計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課件 第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)組織(zǔzhī)與結(jié)構(gòu)共八十一頁(yè)教材內(nèi)容的組織(zǔzhī)*本教材在內(nèi)容的組織上，主要按照我國(guó)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)規(guī)范”中的知識(shí)領(lǐng)域“CS-AR計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織”所要求的內(nèi)容進(jìn)行編寫(xiě)。同時(shí)，緊跟IEEE-CS/ACM頒布的CS2013，對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織（AR）知識(shí)模塊(mókuài)的內(nèi)容做了適當(dāng)調(diào)整。共八十一頁(yè)各章節(jié)涵蓋的知識(shí)單元(dānyuán)包括1.AR2數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示(biǎoshì)（核心學(xué)時(shí)）：第2章2.AR3匯編級(jí)機(jī)器組織（核心學(xué)時(shí)）： 第3章3.AR4存儲(chǔ)系統(tǒng)組織與結(jié)構(gòu)（核心學(xué)時(shí)）：第4章4.AR5接口和通信（核心學(xué)時(shí)）：第5、6章6.

AR7多處理和體系結(jié)構(gòu)（核心學(xué)時(shí)）：第8章5.AR6功能組織（核心學(xué)時(shí)）：第7章共八十一頁(yè)第1章第2章第3章第4章計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程；按IEEE分類(lèi)法的計(jì)算機(jī)的分類(lèi)(fēnlèi)；最后作為本書(shū)的一個(gè)序，概括性地介紹計(jì)算機(jī)的硬件組成及計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)。進(jìn)位計(jì)數(shù)制；計(jì)算機(jī)中數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(biǎoshì)；數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制運(yùn)算方法和實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中進(jìn)行差錯(cuò)控制的數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。計(jì)算機(jī)中匯編級(jí)指令的格式、地址結(jié)構(gòu)；指令及操作數(shù)的尋址方式，以及指令的種類(lèi)和功能、典型指令系統(tǒng)的組成等；精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)RISC。存儲(chǔ)器的組織、分類(lèi)和分層結(jié)構(gòu)；計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器的組成與工作原理；提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的交叉存儲(chǔ)技術(shù)、高速緩沖存儲(chǔ)器及虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)等。各章節(jié)主要內(nèi)容共八十一頁(yè)第5章第6章第7章第8章計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)(xìtǒng)組成；計(jì)算機(jī)輸入輸出的控制方式；計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備——磁盤(pán)系統(tǒng)以及由磁盤(pán)陣列組成的RAID技術(shù)。總線(xiàn)的基本概念、總線(xiàn)的類(lèi)別和總線(xiàn)的控制(kòngzhì)方式等；常用總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISA、PCI等；常用的外部總線(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)：USB、IEEE1394和SCSI等。CPU的功能與組成；CPU的指令周期及執(zhí)行指令的過(guò)程；CPU控制部件設(shè)計(jì)的兩種主要方法：硬布線(xiàn)設(shè)計(jì)法和微程序設(shè)計(jì)法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行性概念，提高并行性的技術(shù)途徑；現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍采用的流水線(xiàn)技術(shù)和多處理機(jī)技術(shù)；機(jī)群系統(tǒng)。各章節(jié)主要內(nèi)容共八十一頁(yè)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(gàilùn)共八十一頁(yè)本章(běnzhānɡ)結(jié)構(gòu)11.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程21.2計(jì)算機(jī)的種類(lèi)31.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)541.4計(jì)算機(jī)的基本組成61.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分層組織結(jié)構(gòu)1.5計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(yǔyán)共八十一頁(yè)重點(diǎn)(zhòngdiǎn)計(jì)算機(jī)的定義與特性(tèxìng)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分層組織結(jié)構(gòu)共八十一頁(yè)計(jì)算機(jī)的定義(dìngyì)與特性*計(jì)算機(jī)（computer）俗稱(chēng)電腦，是一種是能夠按照程序自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)(shùjù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。

共八十一頁(yè)*快速性：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用高速電子器件，這是快速處取信息的物質(zhì)基礎(chǔ)；另外．基于(jīyú)存儲(chǔ)程序原理，使電子器件的快速性得到充分發(fā)揮。通用性：計(jì)算機(jī)處理的信息內(nèi)涵豐富，這些信息都能用數(shù)字化編碼表示；具有基本運(yùn)算和邏輯判斷功能；可以配置各種程序，有系統(tǒng)程序、用戶(hù)程序。程序越豐富，通用性越強(qiáng)。共八十一頁(yè)*準(zhǔn)確性：其包括兩方面含義，即計(jì)算精度高，“算法”科學(xué)。計(jì)算精度取決于運(yùn)算中數(shù)的位數(shù)，位數(shù)越多越精確。一個(gè)算法科學(xué)且優(yōu)質(zhì)的程序，再加上高位數(shù)的計(jì)算功能，才能確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。邏輯性：計(jì)算機(jī)內(nèi)部有一個(gè)能執(zhí)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算的部件，通過(guò)執(zhí)行能體現(xiàn)邏輯判斷(pànduàn)和邏輯運(yùn)算的程序，使整個(gè)系統(tǒng)具有邏輯性。例如，計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算的結(jié)果或?qū)ν獠吭O(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，進(jìn)行判斷(pànduàn)，從而從多個(gè)分支的操作中自動(dòng)地選擇一個(gè)分支、繼續(xù)運(yùn)行下去，直至得到正確的結(jié)果。共八十一頁(yè)存儲(chǔ)程序(chéngxù)原理*為了告訴計(jì)算機(jī)做什么事，按什么步驟做，就需要編制程序，使計(jì)算機(jī)能夠按規(guī)定的程序自動(dòng)的工作。馮·諾依曼(JohnvonNeumann)等人提出了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一些基本(jīběn)思想，概括起來(lái)有如下一些要點(diǎn)：

