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1、2019/2/18,1,计算机组成原理,唐朔飞 编著,第版,高等教育出版社,2019/2/18,2,第章 计算机系统概论,1.1 计算机系统简介,1.4 本书结构,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.2 计算机的基本组成,2019/2/18,3,世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946),ENIAC的特点： 采用十进制 20 个10位的累加器 18,000个电子管 重30 吨 占地170平方米 耗电140 KW 5,000次/秒加法运算 用手工扳动开关和拔插电缆来编程,2019/2/18,4,硬件技术对计算机更新换代的影响,100 000 000,超大规模 集成电路,1978现在,五,1
2、0 000 000,大规模 集成电路,19721977,1 000 000,中小规模 集成电路,19651971,200 000,晶体管,19581964,40 000,电子管,19461957,速度 /（次/秒）,硬件技术,时间,代,三,四,二,一,2019/2/18,5,计算机从20世纪40年代诞生至今，已有50多年了。随着数字科技的革新，计算机差不多每10年就更新换代一次。,第一代：电子管计算机 第二代：晶体管计算机 第三代：集成电路计算机 第四代：大规模集成电路计算机 第五代：智能计算机 智能计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和推理
3、，其软件系统能够处理知识信息。神经网络计算机（也称神经元计算机）是智能计算机的重要代表。 第六代：生物计算机 也称分子计算机、基因计算机 。生物计算机比硅晶片计算机在速度、性能上有质的飞跃，被视为极具发展潜力的“第六代计算机”。,2019/2/18,6,第一台Von Neumann 系统结构的计算机（EDVAC),世界上第一台由冯.诺依曼设计具有存储程序功能的计算机叫EDVAC，（1949年8月交给弹道实验室）。但是世界上第一台实现存储程序式的电子计算机是EDSAC（英国剑桥，1949年5月投入使用）。,2019/2/18,7,IBM System360,2.1,1964年4月IBM360系统
4、问世，它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表,2019/2/18,8,国际超级计算机组织是发布全球已安装超级计算机性能排名的权威机构，以系统的持续速度（测试值）为基准进行排名，每年发布两次，其目的是促进国际超级计算机领域的交流和合作、促进超级计算机的推广应用。,2019/2/18,9,2.1,1. IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution,212 992 个 CPU 最大平均速度 478 200 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,2019/2/18,10,一个 MFLOPS (megaFLOPS) 等于每秒1百
5、万 (=106) 次的浮点运算， 一个 GFLOPS (gigaFLOPS) 等于每秒10亿 (=109) 次的浮点运算， 一个 TFLOPS (teraFLOPS) 等于每秒1万亿 (=1012) 次的浮点运算， 一个 PFLOPS (petaFLOPS) 等于每秒1千万亿 (=1015) 次的浮点运算。,2019/2/18,11,2.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution,65 536个 CPU 最大平均速度 167 300 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,2019/2/18,12,3.SGI: SGI Altix ICE 820
6、0,14 336个 CPU 最大平均速度 126 900 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,2019/2/18,13,4. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c,14 240个 CPU 最大平均速度 117 900 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,2019/2/18,14,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,5. HP : Cluster Platform 3000 BL460c,13 728个 CPU 最大平均速度 102 800 GFLOPS,2019/2/18,15,超级计算机
7、世界500强 排行榜前十名榜单（2009.6）,2019/2/18,16,超级计算机最新排名 （截至2009.6）,2009年6月TOP500.org公布了第31次全球超级计算机统计报告，正式宣告该产业从TFlops时代跨入PFlops，即每秒千万亿次运算。 在最新排行榜上第一的是IBM Roadrunner（走鹃），安放在美国能源部Los Alamos国家实验室，由IBM PowerXCell 3.2GHz和AMD Opteron DC 1.8GHz两种处理器组成，拥有122400个计算核心，最高性能1.105PFlops，峰值性能1.37578PFlops，功耗2345.5千瓦。,2.1,
8、2019/2/18,17,世界最强超级计算机“走鹃”,2019/2/18,18,超级计算机排名,尽管IBM这次在前十位中占据了半壁江山，不过其在超级计算机市场上的统治地位正被惠普慢慢蚕食，500强名单中有212台超级计算机来自惠普，IBM稍显逊色，只有188台。 在这些超级计算机中，使用Intel处理器的系统有399台超级计算机，比例达到了接近80%。而使用IBM Power系列处理器的系统比率位居第二，共有55台产品使用了这款处理器。此外，共有43款超级计算机采用了AMD Opteron处理器。 上海超级计算中心的“曙光”5000A位列第15名。,2019/2/18,19,1.美国克雷公司
