《计算机南理工计算机组成原理课件(2012版)第1章计算机系统概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机南理工计算机组成原理课件(2012版)第1章计算机系统概论（113页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/7/3,第7版 2011.09 顾一禾,1,第 1 章 计算机系统概论,2019/7/3,2,本章学习内容,计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统 计算机系统的组织结构 计算机的特点和性能指标 计算机的分类与应用,2019/7/3,3,1.1 计算机的发展历史,1.1.1 计算机硬件的发展 通常将计算机的发展按“代”划分为五个发展阶段。 1. 电子管时代（20世纪40年代中期50年代中期） 2. 晶体管时代（20世纪50年代末期60年代中期） 3. 中、小规模集成电路时代（20世纪60年代中期70年代中期） 4. 超大规模集成电路时代（20世纪70年代中期 90年代
2、初期） 5. 超级规模集成电路时代（20世纪90年代初期目前）,2019/7/3,4,电子管时代（19461959） 运算速度：5千4万（次/秒）,在电子管时代，计算机以电子管作为基本逻辑单元，主存储器采用汞延迟线、磁鼓等材料，数据用定点表示。,2019/7/3,5,USA ENIAC,2019/7/3,6,晶体管时代（19571964） 运算速度：几十万百万（次/秒）,2019/7/3,7,晶体管时代的计算机主要以晶体管代替电子管作为基本逻辑元件，主存储器由磁芯构成，引入了浮点运算硬件加强科学计算能力。,2019/7/3,8,第一台小型计算机 PDP-8,2019/7/3,9,中小规模集成电
3、路时代（19651975） 运算速度：百万几百万（次/秒）,2019/7/3,10,在中小规模集成电路（MSI、SSI）时代，集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件，由半导体存储器替代磁芯存储器作为主存储器。此阶段采用多处理器并行结构的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快速发展。,2019/7/3,11,采用了Intel8080的个人电脑Altair8800,2019/7/3,12,超大规模集成电路时代（19751990） 运算速度：几百万几千万亿（次/秒）,2019/7/3,13,这一阶段集成电路的集成度进一步提高，超规模、大规模电路（VLSI、LSI）被广泛应用于计算机。采用并行技术、多机
4、系统和分布式计算技术、RISC指令集等极大地提高了计算机系统的性能。 此时按照计算机性能和规模，划分出了巨型机、 大型机、小型机、微型机和便携机等不同的类型。,2019/7/3,14,2011全球超级计算机500强 http:/www.top500.org/,2011年6月20日国际TOP 500组织评出了最新全球超级计算机500强。 由日本政府出资、日本物理化学研究所和富士通公司联合开发制造的巨型计算机“京”(K Computer)，排名首位。 由由中国高技术研究发展计划和天津滨海新区共同资助，国防科技大学开发研制的超级计算机“天河一号 ”(TH-1A )位列第二。,2019/7/3,15,
5、京（K Computer ）,2019/7/3,16,京（K Computer ）,名字来源于中文数字单位“京”，即10的16次方。是日本2006年开始的 “通用京速（每秒万万亿次）计算机” 研发项目的成果。目前位于日本神户的日本物理化学研究所内。 “京”的实际最大性能为8.162PFlops(8.162千万亿次)，峰值性能为8.77363PFlops。日方计划到2012年组装完成时，其运算能力将达到万万亿次。,2019/7/3,17,超级计算机“京” 由68544个SPARC64 VIIIfx处理器组成，每个处理器均内置8个内核，总内核数量为548352个。 目前超级计算机“京” 仍在建造之
6、中，将于2012年11月投入运行，届时处理器数量将增加到8万个。,2019/7/3,18,天河一号(TH-1A ),2019/7/3,19,天河一号(TH-1A ),2009年由国防科技大学研制开发的天河一号(TH -1)是我国自主研制的第一台计算机能力达到到千万亿次的超级计算机，在2009年11月世界超级计算机TOP500排名中，位列亚洲第一、世界第五。 天河-1A于2010年8月在国家超级计算天津中心在TH -1的基础上升级完成。实际最大性能为为2.566PFlops，峰值性能为4.7PFlops。在2010年11月世界超级计算机TOP500排名中位列世界第一，在2011年6月的TOP50
7、0排名中位列世界第二。,2019/7/3,20,2019/7/3,21,YH-1A的计算处理系统包含7168个计算结点和1024个服务结点。 每个计算结点包含2路英特尔CPU和一路英伟达GPU，每个服务结点包含2路飞腾CPU。 全系统包括23552个微处理器，其中CPU核102400个，GPU核100352个。,2019/7/3,22,在本届500强榜单中，美国领导着世界HPC（高性能计算）的最新潮流。 500强中，美国256台、中国62台、德国30台、英国27台、日本26台、法国25台。 在前10强中，中国的天河一号和曙光星云分列第二和第四位。,2019/7/3,23,1.1.2 计算机软件
8、的发展,1. 汇编语言阶段 （20世纪50年代） 2. 程序批处理阶段（20世纪60年代） 3. 分时多用户阶段（20世纪70年代） 4. 分布式管理阶段（20世纪80年代） 5. 软件重用阶段 （20世纪90年代） 6. Web服务阶段 （21世纪初期）,2019/7/3,24,1.2 计算机硬件系统,个完整的计算机系统由硬件和软件两大系统组成。,计算机系统,硬件系统 组成一台计算机的各种物理装置以及它们的设计与实现技术,软件系统 泛指计算机系统中使用的各种程序和文件,2019/7/3,25,1.2.1 计算机硬件系统的功能部件,计算机的基本功能主要包括: 数据加工、数据保存、数据传送和操作
9、控制等。 为了实现这些基本功能，计算机必须要有相应的功能部件（硬件）承担有关工作。,2019/7/3,26,2019/7/3,27,计算机硬件系统主要包括计算机的五大部件以及将它们组织成计算机系统的体系结构。,2019/7/3,28,1. 输入设备,输入设备的主要功能：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机内。 常见的输入设备有：键盘、扫描仪、语音输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、数码摄像设备等。,2019/7/3,29,2. 输出设备,输出设备的主要功能： 将计算机处理的结果以人们所能接受的信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。 最常见的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪 、
