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计算机组成原理概述本讲稿第一页，共六十七页教学大纲n目的和要求目的和要求该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。的组成原理及工作原理，以建立整机概念。n教学内容教学内容概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。本讲稿第二页，共六十七页第一章第一章 概论概论本章要点：本章要点：1)1)冯冯诺伊曼体系的基本特征诺伊曼体系的基本特征 2)2)总线结构的概念及特点总线结构的概念及特点 3)3)计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 4)4)计算机的性能指标计算机的性能指标 教教学学目目的的：本本章章的的目目的的在在于于帮帮助助读读者者建建立立一一个个关关于于计计算算机机系系统统框框架架的的整整体体概概念念，并并初初步步了了解解有有关关计算机系统的基本常识和基本概念。计算机系统的基本常识和基本概念。本讲稿第三页，共六十七页什么是电子计算机？n计算机是一种能够执行程序，进行复杂计算的工具。计算机是一种能够执行程序，进行复杂计算的工具。n数字电子计算机是一种能存储程序并能自动地、高速地数字电子计算机是一种能存储程序并能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。自动的含义是指程序执行时，不再需要人的干预，自动的含义是指程序执行时，不再需要人的干预，程序能连续发出各种命令，控制计算机完成预定的操程序能连续发出各种命令，控制计算机完成预定的操作任务。作任务。本讲稿第四页，共六十七页n 1.1 1.1 计算机的发展与应用计算机的发展与应用n 计算工具的发展概况计算工具的发展概况 手工时代 机械时代 电子时代 -500 纪元 1621 1641 1830 1936 1940 1946 1951 1959 1964 1971 1979 1994十十 算算 算算 计计 帕帕 巴巴 米通米通 阿电阿电 ENIAC UNIVAC IBM IBM INTEL IBM 新新指指 算算 斯斯 贝贝 斯用斯用 塔子塔子 7000 360 4004 4300 一一计计 尺尺 卡卡 奇奇 工计工计 那计那计 代代数数 筹筹 盘盘 计计 分分 业算业算 索算索算 计计 算算 析析 机机 夫机夫机 算算 机机 机机 方方 机机 案案电 子 管 时 代 晶体管时代 集成电路时代 大规模集成电路时代 本讲稿第五页，共六十七页1 1、电子计算机的产生、电子计算机的产生n理论基础：理论基础：18541854年，英国科学家年，英国科学家George BooleGeorge Boole发表布尔发表布尔代数，把逻辑理论建立在代数，把逻辑理论建立在“0”“0”、“1”“1”两种值和两种值和“与与”、“或或”、“非非”三种运算上。三种运算上。n物质基础：物质基础：19191919年，年，W.H.EcclersW.H.Ecclers和和F.W.JordanF.W.Jordan用两只用两只三极电子管接成了三极电子管接成了E-JE-J双稳态触发器，提供了用电子元件表示二进制数的双稳态触发器，提供了用电子元件表示二进制数的物质基础。物质基础。n现实需要：现实需要：二战因弹道计算需要高速、准确的计算工具。二战因弹道计算需要高速、准确的计算工具。本讲稿第六页，共六十七页2 2、第一代计算机、第一代计算机 电子管时代电子管时代（46-5946-59）nENIAC ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Electronic Numerical Integrator and Computer)Computer)二战因弹道计算需要高速、准确的计算二战因弹道计算需要高速、准确的计算 将将电电子子管管和和继继电电器器存存储储器器用用绝绝缘缘导导线线互互连连在在一一起起，有有单单个个CPUCPU组组成成，CPUCPU用用程程序序计计数数器器和和累累加加器器完完成成定定点点运运算，采用机器语言或汇编语言，用算，采用机器语言或汇编语言，用CPUCPU程序控制程序控制I/OI/O。代代表表性性的的有有宾宾夕夕法法尼尼亚亚大大学学莫莫尔尔学学院院19501950年年的的ENIACENIAC、IBMIBM于于19531953年年IBM701IBM701计算机。计算机。本讲稿第七页，共六十七页 特征：使用电子管为计算机的基本器件特征：使用电子管为计算机的基本器件 体积大、耗电多、速度慢、可靠性低体积大、耗电多、速度慢、可靠性低 速度为每秒几千到几万次速度为每秒几千到几万次 应用与军事和国防应用与军事和国防 贡献：确立了模拟量可变换成数字量进行计算贡献：确立了模拟量可变换成数字量进行计算 确立了计算机的基本结构确立了计算机的基本结构 确立了程序设计的基本方法确立了程序设计的基本方法 使用阴极射线管（使用阴极射线管（CRTCRT）作显示器）作显示器 代表：代表：ENIAC ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Electronic Numerical Integrator and Computer)Computer)本讲稿第八页，共六十七页 介绍：重达30吨 占地170平方米 内装18000个电子管 计算速度5000次/秒 不足：存储容量小 20个字长10位 非自动 采用线路连接来编程 Von Neumann 在此基础上提出了 现代计算机的模型第一台计算机 ENIAC本讲稿第九页，共六十七页3 3、第二代计算机、第二代计算机 晶体管时代（晶体管时代（59-6459-64）BELLBELL实实验验室室的的John John bardeen,bardeen,Walter Walter BrattainBrattain发发明明晶晶体体管。