計(jì)算機(jī)組成原理chp1

1、第第1 1頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第一章第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 本章摘要：本章摘要： 1.1 1.1 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類 1.2 1.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史 1.3 1.3 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件 1.4 1.4 計(jì)算機(jī)的軟件計(jì)算機(jī)的軟件 1.5 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第第2 2頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論要求要求1 1、計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程。、計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程。2 2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) （1 1）計(jì)算機(jī)硬件的基本組成）計(jì)算機(jī)硬件的基本組成 （2 2）計(jì)算機(jī)軟件的分類）計(jì)算機(jī)軟件的分類 （3 3）計(jì)算機(jī)的工作過程）計(jì)算機(jī)的

2、工作過程3 3、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；吞吐量、響應(yīng)時(shí)間；CPUCPU時(shí)鐘周期、主頻、時(shí)鐘周期、主頻、CPICPI、CPUCPU執(zhí)行時(shí)間；執(zhí)行時(shí)間；MIPSMIPS、MFLOPSMFLOPS第第3 3頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類主存主存 I/OI/O接口接口運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器內(nèi)部寄存器組內(nèi)部寄存器組CPU 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線主機(jī)主機(jī)輔存輔存I/O設(shè)備設(shè)備外設(shè)外設(shè)計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件第第4 4頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟

3、件計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序診斷程序診斷程序各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫各種標(biāo)準(zhǔn)程序庫.MIS(管理信息系統(tǒng))ERP(企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng))OFFICEOUTLOOK第第5 5頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論概概 述述計(jì)算機(jī)分類：計(jì)算機(jī)分類： 機(jī)械機(jī)械計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 電子電子模擬模擬計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)：數(shù)值由連續(xù)的量來表示。：數(shù)值由連續(xù)的量來表示。 電子數(shù)字計(jì)算機(jī)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)中的數(shù)值由不連續(xù)的數(shù)字來表示。：計(jì)算機(jī)中的數(shù)值由不連續(xù)的數(shù)字來表示。 專用機(jī)：經(jīng)濟(jì)，有效，快速，適應(yīng)性差專用機(jī)：經(jīng)濟(jì)，有效，快速，適應(yīng)性差 通用機(jī)：適應(yīng)性強(qiáng)通用機(jī)：適應(yīng)

4、性強(qiáng) 巨型機(jī)巨型機(jī) 大型機(jī)大型機(jī) 中型機(jī)中型機(jī) 小型機(jī)小型機(jī) 微型機(jī)微型機(jī) 單片機(jī)單片機(jī) 低低 簡易性簡易性 高高 高高 體積，功耗，性能，價(jià)格體積，功耗，性能，價(jià)格 低低第第6 6頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第7 7頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的發(fā)展l1642 Blaise Pascall1822 1822 差分機(jī)差分機(jī)l1833 1833 分析機(jī)分析機(jī)l計(jì)算機(jī)發(fā)展史計(jì)算機(jī)發(fā)展史第第8 8頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.2.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1955年年10月月2日日退役退役用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程主要用于計(jì)算彈道

5、和氫彈的研制主要用于計(jì)算彈道和氫彈的研制 1946 1946年年2 2月月1414日日 ENIACENIAC 17468 17468個(gè)電子管個(gè)電子管 6 6萬個(gè)電阻器萬個(gè)電阻器 1 1萬個(gè)電容器萬個(gè)電容器 6 6千個(gè)開關(guān)千個(gè)開關(guān) 重達(dá)重達(dá)3030噸噸 占地占地160160平方米平方米 耗電耗電174174千瓦時(shí)千瓦時(shí) 耗資耗資4848萬美元。萬美元。 這臺計(jì)算機(jī)每秒只能運(yùn)行這臺計(jì)算機(jī)每秒只能運(yùn)行5 5千次加法運(yùn)算和千次加法運(yùn)算和500500次乘法運(yùn)算，電路的焊接點(diǎn)多達(dá)次乘法運(yùn)算，電路的焊接點(diǎn)多達(dá)5050萬個(gè)。萬個(gè)。 第第9 9頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺電子計(jì)算