(1)采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)相指令。

(2)將程序(包括數(shù)據(jù)、指令序列)事先存入主存儲(chǔ)器中，使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)高速地從存儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)行。這就是存儲(chǔ)程序原理的基本含義。

(3)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入裝置和輸出裝置五大基本部件組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。這樣一些概念奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)思想，并開(kāi)創(chuàng)了程序設(shè)計(jì)的時(shí)代。到目前為止大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍沿用這一結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”。其要點(diǎn)就是存儲(chǔ)程序原理。共八十一頁(yè)1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展(fāzhǎn)歷程計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展離不開(kāi)其所依賴(lài)的器件技術(shù)的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)界，人們普遍把計(jì)算機(jī)的發(fā)展劃分(huàfēn)為5個(gè)年代，而這一劃分所依據(jù)的正是計(jì)算機(jī)所使用的基本元器件?？梢哉f(shuō)，器件技術(shù)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)保障。共八十一頁(yè)計(jì)算機(jī)的發(fā)展(fāzhǎn)年代第四代第三代第二代第一代第零代共八十一頁(yè)第零代：機(jī)械(jīxiè)時(shí)代世界上第一臺(tái)以齒輪驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)器是由德國(guó)人WilhelmSchickard教授于1623年設(shè)計(jì)并建造的計(jì)算鐘（CalculatingClock）。能進(jìn)行六位以?xún)?nèi)數(shù)加減法，并能通過(guò)鈴聲輸出(shūchū)答案。

共八十一頁(yè)1642年法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家帕斯卡發(fā)明(fāmíng)的機(jī)械加法器Pascaline。共八十一頁(yè)英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇CharlesBabbage于1822年設(shè)計(jì)(shèjì)的差分機(jī)DifferenceEngine。共八十一頁(yè)1938年，德國(guó)工程師朱斯（KonradZuse）成功制造了第一臺(tái)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)Z-1，此后他繼續(xù)(jìxù)研制了Z系列計(jì)算機(jī)，其中Z-3型計(jì)算機(jī)是世界上第一臺(tái)通用程序控制的機(jī)電計(jì)算機(jī)，它使用了2600個(gè)繼電器，采用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算一次加法只用0.3秒。共八十一頁(yè)1944年，美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家艾肯研制成功了一臺(tái)通用型機(jī)電(jīdiàn)計(jì)算機(jī)MARK-I。共八十一頁(yè)更多內(nèi)容(nèiróng)可參見(jiàn)網(wǎng)站：