10、音箱等。 计算机的输入、输出设备简称为I/O设备。,2019/7/3,30,存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，是计算机存储信息的核心。 存储器可分为： 主存储器(也称内存储器，简称内存、主存) CPU能够直接访问、速度快、容量小、易失性存储器 辅助存储器(也称外存储器，简称外存、辅存) CPU不能直接访问的大容量、速度较慢、非易失性存储器。 辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所使用。,3. 存储器,2019/7/3,31,运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加工处理。 运算器的核心是算术逻辑部件 ALU (Arit
11、hmetic and Logical Unit) 。 运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。 由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通用寄存器。,4运算器,2019/7/3,32,运算器的简单框图,2019/7/3,33,控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。 计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。 程序：就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。 程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。 这种工作方式称为
12、存储程序方式。,5控制器(CU),重点,2019/7/3,34,1.2.2 冯诺依曼计算机,存储程序概念是美国数学家冯诺依曼（John von Neumann）于1946年首先提出来的，它奠定了现代计算机的结构基础。 尽管几十年来，计算机体系结构发生许多重大变革，但存储程序的概念仍是普遍采用的结构原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯诺依曼的结构格式。,2019/7/3,35,John von Neumann,2019/7/3,36,冯诺依曼思想的基本要点： (1)采用二进制形式表示数据和指令 指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合。冯诺依曼结构计算机中，指令与数据均以二进制代码的形式同存
13、于存储器中。,1. 存储程序思想,2019/7/3,37,(2)采用存储程序方式 存储程序方式：在用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题过程(运行程序)中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。 存储程序方式是冯诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。,2019/7/3,38,(3)计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成。 CPU：运算器和控制器的统称。 计算机主机：CPU与主存储器(内存)的统称。 I/O设备：输入设备、输出设备、外存储器的统称为计算机
14、的外部设备，简称为I/O设备。,2019/7/3,39,2. 早期的冯诺依曼计算机,在微处理器问世之前，运算器和控制器是两个分离的功能部件，加上当时存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此早期冯诺依曼提出的计算机结构是以运算器为中心的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。,2019/7/3,40,早期的冯诺依曼计算机组织结构图,2019/7/3,41,3. 现代计算机组织结构,随着微电子技术的进步，人们成功地研制出了微处理器。微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。同时随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大，加上需要计算机处理、加工的信息
15、量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。 为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转变为以存储器为中心。,2019/7/3,42,2019/7/3,43,现代计算机的基本结构仍然遵循冯诺依曼思想,2019/7/3,44,1.3 计算机软件系统,软件的作用 软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。 软件是计算机用户和硬件的接口界面。 软件是计算机系统结构设计的主要依据。 在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统。基本的软件系统应包括系统软件与应用软件两大类。,2019/7/3,45,1.3.1 系统软件,系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运
16、行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件主要包括： 操作系统 语言处理系统 数据库管理系统 分布式软件系统 网络软件系统 各种服务程序,2019/7/3,46,1.3.2 应用软件,应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。 应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。 由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使用。,2019/7/3,47,1.4 计算机系统的组织结构,1.4.1 硬件与软件的关系 计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件和软件是紧密相关、缺一不可的整体。 硬件是计算机系统的物质基础。 没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效率的软件；没