6、機(jī) ENIAC(1946)ENIAC(1946)第第1010頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺電子計(jì)算機(jī) ENIAC(1946)ENIAC(1946)第第1111頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺電子計(jì)算機(jī) ENIAC(1946)ENIAC(1946)第第1212頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第一代第一代 電子管計(jì)算機(jī)（電子管計(jì)算機(jī)（5050年代中期到年代中期到6060年代后期）年代后期） 特點(diǎn)：邏輯元件特點(diǎn)：邏輯元件 真空管真空管 數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示 定點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)數(shù) 主主 存存 磁鼓或磁芯磁鼓或磁芯 輔輔 存存 磁帶磁帶 軟軟 件件 機(jī)器語言、匯編

7、語言機(jī)器語言、匯編語言 應(yīng)應(yīng) 用用 科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算第第1313頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論IBM 650 IBM650IBM650小型小型機(jī)于機(jī)于19541954年年1212月月推出，是第一代推出，是第一代計(jì)算機(jī)中銷量最計(jì)算機(jī)中銷量最廣的計(jì)算機(jī)。廣的計(jì)算機(jī)。第第1414頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第二代第二代 晶體管計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī) （5050年代中期年代中期6060年代后期）年代后期） 特點(diǎn)：邏輯元件特點(diǎn)：邏輯元件 晶體管晶體管 主主 存存 鐵淦氧磁芯鐵淦氧磁芯 輔輔 存存 磁盤、磁帶磁盤、磁帶 運(yùn)算方式運(yùn)算方式 浮點(diǎn)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算 軟軟 件件 高級語言、操作系統(tǒng)（高級語言、操作系統(tǒng)（FORT

8、RANFORTRAN、ALGOLALGOL等）等） 應(yīng)應(yīng) 用用 科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制 第第1515頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論CDC 66003百萬指令百萬指令/秒秒 CDC6600CDC6600大型機(jī)于大型機(jī)于19631963年年8 8月由控制數(shù)據(jù)公司月由控制數(shù)據(jù)公司(CDC)(CDC)推出，當(dāng)時(shí)很受各原子能機(jī)推出，當(dāng)時(shí)很受各原子能機(jī)構(gòu)、航空宇航、氣象研究等構(gòu)、航空宇航、氣象研究等機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。CDC6600CDC6600是真正是真正意義上的超級計(jì)算機(jī)，共安意義上的超級計(jì)算機(jī)，共安裝了裝了3535萬個(gè)晶體管，運(yùn)算速萬個(gè)晶體管，運(yùn)算速度為度為1Mfl

9、ops1Mflops。至。至19691969年，年，CDC6600CDC6600以及改進(jìn)型以及改進(jìn)型CDC7600CDC7600巨型機(jī)共售出巨型機(jī)共售出150150余臺。余臺?！熬扌蜋C(jī)之父巨型機(jī)之父”西蒙西蒙克雷克雷第第1616頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第三代第三代 集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（6060年代中期年代中期7070年代前期）年代前期） 特點(diǎn)特點(diǎn): 1: 1、中小規(guī)模集成電路（、中小規(guī)模集成電路（ICIC）代替分立元件。）代替分立元件。 2 2、半導(dǎo)體存儲器代替了磁芯作為主存。外存仍用磁、半導(dǎo)體存儲器代替了磁芯作為主存。外存仍用磁盤。盤。 3 3、出現(xiàn)了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)，軟