共八十一頁(yè)計(jì)算機(jī)的發(fā)展(fāzhǎn)階段表發(fā)展階段大致時(shí)間所采用的技術(shù)典型速度1

1946—1957真空管幾萬(wàn)次2

1958—1964晶體管十幾到幾十萬(wàn)次3

1965—1971中小規(guī)模集成電路百萬(wàn)次4

1972—1977大規(guī)模集成電路千萬(wàn)次

1978—1991超大規(guī)模集成電路億次

1991—巨大規(guī)模集成電路十億次以上共八十一頁(yè)第一代：真空管計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)區(qū)別于機(jī)械式計(jì)算機(jī)的最主要特點(diǎn)是使用了電子元器件作為(zuòwéi)其存儲(chǔ)和控制部件，計(jì)算機(jī)能夠依靠電子元器件自動(dòng)完成計(jì)算。電子計(jì)算機(jī)發(fā)展階段也正是以其所采用的基本電子元器件及技術(shù)作為劃分的基礎(chǔ)。共八十一頁(yè)1946年誕生(dànshēng)的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC共八十一頁(yè)第一代電子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：采用真空管作為基本元器件，體積龐大，功耗大，可靠性低。引入存儲(chǔ)程序的思想，開(kāi)始使用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序，但最初使用的存儲(chǔ)設(shè)備為汞延遲線(xiàn)或靜電存儲(chǔ)管，存儲(chǔ)容量很小，后來(lái)采用了磁鼓、磁芯，雖有一定(yīdìng)改進(jìn)，但存儲(chǔ)空間仍然有限。輸入輸出設(shè)備簡(jiǎn)單，主要采用穿孔紙帶或卡片，速度很慢。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為機(jī)器語(yǔ)言，幾乎沒(méi)有系統(tǒng)軟件。典型的第一代計(jì)算機(jī)有ENIAC、EDVAC、UNIVAC-I、IBM701、IBM702、IBM704、IBM705、IBM650等。共八十一頁(yè)第二代：晶體管計(jì)算機(jī)第一代真空管技術(shù)的計(jì)算機(jī)并不是非?？煽浚蚴沁@些真空管被燒壞的速度太快，以至于這種真空管計(jì)算機(jī)的停機(jī)維修時(shí)間常常比正常運(yùn)行的時(shí)間還多。1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位研究員JohnBardeen、WalterBrattain和WilliamShockley發(fā)明(fāmíng)了晶體管，這項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的發(fā)明(fāmíng)，讓他們共同獲得了1956年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種新型的技術(shù)不但掀起了電子器件、電視和無(wú)線(xiàn)電廣播等領(lǐng)域的革命，也推動(dòng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。共八十一頁(yè)第二代電子計(jì)算機(jī)的主要(zhǔyào)特點(diǎn)：采用晶體管代替電子管作為基本元器件。與電子管相比，晶體管具有體積小、重量輕、耗電少、速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，這使計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和性能都發(fā)生了飛躍。采用磁芯存儲(chǔ)器作為主存，使用磁盤(pán)和磁帶作為輔存。使存儲(chǔ)容量增大，可靠性提高，為系統(tǒng)軟件的發(fā)展創(chuàng)造了條件。提出了操作系統(tǒng)的概念，開(kāi)始出現(xiàn)匯編語(yǔ)言，并產(chǎn)生了如COBOL、FORTRAN等編程語(yǔ)言以及批處理系統(tǒng)。典型的第二代計(jì)算機(jī)有IBM7040、IBM7070、IBM7090、IBM1401、UNIVAC-LARC、CDC6600等。共八十一頁(yè)第三代：集成電路(jíchéng-diànlù)計(jì)算機(jī)1952年，英國(guó)皇家雷達(dá)研究所的G.W.A.Dummer首先提出了集成電路設(shè)想：根據(jù)電子線(xiàn)路的要求，將電子線(xiàn)路所需要的晶體管、晶體二極管和其他必要元件統(tǒng)統(tǒng)完整地制作(集成(jíchénɡ))在單塊半導(dǎo)體晶片上，從而構(gòu)成一個(gè)具有預(yù)定功能的電子線(xiàn)路。1958年，美國(guó)的JackKilby和RobertS.Noyce同時(shí)發(fā)明了集成電路，并分別在德克薩斯儀器公司和仙童公司研制成功第一塊集成電路，從而開(kāi)創(chuàng)了第三代乃至以后計(jì)算機(jī)發(fā)展的新紀(jì)元。共八十一頁(yè)第三代電子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：采用集成電路取代晶體管作為基本元器件。采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量進(jìn)一步擴(kuò)大，而體積更小，可靠性更高。操作系統(tǒng)功能進(jìn)一步明確和完善，高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)一步發(fā)展，使計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)。計(jì)算機(jī)的研制(yánzhì)生產(chǎn)開(kāi)始系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍擴(kuò)大到企業(yè)管理和輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。共八十一頁(yè)系列化：即同一公司在不同時(shí)期(shíqī)生產(chǎn)的機(jī)器采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、控制方式、輸入輸出等方面保持統(tǒng)一，從而保證了程序兼容（稱(chēng)為向前兼容）。這種向前兼容在很大程度上可以保護(hù)用戶(hù)在尤其是軟件方面的投資，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行機(jī)器更新時(shí)，原來(lái)在低檔機(jī)上編寫(xiě)的程序可以不作修改就使用在高檔機(jī)上。這一時(shí)期典型的系列機(jī)如IBM360/370,PDP-II、NOVA1200。共八十一頁(yè)通用化：機(jī)器指令系統(tǒng)豐富(fēngfù)，兼顧科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制等方面，可以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。