计算机组成原理chp1

第1页第一章计算机系统概论第一章计算机系统概论本章摘要：1.1计算机的分类1.2计算机发展简史1.3计算机的硬件1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构第2页第一章计算机系统概论要求1、计算机发展历程。2、计算机系统层次结构（1）计算机硬件的基本组成（2）计算机软件的分类（3）计算机的工作过程3、计算机的性能指标吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS第3页第一章计算机系统概论1.1计算机系统的分类主存I/O接口运算器控制器内部寄存器组CPU系统总线主机辅存I/O设备外设计算机硬件计算机系统计算机软件第4页第一章计算机系统概论计算机系统的基本组成系统软件应用软件计算机软件计算机系统计算机硬件操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库...MIS(管理信息系统)ERP(企业资源计划系统)OFFICEOUTLOOK…第5页第一章计算机系统概论概述计算机分类：机械计算机电子模拟计算机：数值由连续的量来表示。电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。专用机：经济，有效，快速，适应性差通用机：适应性强巨型机大型机中型机小型机微型机单片机低简易性高高体积，功耗，性能，价格低第6页第一章计算机系统概论第7页第一章计算机系统概论1.2计算机的发展1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分机1833分析机MARKIENIAC计算机发展史第8页第一章计算机系统概论1.2.1计算机的产生和发展1955年10月2日退役用手工搬动开关和拔插电缆来编程主要用于计算弹道和氢弹的研制1946年2月14日ENIAC17468个电子管6万个电阻器1万个电容器6千个开关重达30吨占地160平方米耗电174千瓦时耗资48万美元。这台计算机每秒只能运行5千次加法运算和500次乘法运算，电路的焊接点多达50万个。第9页第一章计算机系统概论世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)第10页第一章计算机系统概论世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)第11页第一章计算机系统概论世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)第12页第一章计算机系统概论第一代电子管计算机（50年代中期到60年代后期）特点：逻辑元件——真空管数据表示——定点数主存——磁鼓或磁芯辅存——磁带软件——机器语言、汇编语言应用——科学计算第13页第一章计算机系统概论IBM650IBM650小型机于1954年12月推出，是第一代计算机中销量最广的计算机。第14页第一章计算机系统概论第二代晶体管计算机（50年代中期——60年代后期）特点：逻辑元件——晶体管主存——铁淦氧磁芯辅存——磁盘、磁带运算方式——浮点运算软件——高级语言、操作系统（FORTRAN、ALGOL等）应用——科学计算、数据处理、过程控制第15页第一章计算机系统概论CDC66003百万指令/秒CDC6600大型机于1963年8月由控制数据公司(CDC)推出，当时很受各原子能机构、航空宇航、气象研究等机构的认可。CDC6600是真正意义上的超级计算机，共安装了35万个晶体管，运算速度为1Mflops。至1969年，CDC6600以及改进型CDC7600巨型机共售出150余台。“巨型机之父”西蒙·克雷第16页第一章计算机系统概论第三代集成电路计算机时代（60年代中期——70年代前期）特点:1、中小规模集成电路（IC）代替分立元件。2、半导体存储器代替了磁芯作为主存。外存仍用磁盘。3、出现了微程序设计技术，软件技术进一步成熟；出现操作系统并日臻完善，出现多道程序、并行处理技术、多处理机、虚拟存储系统等。4、出现了系列化计算机。5、应用：科学计算、数据处理、过程控制。第17页第一章计算机系统概论IBMSystem／360IBM360系统是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机。于1964年由IBM推出，平均运算速度从每秒几千次到一百万次，它的主要特点是通用化、系列化和标准化。第18页第一章计算机系统概论第四代大规模集成电路时代（70年代初——现在）特点：主存——普遍采用半导体存储器辅存——磁盘、光盘、磁带软件——出现数据库系统、分步操作系统硬件——出现微处理器和微型计算机第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机第19页第一章计算机系统概论第36届全球超级计算机五百强排行榜(2010.11)第20页第一章计算机系统概论第21页第一章计算机系统概论天河一号A第22页第一章计算机系统概论CrayJaguar第23页第一章计算机系统概论第24页第一章计算机系统概论TOP500.org组织公布的第36届全球超级计算机五百强排行榜，10月底才亮相的中国的“天河一号A”毫无悬念地摘得头名，这也是中国历史上第一次在这项排行上占据头把交椅。改进前的“天河一号”曾经连续位列第五和第七，全新升级后的天河一号A则基于NUDTYHCluster集群，硬件上配备了IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器(32nmWestmere-EP)、我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器、NVIDIATeslaM2050高性能计算卡、224TB内存、专有互连架构、Linux操作系统，总计186368个核心，Linpack最大性能2.566PFlops(每秒千万亿次浮点运算)、峰值性能4.701PFlops，系统效率54.6％。天河一号A坐落在位于天津的国家超级计算中心，建成后已经立即全面运转，主要用来执行大规模科学计算，而且还是一套开放式访问系统。