同應(yīng)用需要，兼顧精度和硬件成本，許多計算機都允許變字長運算，例如雙字長運算。常用的字長單位是字節(jié)（8位二進(jìn)制數(shù)位）。字長通常是字節(jié)的倍數(shù)。2024/3/181052.主存容量主存儲器所能存儲的最大信息量稱為主存容量。CPU需要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)都存放在主存中。主存容量大，就可以運行比較復(fù)雜的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的軟件支撐環(huán)境。所以，計算機的處理能力在很大程度上取決于主存容量的大小。2024/3/18106通常以字節(jié)數(shù)表示主存容量，如4MB，表示可存儲4M(1M＝1024K)個字節(jié)。在以字為單位的計算機中常用字?jǐn)?shù)乘以字長表示主存容量，如512K×32位。1K＝210＝10241M＝220＝210K

＝1048576（兆）1G＝230＝210M＝220K

＝1073741824（吉）1T＝240＝210G

＝220M＝230K

＝1099511627776（太）1P

＝250

＝1125899906842624（皮）2024/3/18107由于計算機執(zhí)行不同的操作所需時間可能不同，因而對運算速度的描述常采用不同方法。①以加法指令的執(zhí)行時間為標(biāo)準(zhǔn)來計算。

例如DJSl30機一次加法時間為2μs，所以運算速度為50萬次/s。②根據(jù)不同指令在程序中出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得系統(tǒng)平均值，得到平均運算速度。③具體指明每條指令的執(zhí)行時間。3.運算速度2024/3/18108大、中型機常使用每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)(IPS)作為運算速度單位。如：MIPS(每秒百萬條指令)

MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)。2024/3/18109隨著計算機性能的提高，運算速度的單位也隨之增高。MFLOPS(megaFLOPS)

：

每秒百萬(106)次的浮點運算

GFLOPS(gigaFLOPS)

：

每秒10億(109)次的浮點運算

TFLOPS(teraFLOPS)

：

每秒萬億(1012)次的浮點運算

PFLOPS(petaFLOPS)：

每秒千萬億(1015)次的浮點運算

2024/3/18110MIPS的計算例：設(shè)某計算機的主頻為400MHz，平均每條機器指令的執(zhí)行時間為2個時鐘周期。在執(zhí)行一段具有129500條機器指令的程序時，該機的MIPS值是多少？答：∵已知：IN＝129500；TE＝129500×2×1/400MHz∴2024/3/18111微型機常用主時鐘頻率反映速度的快慢。如以Intel系列的CPU為核心的微機系統(tǒng)的時鐘頻率就從4.77MHz直到目前的4GHz甚至更高。主頻和實際的運算速度數(shù)值關(guān)系？2024/3/18112目前還沒有一個確定的公式能夠定量主頻和實際的運算速度兩者的數(shù)值關(guān)系。因為CPU的運算速度不僅取決于主頻，而且還與要看CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（架構(gòu)）有關(guān)。如流水線的性能指標(biāo)、緩存、指令集，CPU的位數(shù)等等。計算機系統(tǒng)的速度需要將主頻和架構(gòu)綜合起來考慮。CPU時鐘周期CPU時鐘周期是一個時間的量，主頻的倒數(shù)就是CPU時鐘周期，這是CPU中最小的時間元素。每個操作至少需要一個時鐘周期。CPU的主頻是CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率，一般以MHz或GHz為單位。CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關(guān)系。主頻和實際的運算速度存在一定的關(guān)系（在同一個系列計算機中，在同樣條件下，主頻越高，速度越快），但目前還沒有一個確定的公式能夠定量兩者的數(shù)值關(guān)系，因為CPU的運算速度還要看CPU的架構(gòu)、CPU的流水線各方面的性能指標(biāo)（緩存、指令集，CPU的位數(shù)等）。吞吐量、響應(yīng)時間吞吐量是指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率。它取決于信息能夠多快地輸入內(nèi)存，CPU能夠多快地取指令，數(shù)據(jù)能夠多快地從內(nèi)存取出或存入，以及所得結(jié)果能夠多快地從內(nèi)存送給一臺外圍設(shè)備。這些步驟中的每一步都關(guān)系到主存，因此，系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。在一個評價期間內(nèi)，計算機系統(tǒng)完成的所有工作負(fù)載稱為吞吐量。響應(yīng)時間指用戶輸入一個作業(yè)（或事務(wù)）至輸出開始之間的間隔時間。周轉(zhuǎn)時間指用戶開始輸入一個作業(yè)（或事務(wù)）至輸出結(jié)束之間的間隔時間。響應(yīng)特性是實時處理和分時處理計算機系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。執(zhí)行時間CPI（CyclePerInstruction，每條指令執(zhí)行需要的時鐘周期數(shù)）指CPU的指令時鐘數(shù)。表示每條計算機指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)。由于不同指令的功能不同，造成指令執(zhí)行時間不同，即指令執(zhí)行所用的時鐘數(shù)不同，所以CPI應(yīng)該是一個平均值。CPU執(zhí)行時間是指CPU全速工作時完成某進(jìn)程所花的時間，