標(biāo)準(zhǔn)化：采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口，因而各個(gè)機(jī)型的外部設(shè)備都是通用的，除各個(gè)型號(hào)機(jī)器的CPU獨(dú)立設(shè)計(jì)以外，存儲(chǔ)器、外部設(shè)備等都采用標(biāo)準(zhǔn)部件組裝。共八十一頁(yè)第四代：大規(guī)模超大規(guī)模集成電路(jíchéng-diànlù)計(jì)算機(jī)集成度：?jiǎn)蝹€(gè)芯片上所容納(róngnà)的晶體管數(shù)量。集成電路發(fā)展階段單塊芯片集成的晶體管數(shù)量小規(guī)模集成電路（SSI）10-100中規(guī)模集成電路（MSI）100-1000大規(guī)模集成電路（LSI）1000-100000超大規(guī)模集成電路（VLSI）10萬(wàn)以上巨大規(guī)模集成電路（ULSI）1000萬(wàn)以上共八十一頁(yè)第四代電子計(jì)算機(jī)：在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上，發(fā)展了如虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)、流水線(xiàn)技術(shù)、高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)及各種并行處理技術(shù)等。在計(jì)算機(jī)內(nèi)存配置上，容量和速度都大大提高。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越豐富，從文字的處理發(fā)展到圖像、聲音等多媒體信息的處理。系統(tǒng)軟件功能越來(lái)越強(qiáng)，從單用戶(hù)、單道程序系統(tǒng)發(fā)展到多用戶(hù)、多道程序系統(tǒng)，從字符界面的命令行操作系統(tǒng)發(fā)展到圖形界面的視窗操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件越來(lái)越豐富，計(jì)算機(jī)在辦公自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別和人工智能等領(lǐng)域大顯身手。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)價(jià)格越來(lái)越便宜，計(jì)算機(jī)應(yīng)用越來(lái)越普及。二十世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和90年代Internet技術(shù)的發(fā)展，一方面使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普及，另一方面在很大程度上改變著人們(rénmen)的生活和工作方式。共八十一頁(yè)不同(bùtónɡ)時(shí)期微處理器性能型號(hào)Intel4004Intel8008Intel8086PentiumPIVCorei7/i5/i3發(fā)布時(shí)間1971年1972年1978年1993年2000年2008年時(shí)鐘頻率108kHz108kHz5MHz166MHz1.8GHz3.3GHz總線(xiàn)寬度4位8位16位32位64位64位晶體管數(shù)23003500290003.1百萬(wàn)42百萬(wàn)700百萬(wàn)工藝（μm）101030.80.1832nm可尋址存儲(chǔ)器640B16KB1MB4GB64GB64GB虛擬存儲(chǔ)器———64TB64TB64TB共八十一頁(yè)第五代計(jì)算機(jī)1981年10月，日本首先向世界宣告開(kāi)始研制第五代計(jì)算機(jī)，并于1982年4月制訂了為期10年的“第五代計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃”。緊接其后美國(guó)和歐洲等國(guó)家也先后提出了發(fā)展(fāzhǎn)第五代計(jì)算機(jī)的計(jì)劃。共八十一頁(yè)第五代計(jì)算機(jī)又稱(chēng)新一代計(jì)算機(jī)或人工智能計(jì)算機(jī)，它是一個(gè)能把信息(xìnxī)采集、存儲(chǔ)、處理、通信同人工智能結(jié)合在一起的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它除了能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及信息(xìnxī)處理外，還能面向知識(shí)處理，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力；能夠幫助人們進(jìn)行判斷、決策、開(kāi)拓未知領(lǐng)域和獲得新的知識(shí)；人-機(jī)之間可以直接通過(guò)自然語(yǔ)言（聲音、文字）或圖形圖像交換信息。共八十一頁(yè)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)概況我國(guó)從1956年開(kāi)始研制計(jì)算機(jī)，1958年研制成功第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)103機(jī)，1959年又研制成功運(yùn)行速度(sùdù)為每秒1萬(wàn)次的104機(jī)。103機(jī)和104機(jī)的研制成功填補(bǔ)了我國(guó)在計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的空白，為促進(jìn)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。1965年，中科院計(jì)算所研制成功第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)109乙，之后推出109丙機(jī)，該機(jī)在我國(guó)兩彈試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。1971年我國(guó)開(kāi)始研制以集成電路為主要器件的DJS系列計(jì)算機(jī)，1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、研制成功采用集成電路技術(shù)的DJS-130小型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒100萬(wàn)次。該系列計(jì)算機(jī)在上個(gè)世紀(jì)70年代在我國(guó)很多行業(yè)和部門(mén)得到了廣泛應(yīng)用。共八十一頁(yè)在微型計(jì)算機(jī)方面，1985年，電子工業(yè)部計(jì)算所研制成功與IBMPC機(jī)兼容的長(zhǎng)城0520CH微機(jī)。此后我國(guó)的長(zhǎng)城系列、方正系列、聯(lián)想系列等微型計(jì)算機(jī)，如雨后春筍般涌現(xiàn)，為我國(guó)計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用(yìngyòng)做出了貢獻(xiàn)，也使目前以聯(lián)想公司為代表的中國(guó)計(jì)算機(jī)公司成為了一個(gè)有著巨大影響力的跨國(guó)公司，走在了世界先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的行列。