10、件技術(shù)進(jìn)一步成熟；、出現(xiàn)了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)，軟件技術(shù)進(jìn)一步成熟；出現(xiàn)操作系統(tǒng)并日臻完善，出現(xiàn)多道程序、并行處理技術(shù)、出現(xiàn)操作系統(tǒng)并日臻完善，出現(xiàn)多道程序、并行處理技術(shù)、多處理機(jī)、虛擬存儲系統(tǒng)等。多處理機(jī)、虛擬存儲系統(tǒng)等。 4 4、出現(xiàn)了系列化計(jì)算機(jī)。、出現(xiàn)了系列化計(jì)算機(jī)。 5 5、應(yīng)用：科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制。、應(yīng)用：科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制。 第第1717頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論IBM System360 IBM360 IBM360系統(tǒng)系統(tǒng)是最早采用集是最早采用集成電路的通用成電路的通用計(jì)算機(jī)，也是計(jì)算機(jī)，也是影響最大的第影響最大的第三代計(jì)算機(jī)。三代計(jì)算機(jī)。于于19641964年由

11、年由IBMIBM推出，平推出，平均運(yùn)算速度從均運(yùn)算速度從每秒幾千次到每秒幾千次到一百萬次，它一百萬次，它的主要特點(diǎn)是的主要特點(diǎn)是通用化、系列通用化、系列化化和和標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化。第第1818頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第四代第四代 大規(guī)模集成電路時(shí)代（大規(guī)模集成電路時(shí)代（70年代初年代初現(xiàn)在）現(xiàn)在） 特點(diǎn)：主存特點(diǎn)：主存普遍采用半導(dǎo)體存儲器普遍采用半導(dǎo)體存儲器 輔存輔存磁盤、光盤、磁帶磁盤、光盤、磁帶 軟件軟件出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分步操作系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分步操作系統(tǒng) 硬件硬件出現(xiàn)微處理器和微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)微處理器和微型計(jì)算機(jī)第五代為第五代為1991年開始，年開始，巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：單片機(jī)巨大規(guī)模

12、集成電路計(jì)算機(jī)：單片機(jī)第第1919頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第3636屆全球超級計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)排行榜屆全球超級計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)排行榜(2010.11)(2010.11)第第2020頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第2121頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論天河一號天河一號A第第2222頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論Cray Jaguar第第2323頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第2424頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 TOP500.org TOP500.org組織公布組織公布的的第第3636屆全球超級計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)排行屆全球超級計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)排行榜榜，10月底才亮相的中國的“天河一號A”毫無毫無懸念地摘得頭懸念地摘得頭名，

13、這也是中國歷史上第一次在這項(xiàng)排行上占據(jù)頭把交椅。名，這也是中國歷史上第一次在這項(xiàng)排行上占據(jù)頭把交椅。 改進(jìn)改進(jìn)前的前的“天河一號天河一號”曾經(jīng)連續(xù)位列第五和第七，全新升曾經(jīng)連續(xù)位列第五和第七，全新升級后的天河一號級后的天河一號A A則基于則基于NUDT YH ClusterNUDT YH Cluster集群，硬件上配備了集群，硬件上配備了Intel Xeon X5670 2.93GHzIntel Xeon X5670 2.93GHz六核心處理器六核心處理器(32nm (32nm WestmereWestmere-EP)-EP)、我國自主研發(fā)的飛騰、我國自主研發(fā)的飛騰FT-1000FT-1000

14、八核心處理器、八核心處理器、NVIDIA Tesla NVIDIA Tesla M2050M2050高性能計(jì)算卡、高性能計(jì)算卡、224TB224TB內(nèi)存、專有互連架構(gòu)、內(nèi)存、專有互連架構(gòu)、LinuxLinux操作操作系統(tǒng)，總計(jì)系統(tǒng)，總計(jì)186368186368個(gè)核心，個(gè)核心，LinpackLinpack最大性能最大性能2.566PFlops(2.566PFlops(每每秒千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算秒千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算) )、峰值性能、峰值性能4.701PFlops4.701PFlops，系統(tǒng)效率，系統(tǒng)效率54.654.6。 天河天河一號一號A A坐落在位于天津的國家超級計(jì)算中心，建成后坐落在位于天津的國家