9、美洲豹 1.75 petaflop/s 2.中国曙光公司 星云 1.27 petaflop/s 3.美国IBM公司 走鹊 1.105 petaflop/s 4.美国克雷公司 克拉肯 5.IBM公司（德国） JUGENE 6.美国SGI公司 昴宿星 7.中国国防科学技术大学 天河一号 8.美国 IBM公司 蓝色基因 9.美国 IBM公司 Intrepid 10.美国太阳微红色天空,超级计算机世界500强 排行榜前十名榜单（2010.6）,2019/2/18,20,一个petaflop等于每秒钟进行1千兆（万亿，trillion）次的数学运算，这种速度大约是现在运算速度最快计算机的8倍，普通计算机
10、的36000倍。例如，美洲豹超级计算机运算一秒所处理的信息，普通计算机需要十小时。 美国在这一领域仍然有著明显的领先优势（全球最快计算机500强中，美国占了282个席位），可是中国正在向美国的霸主地位发出了挑战。 虽然中国在500强排名中仅占了24个席位，但是其发展速度却十分惊人。现在，中国顶级计算机的运算速度比起以前已经提速了一倍多，而完全由中国自主设计和制造的超级计算机也有望在今年稍后时间研发成功。,2019/2/18,21,美国橡树岭国家实验室的美洲豹(Jaguar)排名首位,2019/2/18,22,中国深圳国家超级计算机中心的曙光“星云”超级计算机排名第二,2019/2/18,23,
11、北京时间2010年10月日，在国际超级计算机组织正式发布第届世界超级计算机强排名中，中国共有包括“天河一号”A和“曙光星云”在内的台机器入围，在数量份额上仅次于美国，排名第二。 安装在国家超级计算天津中心的“天河一号”A超级计算机系统，以峰值速度万亿次、持续速度万亿次每秒浮点运算的优异性能位居世界第一，实现了从亚洲第一向世界第一的重大跨越，取得了我国自主研制超级计算机综合技术水平进入世界领先行列的历史性突破。 “天河一号”A是国防科学技术大学承担国家计划“千万亿次高效能计算机系统研制”重大项目取得的标志性成果。,2019/2/18,24,天河一号,2019/2/18,25,天河一号A,2019
12、/2/18,26,配置介绍 天河一号 6144个通用处理器（3072x2 Intel Quad Core Xeon E5540 2.53GHz/E5540 3.0GHz）； 5120个加速处理器（2560 ATI Radeon 4870x2 575MHz） 内存总容量98TB ； 点点通信带宽40Gbps ； 共享磁盘总容量为1PB 天河一号A 2048颗我国仿制sun公司的UltraSparc T2处理器（飞腾FT-1000）八核心处理器 14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器 7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡,2019/2/18,
13、27,虽然在计算速度方面已走到世界前列，但是在技术水平上还不能这么说 “我们对取得的成绩要有一个理性的判断，不能沾沾自喜。”“天河一号”副总设计师胡庆丰研究员说，与发达国家尤其是美国相比，我国在核心电子器件、高端通用芯片和基础软件，以及大型行业应用软件等方面存在明显差距。 “虽然我们在计算速度方面已经走到世界前列，但是在技术水平上不能这么说。”中科院计算所副所长、曙光首席科学家孙凝晖研究员说，“我们的机器计算快，但是访存速度慢，不均衡，整机的效率还有不小的差距。我的看法是有两年的差距。在信息产业领域，有一个摩尔定律，相差两年就意味着相差一代。而且，在未来10年内，这两年的差距追赶起来也很有难度
14、。”,2019/2/18,28,差距不容忽视 核心差距在软件和应用，任务长期而艰巨 在硬件方面，不论是“天河一号”A，还是“曙光星云”，其主要核心芯片都采用的是美国的产品。在专家眼里，这个差距虽然明显，但不是核心差距，更大的差距在软件和应用方面，欠缺更多的是“软实力”。,2019/2/18,29,北京时间2011年6月20日消息，据国外媒体报道，国际超级计算机组织在德国汉堡召开2011年年会并公布今年6月份的全球超级计算机500强名单。今年排在超级计算机500强名单首位的超级计算机是日本RIKEN高级计算机科学研究所的K Computer。 这是自2004年以来，日本制造的超级计算机第一次成为
15、全球速度最快的超级计算机。据悉，K Computer的计算性能高达10petaflop/s（千万亿次/秒），远超去年11月时位于榜首的超级计算机。去年11月时排在计算性能排行榜第一位的是中国天津国家超级计算中心的天河-1A，它的计算性能为2.6petaflop/s。,2019/2/18,30,K Computer是由日本富士通研发而成，包含了8万多个八核CPU。日本上一次是凭借NEC的Earth Simulator摘得全球最快超级计算机桂冠。在蝉联全球超级计算机500强榜首两年时间后，那款超级计算机于2004年11月被其他超级计算机超越。 在2011年超级计算机500强名单中，排在第二位的是天
16、河-1A，排在第三位的是美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的美洲豹（Jaquar），它的计算性能为1.75petaflop/s。中国深圳国家超级计算中心的星云（Nebulae）和东京技术研究所（Tokyo Institute of Technology）的燕子2.0（Tsubame 2.0）排在第四位和第五位，它们的计算性能分别为1.27petaflop/s和1.19petaflop/s。,2019/2/18,31,K Computer,2019/2/18,32,1.美国IBM公司 “红杉”(Sequoia) ，16.324petaflops “
17、红杉”将用来进行模拟核试验，以及延长老旧核武器的寿命，避免进行地下核试验。它目前被安装在美国能源部所属的劳伦斯利福摩尔国家实验室。 2.日本理化学研究所与富士通 (Fujitsu) 共同研发和组装的K Computer ，10.51 petaflop/s 3.美国IBM公司 “米拉” 8.162 petaflop/s 排名前 10 的超级计算机系统实测指令周期都超过每秒千万亿次，其中美国的超级计算机有 3 个，中国和德国 2 个，日本、法国和意大利各 1 个。 中国国家超级计算天津中心的“天河一号A”超级计算机在最新排名中名列第 5 ；另外超级计算深圳中心的“星云”超级计算机排名第 10 。,