共八十一頁(yè)在巨型計(jì)算機(jī)研制方面，1983年，國(guó)防科技大學(xué)研制成功運(yùn)算速度每秒億次的銀河-I巨型機(jī)，這是我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。1992年，國(guó)防科技大學(xué)又推出了銀河-II通用并行巨型機(jī)，峰值速度達(dá)每秒10億次。1997年6月，國(guó)防科大研制成功銀河-III百億次并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用可擴(kuò)展分布共享存儲(chǔ)并行處理體系結(jié)構(gòu)，由130多個(gè)處理結(jié)點(diǎn)組成，峰值性能為每秒130億次浮點(diǎn)運(yùn)算，系統(tǒng)綜合技術(shù)達(dá)到90年代中期(zhōngqī)國(guó)際先進(jìn)水平。共八十一頁(yè)1995年，曙光公司推出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有(jùyǒu)大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)結(jié)構(gòu)的并行機(jī)曙光1000(含36個(gè)處理機(jī))，峰值速度每秒25億次浮點(diǎn)運(yùn)算。1997至1999年，曙光公司先后在市場(chǎng)上推出具有機(jī)群結(jié)構(gòu)(Cluster)的曙光1000A、曙光2000-I和曙光2000-II等超級(jí)服務(wù)器，峰值計(jì)算速度已突破每秒1000億次浮點(diǎn)運(yùn)算。2004年，中國(guó)研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)曙光4000A第一次正式進(jìn)入國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜第10名。2008年，曙光5000A的浮點(diǎn)運(yùn)算峰值處理能力達(dá)到每秒230萬(wàn)億次，實(shí)測(cè)Linpack速度達(dá)到每秒180.6萬(wàn)億次，再次躋身世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的前10名。共八十一頁(yè)2009年10月國(guó)防科技大學(xué)研制成功天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)，由103臺(tái)機(jī)柜組成，包含6144顆英特爾CPU和5120顆GPU，系統(tǒng)峰值性能(xìngnéng)為每秒1206萬(wàn)億次，Linpack測(cè)試性能每秒560萬(wàn)億次，在世界TOP500中排名第五。2010年5月曙光公司和中科院計(jì)算所合作研制成功曙光星云超級(jí)計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)峰值性能約為每秒3000萬(wàn)億次，Linpack測(cè)試性能每秒1271萬(wàn)億次，在世界TOP500中排名第二。2013年5月，由國(guó)防科大研制的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，成為全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)。值得一提的是，在2014年6月23日公布的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單中，中國(guó)“天河二號(hào)”以比第二名美國(guó)“泰坦”快近一倍的速度連續(xù)第三次獲得冠軍。共八十一頁(yè)知識(shí)(zhīshi)拓展：摩爾定律摩爾定律是前英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登.摩爾（GordonMoore）首先提出(tíchū)的，其內(nèi)容是指：集成電路（IC）芯片中所能集成的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一番，性能也隨之提升一倍。共八十一頁(yè)1.2計(jì)算機(jī)的種類(lèi)(zhǒnglèi)計(jì)算機(jī)按照其用途(yòngtú)分為通用計(jì)算機(jī)和專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。專(zhuān)用計(jì)算機(jī)主要是為某一專(zhuān)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，在這一領(lǐng)域具有高性能或適應(yīng)性，如一些專(zhuān)為圖像處理設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，具有很高的圖像處理速度；再如工控機(jī)，專(zhuān)為一些環(huán)境較為惡劣的工業(yè)控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，具有防塵、防振、高可靠性等特點(diǎn)。通用計(jì)算機(jī)則不是專(zhuān)為某一領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，它能適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。共八十一頁(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)種類(lèi)的劃分，更為傳統(tǒng)和更為普遍的方法(fāngfǎ)是按照1989年由IEEE科學(xué)巨型機(jī)委員會(huì)提出的運(yùn)算速度分類(lèi)法，將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和微型計(jì)算機(jī)。共八十一頁(yè)1.巨型計(jì)算機(jī)巨型機(jī)有極高的速度、極大的容量。主要應(yīng)用于國(guó)防尖端技術(shù)、空間技術(shù)、大范圍長(zhǎng)期性天氣預(yù)報(bào)、石油勘探等領(lǐng)域。目前這類(lèi)機(jī)器的運(yùn)算速度已超過(guò)每秒萬(wàn)億次。這類(lèi)計(jì)算機(jī)在技術(shù)上朝兩個(gè)方向發(fā)展：一是開(kāi)發(fā)高性能器件，特別是縮短時(shí)鐘周期，提高單機(jī)性能；二是采用多處理器結(jié)構(gòu)，構(gòu)成超級(jí)并行計(jì)算機(jī)，通常由100臺(tái)以上的處理器組成超級(jí)并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們同時(shí)解算一個(gè)題目，來(lái)達(dá)到高速運(yùn)算的目的。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度，已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科技水平的重要標(biāo)志。