15、超級計(jì)算中心，建成后已經(jīng)立即全面運(yùn)轉(zhuǎn)，主要用來執(zhí)行大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算，而且還是已經(jīng)立即全面運(yùn)轉(zhuǎn)，主要用來執(zhí)行大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算，而且還是一套開放式訪問系統(tǒng)。一套開放式訪問系統(tǒng)。 第第2525頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論天河一號天河一號A A簡單資料簡單資料第第2626頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論日本奪回全球日本奪回全球500500強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)排名第一位置強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)排名第一位置(2011.6)(2011.6) 6 6月月2121日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，一臺日本計(jì)算機(jī)取得了日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，一臺日本計(jì)算機(jī)取得了500500強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)排行榜排名第一的位置，結(jié)束了中國超級計(jì)算強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)排行榜排名第一的

16、位置，結(jié)束了中國超級計(jì)算機(jī)保持機(jī)保持6 6個(gè)月的排名第一位置。日本個(gè)月的排名第一位置。日本K K計(jì)算機(jī)每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)計(jì)算機(jī)每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)為百萬的四次方，比接下來的五個(gè)超級計(jì)算機(jī)合在一起的性能為百萬的四次方，比接下來的五個(gè)超級計(jì)算機(jī)合在一起的性能還要強(qiáng)大。還要強(qiáng)大。 K K計(jì)算機(jī)的性能是使用計(jì)算機(jī)的性能是使用68,54468,544個(gè)個(gè)SPARC64 SPARC64 VIIIfxVIIIfx處理器衡量處理器衡量的，每個(gè)處理器配置的，每個(gè)處理器配置8 8個(gè)內(nèi)核，一共有個(gè)內(nèi)核，一共有548,352548,352個(gè)內(nèi)核，幾乎是個(gè)內(nèi)核，幾乎是其它世界其它世界500500強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)處理器內(nèi)核數(shù)量的一

17、倍。這臺超級計(jì)強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)處理器內(nèi)核數(shù)量的一倍。這臺超級計(jì)算算 機(jī)仍在建造之中。據(jù)這臺超級計(jì)算機(jī)的制造商富士通稱，當(dāng)機(jī)仍在建造之中。據(jù)這臺超級計(jì)算機(jī)的制造商富士通稱，當(dāng)它在它在20122012年年1111月開始服務(wù)的時(shí)候，這臺超級計(jì)算機(jī)將配置月開始服務(wù)的時(shí)候，這臺超級計(jì)算機(jī)將配置8 8萬多萬多個(gè)個(gè)SPARC64 SPARC64 VIIIfxVIIIfx處理器。處理器。第第2727頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 日本超級計(jì)算機(jī)上升到排名第一的位置意味著去年日本超級計(jì)算機(jī)上升到排名第一的位置意味著去年1111月取月取得排名第一位的中國天河得排名第一位的中國天河-1A-1A超級計(jì)算機(jī)現(xiàn)在排名第二位。天河

18、超級計(jì)算機(jī)現(xiàn)在排名第二位。天河-1A-1A每秒可進(jìn)行每秒可進(jìn)行2.572.57千萬億次浮千萬億次浮 點(diǎn)運(yùn)算。不過，中國繼續(xù)增加點(diǎn)運(yùn)算。不過，中國繼續(xù)增加在這個(gè)排行榜中的超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量?，F(xiàn)在，中國的世界在這個(gè)排行榜中的超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量?，F(xiàn)在，中國的世界500500強(qiáng)強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)已經(jīng)從超級計(jì)算機(jī)已經(jīng)從4242臺增加到臺增加到6262臺。這個(gè)排名第一的變化還意臺。這個(gè)排名第一的變化還意味味 著日本為美國能源部生產(chǎn)的超級計(jì)算機(jī)著日本為美國能源部生產(chǎn)的超級計(jì)算機(jī)JaguarJaguar的排名下降到的排名下降到第三位。第三位。第第2828頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第2929頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1