18、超级计算机世界500强 排行榜前十名榜单（2012.6）,2019/2/18,33,2019/2/18,34,IBM的Sequoia以每秒16千万亿次（petaflop/s）浮点运算在该榜单中位居榜首。Sequoia基于该公司蓝色基因/Q架构（Blue Gene/Q），拥有96个机架，共98304个计算节点、接近160万个处理器核心、内存容量1.6PB（1600TB）。在过去10次全球超级计算机500强排行榜当中，IBM的蓝色基因/Q架构有4次夺魁。,2019/2/18,35,1.1 计算机系统简介,由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成,1. 计算机系统,计算机系统,计算机的实体， 如主机、
19、外设等,一、 计算机的软硬件概念,2019/2/18,36,按任务需要编制成的各种程序,用来管理整个计算机系统,语言处理程序,操作系统,服务性程序,数据库管理系统,网络软件,软 件,1.1,2019/2/18,37,1.1,2. 计算机的解题过程,2019/2/18,38,二、计算机系统的层次结构,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机器 M0,1.1,2019/2/18,39,用编译程序翻译 成汇编语言程序,用汇编程序翻译 成机器语言程序,用机器语言解释操作系统,用微指令解释机器指令,由硬件直接执行微指令,1.1,2019/2/18
20、,40,程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性,实现计算机体系结构所体现的属性,有无乘法指令,如何实现乘法指令,（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）,（具体指令的实现）,1.1,三、计算机体系结构和计算机组成,2019/2/18,41,1.2 计算机的基本组成,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序,一、冯诺依曼计算机的特点,5. 存储程序,2019/2/18,42,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,1
21、.2,冯诺依曼计算机硬件框图,2019/2/18,43,1.2,冯诺依曼计算机硬件框图,2019/2/18,44,二、计算机硬件框图,1.2,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,2019/2/18,45,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O设备,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,1.2,2019/2/18,46,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,1.2,三、计算机的工作步骤,2019/2/18,47,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,
22、加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,= (ax + b)x + c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax2 + bx + c,1.2,编程举例,2019/2/18,48,000001 0000001000,打印 ,停机,取数 ,存数 ,加 ,乘 ,指令格式举例,1.2,2019/2/18,49,1.2,计算 ax2 + bx + c 程序清单,2019/2/18,50,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访
23、, 存储单元, 存储元件,（0/1）, 房间, 床位,（无人/ 有人）,(1)存储器的基本组成,1.2,2.计算机的解题过程,2019/2/18,51,MAR,MDR,1.2,存储器地址寄存器 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器 反映存储字长,(1)存储器的基本组成,2019/2/18,52,(2)运算器的基本组成及操作过程,1.2,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数,2019/2/18,53, 加法操作过程,1.2,2019/2/18,54,1.2, 减法操作过程,2019/2/18,55,1.2, 乘法操作过程,2019/2/
24、18,56,1.2, 除法操作过程,2019/2/18,57,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,1.2,(3)控制器的基本组成,2019/2/18,58,以取数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,1.2,2019/2/18,59,以存数指令为例,1.2,(4)主机完成一条指令的过程,2019/2/18,60,(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,1.2,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(I
25、R),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,2019/2/18,61,1.3 计算机硬件的主要技术指标,1.机器字长,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关,主频,2019/2/18,62,221 = 256 KB,3.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总位数,1.3,1 K 8位,64 K 32位,2019/2/18,63,第篇 概论,1.4 本书结构,2019/2/18,64,1.4 本书结构,第篇 计算机系统的硬件结构,2019/2/18,65,1.4 本书结构,第篇 CPU,2019/2/18,66,1.4 本书结构,第篇 CU,2019/2/18,67,第1章思考题,1.3，1.5，1.7，1.11，1.12,