共八十一頁(yè)2.大型(dàxíng)計(jì)算機(jī)這類(lèi)計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的綜合處理能力，性能高，管理能力強(qiáng)。作為通用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用在政府、銀行、大公司、大企業(yè)等部門(mén)或行業(yè)，作為中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器或應(yīng)用服務(wù)器等，可同時(shí)可支持幾十個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)和支持上萬(wàn)個(gè)用戶(hù)使用。

共八十一頁(yè)3.小型(xiǎoxíng)計(jì)算機(jī)小型機(jī)相對(duì)大型機(jī)來(lái)說(shuō)，規(guī)模更小、性能也次之。但由于其可靠性高、易于維護(hù)等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。在七、八十年代，小型機(jī)的發(fā)展非常迅猛，很多行業(yè)和部門(mén)都使用了小型機(jī)，國(guó)際上一些大的計(jì)算機(jī)公司，如IBM、HP、DEC等紛紛推出了自己的小型機(jī)系列。從九十年代開(kāi)始，隨著微型計(jì)算機(jī)的性能不斷提高和成本不斷降低，小型機(jī)市場(chǎng)受到了很大沖擊，一些原來(lái)使用小型機(jī)的場(chǎng)合被高性能微機(jī)服務(wù)器所取代。目前，小型機(jī)主要采用的是基于RISC技術(shù)的CPU和類(lèi)UNIX操作系統(tǒng)。共八十一頁(yè)4.微型(wēixíng)計(jì)算機(jī)1971年，美國(guó)Intel公司生產(chǎn)出了世界上第一塊微處理器芯片Intel4004，1981年美國(guó)IBM公司使用Intel8088微處理器生產(chǎn)了具有里程碑意義的微型計(jì)算機(jī)IBMPC，從而揭開(kāi)了微型計(jì)算機(jī)大發(fā)展的序幕。微型機(jī)技術(shù)在短短20多年的時(shí)間里發(fā)展迅猛，平均每?jī)赡晷酒募啥瓤商岣咭槐?，從而使得性能提高，價(jià)格降低。平均2～3年產(chǎn)品就更新?lián)Q代一次，幾乎每個(gè)月都有相關(guān)周邊新產(chǎn)品出現(xiàn)。隨著Internet的普及，微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)像家用電器一樣走向千家萬(wàn)戶(hù)。共八十一頁(yè)5.工作站工作站也是一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，性能一般介于小型機(jī)和微型機(jī)之間。它往往作為獨(dú)立的機(jī)器（或聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用于一些具有特殊要求的領(lǐng)域，如電影動(dòng)畫(huà)特技制作和制造業(yè)機(jī)械CAD就廣泛使用了圖形工作站。

共八十一頁(yè)知識(shí)(zhīshi)拓展：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)

1.TPC評(píng)測(cè)體系TPC(TransactionprocessingPerformanceCouncil，事務(wù)處理性能委員會(huì))是由數(shù)十家會(huì)員公司創(chuàng)建的非盈利組織，總部設(shè)在美國(guó)。TPC的成員主要是計(jì)算機(jī)軟硬件廠家，而非計(jì)算機(jī)用戶(hù)，其功能是制定商務(wù)應(yīng)用基準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、性能和價(jià)格度量，并管理測(cè)試結(jié)果的發(fā)布。TPC不給出基準(zhǔn)程序的代碼，而只給出基準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。任何廠家或其他測(cè)試者都可以根據(jù)規(guī)范，最優(yōu)地構(gòu)造出自己的測(cè)試系統(tǒng)(測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試程序)。為保證測(cè)試結(jié)果的完整性，被測(cè)試者(通常是廠家)必須提交給TPC一套完整的報(bào)告，包括被測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)配置、分類(lèi)價(jià)格和包含5年維護(hù)費(fèi)用在內(nèi)的總價(jià)格。該報(bào)告必須由TPC授權(quán)的審核員核實(shí)。TPC在全球只有不到(bùdào)10名審核員，全部在美國(guó)。共八十一頁(yè) 2.SPEC評(píng)測(cè)體系SPEC指標(biāo)體系由StandardPerformanceEvaluationCorp.制定，被引用(yǐnyòng)最廣泛的指標(biāo)主要包括針對(duì)CPU性能的SPECCPU2000和針對(duì)Web服務(wù)器的SPECweb2005等。共八十一頁(yè)SPECCPU2000是一組針對(duì)CPU和內(nèi)存的測(cè)試，它主要測(cè)試的對(duì)象是CPU、內(nèi)存。SPECCPU2000由許多源代碼程序組成，分成“整數(shù)”和“浮點(diǎn)數(shù)”兩組。SPECint2000就是“整數(shù)”部分，而SPECfp2000則是“浮點(diǎn)數(shù)”部分。“整數(shù)”部分有12個(gè)程序，使用C或C++語(yǔ)言，它們不使用CPU的浮點(diǎn)單元；而“浮點(diǎn)數(shù)”部分有14個(gè)程序，使用FORTRAN77/90和C語(yǔ)言，這些程序的主要運(yùn)算是浮點(diǎn)數(shù)的。SPECint2000和SPECfp2000的結(jié)果，以執(zhí)行時(shí)間為準(zhǔn)。每個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間和一個(gè)參考平臺(tái)（SunUltra5/10300MHz）相比，計(jì)算出其倍數(shù)。如果(rúguǒ)執(zhí)行時(shí)間和參考平臺(tái)相同，結(jié)果就是100。如果只花了一半時(shí)間完成，結(jié)果就是200。“整數(shù)”的12個(gè)程序的結(jié)果，取其平均值，得到的就是SPECint2000的測(cè)試結(jié)果?！案↑c(diǎn)數(shù)”的14個(gè)程序也是一樣。共八十一頁(yè)SPECweb2005測(cè)試的原理是，通過(guò)多臺(tái)客戶(hù)機(jī)向服務(wù)器發(fā)出httpGet請(qǐng)求，請(qǐng)求調(diào)用Web服務(wù)器上的網(wǎng)頁(yè)文件，這些文件從數(shù)千字節(jié)(zìjié)到數(shù)兆字節(jié)(zìjié)不等。在相同的時(shí)間里，服務(wù)器回答的請(qǐng)求越多，就表明服務(wù)器對(duì)客戶(hù)端的處理能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的Web性能就越好。共八十一頁(yè)1.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)是指能在一定程度上衡量(héngliáng)計(jì)算機(jī)優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算機(jī)的優(yōu)劣是由多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的，而這些指標(biāo)主要包括吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS等。共八十一頁(yè)1.吞吐量：在一個(gè)評(píng)價(jià)期間內(nèi)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成的所有工作負(fù)載(fùzài)稱(chēng)為吞吐量。