19、.2.2 1.2.2 半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展 2020世紀(jì)世紀(jì)50506060年代，所有計(jì)算機(jī)存儲器都是由微小的鐵磁體年代，所有計(jì)算機(jī)存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)環(huán) 19701970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個(gè)較大容量半導(dǎo)體存年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個(gè)較大容量半導(dǎo)體存儲器儲器 從從19701970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了1111代：單個(gè)芯片代：單個(gè)芯片1KB1KB、4KB4KB、16KB16KB、64KB64KB、256KB256KB、1MB1MB、4MB4MB、16MB16MB、64MB64MB、256MB256MB、1GB1GB直至更高直至更高

20、。 其中其中1K=21K=21010,1M=2,1M=22020,1G=2,1G=23030第第3030頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論4004 CPU圖片圖片.3 3 微處理微處理器的發(fā)展器的發(fā)展 第第3131頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論8086 CPU 19781978年，年，IntelIntel公司首次生產(chǎn)出公司首次生產(chǎn)出1616位的微處理器，并命名為位的微處理器，并命名為i8086i8086。與其前一代與其前一代8 8位微處理器位微處理器8080/80858080/8085相比，相比，80868086有如下幾點(diǎn)進(jìn)步：有如下幾點(diǎn)進(jìn)步： （1 1）80868086有有1616位數(shù)據(jù)總

21、線，處位數(shù)據(jù)總線，處理器與外部傳送數(shù)據(jù)時(shí)，一次可傳理器與外部傳送數(shù)據(jù)時(shí)，一次可傳送送1616位二進(jìn)制數(shù)，而位二進(jìn)制數(shù)，而8080/80858080/8085一一次只能傳送次只能傳送8 8位。位。 （2 2）80868086的尋址空間從的尋址空間從8080/80858080/8085的的64K64K字節(jié)提高到字節(jié)提高到1M1M字節(jié)。字節(jié)。 （3 3）80868086采用了流水線技術(shù)，采用了流水線技術(shù)，而而8080/80858080/8085是非流水線結(jié)構(gòu)。在是非流水線結(jié)構(gòu)。在一個(gè)具有流水線結(jié)構(gòu)處理器的系統(tǒng)一個(gè)具有流水線結(jié)構(gòu)處理器的系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)處理器的內(nèi)部操作與中，可以實(shí)現(xiàn)處理器的內(nèi)部操作與存

22、儲器或存儲器或I/OI/O接口之間的數(shù)據(jù)傳送接口之間的數(shù)據(jù)傳送操作重疊進(jìn)行，從而提高了處理器操作重疊進(jìn)行，從而提高了處理器的性能。的性能。第第3232頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論80286 CPU80386 CPU80486 CPUPENTIUM CPU第第3333頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論P(yáng)entium MMX:Pentium MMX: 第第3434頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論P(yáng)entium 第第3535頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論P(yáng)entiumIII:第第3636頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論P(yáng)entium III-Coppermine :第第3737頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論P(yáng)entium 4Pe

23、ntium 4第第3838頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第3939頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第4040頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 Althon64 X2 第第4141頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論P(yáng)entium D 第第4242頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論Intel Core2 Duo 第第4343頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論Intel i7 酷睿至尊版 980X第第4444頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論AMD AMD 羿龍羿龍II X6 1090TII X6 1090T第第4545頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)體積小、功耗低可靠性高、使用環(huán)境要求低系統(tǒng)外部芯片配套，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性能優(yōu)良、價(jià)格

24、低廉第第4646頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論摩爾定律（摩爾定律（ 19651965年年 戈登戈登摩爾摩爾 原原IntelIntel董事長）董事長） 晶體管表面積（即刻在集成電路面上的面積）每晶體管表面積（即刻在集成電路面上的面積）每1212個(gè)個(gè)月就會縮小大約月就會縮小大約50%50%。 19751975年更正為年更正為1818個(gè)月，隨后更正為個(gè)月，隨后更正為2424個(gè)月，后又更正個(gè)月，后又更正為為1818個(gè)月。個(gè)月。第第4747頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的吞吐量計(jì)算機(jī)的吞吐量： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入, ,處理和流出