第25页第一章计算机系统概论天河一号A简单资料第26页第一章计算机系统概论日本夺回全球500强超级计算机排名第一位置(2011.6)6月21日消息，据国外媒体报道，一台日本计算机取得了500强超级计算机排行榜排名第一的位置，结束了中国超级计算机保持6个月的排名第一位置。日本K计算机每秒浮点运算次数为百万的四次方，比接下来的五个超级计算机合在一起的性能还要强大。K计算机的性能是使用68,544个SPARC64VIIIfx处理器衡量的，每个处理器配置8个内核，一共有548,352个内核，几乎是其它世界500强超级计算机处理器内核数量的一倍。这台超级计算机仍在建造之中。据这台超级计算机的制造商富士通称，当它在2012年11月开始服务的时候，这台超级计算机将配置8万多个SPARC64VIIIfx处理器。第27页第一章计算机系统概论日本超级计算机上升到排名第一的位置意味着去年11月取得排名第一位的中国天河-1A超级计算机现在排名第二位。天河-1A每秒可进行2.57千万亿次浮点运算。不过，中国继续增加在这个排行榜中的超级计算机的数量。现在，中国的世界500强超级计算机已经从42台增加到62台。这个排名第一的变化还意味着日本为美国能源部生产的超级计算机Jaguar的排名下降到第三位。第28页第一章计算机系统概论第29页第一章计算机系统概论1.2.2半导体存储器的发展20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB直至更高。其中1K=210,1M=220,1G=230第30页第一章计算机系统概论4004CPU图片1971年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！1.2.3微处理器的发展第31页第一章计算机系统概论8086CPU1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086。与其前一代8位微处理器8080/8085相比，8086有如下几点进步：（1）8086有16位数据总线，处理器与外部传送数据时，一次可传送16位二进制数，而8080/8085一次只能传送8位。（2）8086的寻址空间从8080/8085的64K字节提高到1M字节。（3）8086采用了流水线技术，而8080/8085是非流水线结构。在一个具有流水线结构处理器的系统中，可以实现处理器的内部操作与存储器或I/O接口之间的数据传送操作重叠进行，从而提高了处理器的性能。第32页第一章计算机系统概论80286CPU80386CPU80486CPUPENTIUMCPU第33页第一章计算机系统概论PentiumMMX:第34页第一章计算机系统概论PentiumⅡ第35页第一章计算机系统概论PentiumIII:第36页第一章计算机系统概论PentiumIII-Coppermine:第37页第一章计算机系统概论Pentium4第38页第一章计算机系统概论第39页第一章计算机系统概论第40页第一章计算机系统概论Althon64X2第41页第一章计算机系统概论PentiumD第42页第一章计算机系统概论IntelCore2Duo第43页第一章计算机系统概论Inteli7酷睿至尊版980X第44页第一章计算机系统概论AMD羿龙IIX61090T第45页第一章计算机系统概论微型计算机的特点体积小、功耗低可靠性高、使用环境要求低系统外部芯片配套，系统设计灵活性能优良、价格低廉第46页第一章计算机系统概论摩尔定律（1965年戈登·摩尔原Intel董事长）晶体管表面积（即刻在集成电路面上的面积）每12个月就会缩小大约50%。1975年更正为18个月，随后更正为24个月，后又更正为18个月。第47页第一章计算机系统概论1.2.4计算机的性能指标计算机的吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入,处理和流出系统的信息的速率。它取决于信息能够多快地输入内存,CPU能够多快地取指令,数据能够多快地从内存取出或存入,以及所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备。这些步骤中的每一步都关系到主存,因此,系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。由于上述原因,采用双端口存储器可以增加主存的有效速度.响应时间：响应时间是指完成一个任务的全部时间，包括磁盘访问时间、存储器访问时间、I/O访问时间等。在多道程序时，CPU在一个程序处于I/O等待时会转去执行另外一个程序，这样就会减少等待时间。第48页第一章计算机系统概论利用率表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。处理机字长指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。总线宽度一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。存储器容量存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。存储器带宽存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。第49页第一章计算机系统概论主频/时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。CPU执行时间表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：CPU执行时间＝CPU时钟周期数×CPU时钟周期长第50页第一章计算机系统概论第51页第一章计算机系统概论第52页第一章计算机系统概论1.3计算机的硬件第53页第一章计算机系统概论冯·诺依曼体系结构计算机组成原理讨论的基础就是冯·诺依曼的计算机，其基本设计思想就是存储程序和程序控制，具有以下特点：（1）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令