2．響應(yīng)時(shí)間：用戶(hù)輸入一個(gè)作業(yè)（或事務(wù)）至輸出開(kāi)始之間的間隔時(shí)間。

共八十一頁(yè)1.4計(jì)算機(jī)的基本(jīběn)組成*計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，雖然性能越來(lái)越高，適應(yīng)各種應(yīng)用的產(chǎn)品越來(lái)越豐富，但從其基本的硬件組成上講，仍然采用的是當(dāng)初馮·諾依曼（VonNeumann）結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。無(wú)論是巨型機(jī)、大型機(jī)還是小型機(jī)、微型機(jī)，它們主要的不同在于(zàiyú)性能的高低，而從硬件組成上講是基本相同的。共八十一頁(yè)1981年IBM公司(ɡōnɡsī)生產(chǎn)的IBMPC·Intel8088CPU,4.77MHz·64KB內(nèi)存·640×480分別率單色顯示器·5”軟驅(qū)·鍵盤(pán)·DOS操作系統(tǒng)共八十一頁(yè)現(xiàn)代(xiàndài)PC機(jī)·Intel雙核CPU·512MDDRII內(nèi)存·160G7200轉(zhuǎn)高速SATA硬盤(pán)·19”寬屏液晶顯示器·10/100M集成網(wǎng)卡·光電鼠標(biāo)/人體工學(xué)程功能鍵盤(pán)·高品質(zhì)音響系統(tǒng)·WindowsVista操作系統(tǒng)共八十一頁(yè)P(yáng)C機(jī)主機(jī)板CPU插座PCI總線(xiàn)插槽內(nèi)存條插座顯卡插槽鍵盤(pán)鼠標(biāo)接口串行接口并行接口顯示器接口LAN接口USB接口音頻插孔電源接口硬盤(pán)、光驅(qū)接口共八十一頁(yè)計(jì)算機(jī)硬件組成(zǔchénɡ)主板CPU顯示接口內(nèi)存鍵盤(pán)接口鼠標(biāo)接口磁盤(pán)接口串行接口并行接口串行設(shè)備并行設(shè)備共八十一頁(yè)從功能結(jié)構(gòu)上講，計(jì)算機(jī)硬件主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口及設(shè)備三大部分組成。從設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上講，CPU、存儲(chǔ)器（目前在計(jì)算機(jī)中是以?xún)?nèi)存條的方式出現(xiàn)）直接插在主板上，同時(shí)在主板上還集成了一些輸入輸出接口電路。顯示器作為標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備，鍵盤(pán)和鼠標(biāo)則作為標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備，分別與主板上對(duì)應(yīng)的接口相連。另外，磁盤(pán)（包括軟盤(pán)和硬盤(pán)）、光盤(pán)等從功能上講屬于(shǔyú)計(jì)算機(jī)的輔助存儲(chǔ)器（第4章詳細(xì)介紹），但從操作系統(tǒng)的角度上講，是將它們作為輸入輸出設(shè)備進(jìn)行管理的。共八十一頁(yè)另外，CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口及設(shè)備(shèbèi)間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，因此，它們之間需要通過(guò)某種方式連接起來(lái)。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，普遍采用的是一種總線(xiàn)連接方式，如圖1-12所示。共八十一頁(yè)CPU存儲(chǔ)器I/O接口I/O接口I/O設(shè)備I/O設(shè)備總線(xiàn)圖1-12計(jì)算機(jī)硬件之間的總線(xiàn)連接共八十一頁(yè)1．運(yùn)算器 運(yùn)算器就是計(jì)算機(jī)內(nèi)用于完成各種(ɡèzhǒnɡ)運(yùn)算的部件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-13所示。共八十一頁(yè)運(yùn)算器中有一個(gè)核心部件——算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU，它能完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。最基本的算術(shù)運(yùn)算主要包括加、減、乘、除等，邏輯運(yùn)算主要包括與、或、非、異或及移位運(yùn)算等。ALU一般(yībān)有兩個(gè)輸入端，它能一次完成兩個(gè)操作數(shù)的運(yùn)算。另外在運(yùn)算器中還會(huì)設(shè)置一些通用寄存器R，用于暫時(shí)存放運(yùn)算中產(chǎn)生的中間結(jié)果。共八十一頁(yè)2．控制器 控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，它按照人們預(yù)先編好的程序進(jìn)行工作，根據(jù)程序中指令的要求，有序地向計(jì)算機(jī)中各個(gè)部件發(fā)出控制信號(hào)，使計(jì)算機(jī)中各個(gè)部件有條不紊地工作，從而完成指令所要求的功能(gōngnéng)?？