25、系統(tǒng)的信息的處理和流出系統(tǒng)的信息的速率。它取決于信息能夠多快地輸入內(nèi)存速率。它取決于信息能夠多快地輸入內(nèi)存,CPU,CPU能夠多快地取能夠多快地取指令指令, ,數(shù)據(jù)能夠多快地從內(nèi)存取出或存入數(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)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)系到主存系到主存, ,因此因此, ,系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。由系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。由于上述原因于上述原因, ,采用雙端口存儲器可以增加主存的有效速度采用雙端口存儲器可以增加主存的有效速度. . 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間

26、： 響應(yīng)時(shí)間是指完成一個(gè)任務(wù)的全部時(shí)間，包括磁盤訪問時(shí)響應(yīng)時(shí)間是指完成一個(gè)任務(wù)的全部時(shí)間，包括磁盤訪問時(shí)間、存儲器訪問時(shí)間、間、存儲器訪問時(shí)間、I/OI/O訪問時(shí)間等。在多道程序時(shí)，訪問時(shí)間等。在多道程序時(shí)，CPUCPU在一個(gè)程序處于在一個(gè)程序處于I/OI/O等待時(shí)會轉(zhuǎn)去執(zhí)行另外一個(gè)程序，這樣就等待時(shí)會轉(zhuǎn)去執(zhí)行另外一個(gè)程序，這樣就會減少等待時(shí)間。會減少等待時(shí)間。第第4848頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論利用率利用率表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，一般用百分比表示。所占的比率，一般用百分比表示。處理機(jī)字長處理機(jī)字長指處理機(jī)運(yùn)算器中一

27、次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算指處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長有的位數(shù)。當(dāng)前處理機(jī)的字長有8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位。字長位。字長越長，表示計(jì)算的精度越高。越長，表示計(jì)算的精度越高?？偩€寬度總線寬度一般指一般指CPUCPU中運(yùn)算器與存儲器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部中運(yùn)算器與存儲器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)。總線二進(jìn)制位數(shù)。存儲器容量存儲器容量存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目，通常用KBKB、MBMB、GBGB、TBTB來表示。來表示。其中其中K=2K=21010，M=2M=22020，G=2G=23030，T=

28、2T=24040，B=8B=8位（位（1 1個(gè)字節(jié)）。個(gè)字節(jié)）。存儲器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。存儲器容量越大，記憶的二進(jìn)制數(shù)越多。存儲器帶寬存儲器帶寬存儲器的速度指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)從存儲器讀出存儲器的速度指標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)從存儲器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用字節(jié)數(shù)/ /秒表示。秒表示。第第4949頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論主頻主頻/ /時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期CPUCPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘，主時(shí)鐘的頻率（f f）叫）叫CPUCPU的主頻。度量單位是的主頻。度量單位是MH

29、zMHz（兆赫茲）、（兆赫茲）、GHzGHz（吉赫茲）。例如吉赫茲）。例如PentiumPentium系列機(jī)為系列機(jī)為60MHz60MHz266MHz266MHz，而，而Pentium 4Pentium 4升至升至3.6GHz3.6GHz。主頻的倒數(shù)稱為主頻的倒數(shù)稱為CPUCPU時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期（T T），即），即T=1/fT=1/f，度，度量單位是微秒、納秒。量單位是微秒、納秒。CPUCPU執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間 表示表示CPUCPU執(zhí)行一段程序所占用的執(zhí)行一段程序所占用的CPUCPU時(shí)間，可用下式計(jì)算：時(shí)間，可用下式計(jì)算：CPUCPU執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間 CPUCPU時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周期數(shù) CPU C