刂破鞯幕窘Y(jié)構(gòu)如圖1-14所示。共八十一頁(yè)在控制器中主要包括程序(chéngxù)計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、地址生成器AG、地址寄存器AR、數(shù)據(jù)寄存器DR、時(shí)序部件CP和控制信號(hào)產(chǎn)生部件等。共八十一頁(yè)程序(chéngxù)計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）實(shí)際上是一個(gè)地址寄存器，其中存放的是下一條要執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的單元地址。共八十一頁(yè)指令寄存器IR（InstructionRegister）主要用于存放由PC指向的從存儲(chǔ)器中取出的指令代碼。指令寄存器一般為一個(gè)指令字長(zhǎng)，它主要由兩個(gè)字段組成，一是指令操作碼OP字段，二是操作數(shù)或轉(zhuǎn)移地址Addr字段。OP字段用于指出該指令是一條什么樣的指令，如加法、移位等；Addr字段根據(jù)指令的不同功能有所不同，對(duì)于(duìyú)順序指令，Addr字段用于指出操作數(shù)的類(lèi)型及存放的位置或地址，而對(duì)于轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子指令，Addr字段則用于指出要轉(zhuǎn)向的指令的地址。共八十一頁(yè)指令(zhǐlìng)譯碼器ID（InstructionDecoder）用于對(duì)指令寄存器中的OP字段進(jìn)行譯碼，并將譯碼結(jié)果輸出給控制信號(hào)產(chǎn)生部件，如圖1-16所示。共八十一頁(yè)地址生成器AG（AddressGenerator）主要用于生成(shēnɡchénɡ)操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的單元地址，從而為取該操作數(shù)做好準(zhǔn)備。地址寄存器AR（AddressRegister）主要有兩個(gè)用途：一是用于存放由地址生成器按尋址方式進(jìn)行計(jì)算得到的操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址；二是用于存放由當(dāng)前轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子指令產(chǎn)生的要轉(zhuǎn)向的指令的地址。共八十一頁(yè)最后，所有指令的執(zhí)行都是在一定的操作控制信號(hào)的控制下完成的，操作控制信號(hào)產(chǎn)生部件就是根據(jù)指令譯碼的結(jié)果產(chǎn)生當(dāng)前指令執(zhí)行過(guò)程中所需的全部(quánbù)操作控制信號(hào)，這些控制信號(hào)在時(shí)序部件產(chǎn)生的時(shí)序下按照一定的順序逐個(gè)產(chǎn)生，從而控制不同的部件完成相應(yīng)的操作。共八十一頁(yè)3．存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)重要的組成部件之一，主要(zhǔyào)用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。從物理上講，存儲(chǔ)器是由具有一定記憶功能的物理器件構(gòu)成的，如目前計(jì)算機(jī)內(nèi)存普遍采用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)外存采用的磁介質(zhì)存儲(chǔ)器或光存儲(chǔ)器等。這些物理器件是通過(guò)自身的一些物理特性來(lái)表示和存儲(chǔ)二進(jìn)制0、1信息的。從邏輯上講，存儲(chǔ)器是由一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)單元構(gòu)成的，它也正是利用這一個(gè)個(gè)的存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)或記憶二進(jìn)制信息的。共八十一頁(yè)存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通常用單位KB（K字節(jié)）、MB（M字節(jié)）、GB（G字節(jié)）等表示，存儲(chǔ)容量越大，表示存儲(chǔ)器能夠(nénggòu)存儲(chǔ)記憶的信息量越大。共八十一頁(yè)4．輸入輸出接口與設(shè)備(shèbèi)輸入輸出系統(tǒng)由輸入輸出設(shè)備和與設(shè)備配套的適配器（Adaptor）或接口電路組成。計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備又稱(chēng)為外圍設(shè)備，它們主要完成人機(jī)間的信息交換。由于輸入輸出設(shè)備種類(lèi)繁多，在處理速度、數(shù)據(jù)格式、機(jī)械及電器特性等方面差異較大，因此，CPU與輸入輸出設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換通常是通過(guò)相應(yīng)輸入輸出適配器（又稱(chēng)輸入輸出接口）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。共