30、PU時(shí)鐘周期長時(shí)鐘周期長第第5050頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第5151頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第5252頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.3 計(jì)算機(jī)的硬件計(jì)算機(jī)的硬件第第5353頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理討論的基礎(chǔ)就是計(jì)算機(jī)組成原理討論的基礎(chǔ)就是馮馮諾依曼諾依曼的計(jì)算機(jī)，其基的計(jì)算機(jī)，其基本設(shè)計(jì)思想就是本設(shè)計(jì)思想就是存儲程序存儲程序和和程序控制程序控制，具有以下特點(diǎn)：，具有以下特點(diǎn)： （1 1）由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大）由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。部件組

31、成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。 （2 2）采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲器）采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲器中，指令和數(shù)據(jù)一樣可以送到運(yùn)算器運(yùn)算，即由指令組成的中，指令和數(shù)據(jù)一樣可以送到運(yùn)算器運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。程序是可以修改的。 （3 3）數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)碼表示。）數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)碼表示。 （4 4）指令由操作碼和地址碼組成。）指令由操作碼和地址碼組成。 （5 5）指令在存儲器中按順序存放，由指令計(jì)數(shù)器（）指令在存儲器中按順序存放，由指令計(jì)數(shù)器（PCPC）指）指明要執(zhí)行的指令所在單元地址，一般按順序遞增，但可按運(yùn)明要執(zhí)行的指令所在單元地址

32、，一般按順序遞增，但可按運(yùn)算結(jié)果或外界條件改變。算結(jié)果或外界條件改變。 （6 6）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，機(jī)器以運(yùn)算器為中心，I/OI/O設(shè)備與存儲器間數(shù)據(jù)傳送都設(shè)備與存儲器間數(shù)據(jù)傳送都通過運(yùn)算器。通過運(yùn)算器。第第5454頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第第5555頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.3.2 1.3.2 運(yùn)算器運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的 運(yùn)算器的長度一般是運(yùn)算器的長度一般是8 8、1616、3232或或6464位位第第5656頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.3.3 1.3.3 存儲器存儲器存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）存儲

33、數(shù)據(jù)和程序（指令） 容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位） 分類內(nèi)存（分類內(nèi)存（ROMROM、RAMRAM）、外存）、外存 存儲器單位：存儲器單位： 1KB 1KB 2 21010B B1MB 1MB 2 22020B B1GB 1GB 2 23030B B1TB 1TB 2 24040B B第第5757頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.3.4 1.3.4 控制器控制器 指令和程序指令和程序: :指令的形式指令的形式（操作和地址碼、存儲程序（操作和地址碼、存儲程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）的存放、指令系統(tǒng)） 指令和數(shù)

34、據(jù)存儲指令和數(shù)據(jù)存儲第第5858頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(1) 計(jì)算程序計(jì)算程序運(yùn)算器只能完成加、減、乘、除四則運(yùn)算及其他一些輔助操作。對于比運(yùn)算器只能完成加、減、乘、除四則運(yùn)算及其他一些輔助操作。對于比較復(fù)雜的算題較復(fù)雜的算題,計(jì)算機(jī)在運(yùn)算前必須化成一步一步簡單的加、減、乘、除計(jì)算機(jī)在運(yùn)算前必須化成一步一步簡單的加、減、乘、除等基本操作來做。每一個(gè)基本操作就叫做一條指令等基本操作來做。每一個(gè)基本操作就叫做一條指令, 而解算某一問題的一串指令序列而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計(jì)算程序叫做該問題的計(jì)算程序,簡稱為程序。簡稱為程序。 第第5959頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(2) 指令

35、的形式指令的形式 每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器每條指令應(yīng)當(dāng)明確告訴控制器,從存儲器的那個(gè)單元取數(shù)從存儲器的那個(gè)單元取數(shù),并進(jìn)行何種操作并進(jìn)行何種操作。 指令的內(nèi)容由兩部分組成指令的內(nèi)容由兩部分組成,即操作的性質(zhì)和操作的地址。前者稱為操作碼即操作的性質(zhì)和操作的地址。前者稱為操作碼,后者稱為地址碼。后者稱為地址碼。 操作碼操作碼:指出指令所進(jìn)行的操作指出指令所進(jìn)行的操作,如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等等如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等等;地址碼地址碼:表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲器的哪個(gè)單元取表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲器的哪個(gè)單元取,運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元。哪個(gè)單元。 第第6060頁頁

36、第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期 控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。一般來講，取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；而在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器。第第6161頁頁

37、第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.3.5 1.3.5 適配器與適配器與I/OI/O設(shè)備設(shè)備輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式能接收和識別的二進(jìn)制信息形式 輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識別的信息形式能接收和識別的信息形式 適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行適配器：它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作 總線：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

38、的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)總線：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。據(jù)傳送的公共通路。 總之，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲器、控制器、總之，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入適配器、總線和輸入/ /輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計(jì)輸出設(shè)備組成的。這也是人們常說的計(jì)算機(jī)硬件。算機(jī)硬件。第第6262頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論存儲器存儲器運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器適配器適配器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第第6363頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)各部件間需要大量而高速地交換信息，才能計(jì)算機(jī)各部件間需要大量而高速地交換信

39、息，才能實(shí)現(xiàn)總體功能。例如：實(shí)現(xiàn)總體功能。例如： CPU CPU從存儲器讀取指令、數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算以從存儲器讀取指令、數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算以后又將結(jié)果存入存儲器；后又將結(jié)果存入存儲器； CPU CPU與與I/OI/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)；設(shè)備交換數(shù)據(jù)； CPU CPU從接口中讀取設(shè)備的狀態(tài)信息，以了解從接口中讀取設(shè)備的狀態(tài)信息，以了解設(shè)備工作的現(xiàn)狀；設(shè)備工作的現(xiàn)狀； CPU CPU向接口輸出命令啟動和控制設(shè)備工作；向接口輸出命令啟動和控制設(shè)備工作；等等。等等。通過系統(tǒng)總線所包含的三個(gè)子總線（數(shù)據(jù)總線、地通過系統(tǒng)總線所包含的三個(gè)子總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）可有效地提供高速、可靠的信址總線和控制總線）可

40、有效地提供高速、可靠的信息傳輸通道。息傳輸通道。第第6464頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論通常，在計(jì)算機(jī)中采用總線方式連接各大部件，通常，在計(jì)算機(jī)中采用總線方式連接各大部件， 框圖如下：框圖如下： 第第6565頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.4 計(jì)算機(jī)的軟件計(jì)算機(jī)的軟件1.4.1 1.4.1 軟件的組成與分類軟件的組成與分類 計(jì)算機(jī)軟件相對計(jì)算機(jī)硬件來說是看不見，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)軟件相對計(jì)算機(jī)硬件來說是看不見，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可少的無形部件。主要有兩大類：不可少的無形部件。主要有兩大類： 1 1、系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計(jì)，簡化使用方法，提高計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計(jì)，簡化使用方法，提高

41、計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。它包括以下的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。它包括以下四類：四類： 各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等各種服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等 語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等語言程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 2 2、應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序，、應(yīng)用軟件：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而編制的程序，如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理如工程設(shè)計(jì)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(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)

42、算程序等。程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等。 第第6666頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.4.2 軟件的發(fā)展演變軟件的發(fā)展演變編程語言的發(fā)展編程語言的發(fā)展 手編程序：機(jī)器語言程序，手工編譯二進(jìn)制碼手編程序：機(jī)器語言程序，手工編譯二進(jìn)制碼 匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編 高級程序：算法語言高級程序：算法語言/ /高級語言，機(jī)器編譯程序高級語言，機(jī)器編譯程序/ /解解釋程序釋程序 系統(tǒng)軟件的發(fā)展系統(tǒng)軟件的發(fā)展 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)軟件分布式系統(tǒng)軟件第第6767頁頁第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1 1.5.1 多級組成的計(jì)算機(jī)多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)不能簡單