管。采采用用分分立立式式晶晶体体管管和和铁铁氧氧体体的的磁磁芯芯，用用印印刷刷电电路路将将它它们们互互连连。采采用用变变址址寄寄存存器器、浮浮点点运运算算、多多路路存存储储器器和和I/OI/O处处理理机机。采采用用高高级级语语言言、子子程程序序库库、批批处处理理监监控程序。代表性系统是控程序。代表性系统是IBM7030IBM7030。本讲稿第十页，共六十七页n 特征：使用晶体管为计算机的基本器件特征：使用晶体管为计算机的基本器件 体积缩小、耗电减少、重量减轻、可靠性提高体积缩小、耗电减少、重量减轻、可靠性提高 速度为每秒几万到几十万次速度为每秒几万到几十万次 开始应用于数据处理开始应用于数据处理n 贡献：在图形处理领域开始应用贡献：在图形处理领域开始应用 鼠标器问世鼠标器问世 有了操作系统和高级语言有了操作系统和高级语言 出现通用机和专用机出现通用机和专用机 n 代表：代表：CDC 6600 7600 IBM 7090 CDC 6600 7600 IBM 7090 本讲稿第十一页，共六十七页4、第三代计算机 集成电路时代 1965-1974 仙童公司和德州仪器把整个电路做在一片半导体上。仙童公司和德州仪器把整个电路做在一片半导体上。采用小规模或中小规模的集成电路和多层印刷电路。微程序采用小规模或中小规模的集成电路和多层印刷电路。微程序控制。采用了流水线、高速缓存和先行处理机。软件采用多道控制。采用了流水线、高速缓存和先行处理机。软件采用多道程序设计和分时操作系统。代表性的有程序设计和分时操作系统。代表性的有IBM/360-370IBM/360-370系列、系列、Digital EquipmentDigital Equipment公司的公司的 PDP-8PDP-8系列。系列。本讲稿第十二页，共六十七页 特征：使用中、小规模集成电路为计算机的基本器件特征：使用中、小规模集成电路为计算机的基本器件 体积、功耗显著缩小、可靠性大大提高体积、功耗显著缩小、可靠性大大提高 速度为每秒几百万次速度为每秒几百万次 贡献：分成巨型机、大型机、中型机、小型机贡献：分成巨型机、大型机、中型机、小型机 多种完善的操作系统和高级语言多种完善的操作系统和高级语言 出现系列机出现系列机（解决硬件更新和软件相对稳定的（解决硬件更新和软件相对稳定的 矛盾，大受欢迎）矛盾，大受欢迎）代表：代表：IBM 360 本讲稿第十三页，共六十七页5、第四代计算机、第四代计算机 大规模集成电路时代大规模集成电路时代 1974-1991n开始生产包含开始生产包含CPUCPU的的ICIC，IntelIntel和和MotorolaMotorola的的80808080和和68006800n采用大规模和超大规模的集成电路和半导体存储器。出采用大规模和超大规模的集成电路和半导体存储器。出现了共享存储器、分布存储器或或向量硬件选择的不同现了共享存储器、分布存储器或或向量硬件选择的不同结构的并行计算机。使用了并行处理的多处理操作系统、结构的并行计算机。使用了并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器，产生了用于并行处理和分布处理的专用语言和编译器，产生了用于并行处理和分布处理的软件工具和环境。代表性的有软件工具和环境。代表性的有VAX9000VAX9000、CrayX-MPCrayX-MP、IBM/3090VFIBM/3090VF。本讲稿第十四页，共六十七页 特征：使用大规模集特征：使用大规模集/超大规模成电路（超大规模成电路（LSI/VLSILSI/VLSI）进一步缩小体积和功耗进一步缩小体积和功耗 速度为每秒速度为每秒10109 9-10-101212次次 贡献：微型计算机出现贡献：微型计算机出现 并行处理、分布式处理并行处理、分布式处理 计算机网络发展计算机网络发展 软件工程产生软件工程产生 RISCRISC精简指令技术：简化指令格式和精简指令技术：简化指令格式和 寻址方式寻址方式,是把大型机是把大型机的流水线技术应用的单机。的流水线技术应用的单机。代表：代表：INTEL 80X86 PENTIUMINTEL 80X86 PENTIUM本讲稿第十五页，共六十七页6、第五代计算机 甚大规模集成电路时代1991-200？n标志：标志：n单片机集成电路单片机集成电路100100万晶体管以上万晶体管以上n超标量技术的应用（超标量技术的应用（把大型机的多指令发出和把大型机的多指令发出和无序执行应用到单机无序执行应用到单机）n流水线技术流水线技术本讲稿第十六页，共六十七页6、第六代计算机 极大规模集成电路时代200？-20？n单片机集成电路超过单片机集成电路超过1 1亿晶体管以上。亿晶体管以上。n单个处理机芯片有图形处理，视频处理，通单个处理机芯片有图形处理，视频处理，通信部件。信部件。nICIC不再制约系统结构的发展而是相反。是系统不再制约系统结构的发展而是相反。是系统结构发展的契机结构发展的契机本讲稿第十七页，共六十七页7、新一代计算机 生物计算机（生物计算机（DNADNA）光学计算机光学计算机超导计算机超导计算机纳米计算机纳米计算机量子计算机量子计算机本讲稿第十八页，共六十七页计算机的应用 1 1、科学技术方面、科学技术方面 导弹和卫星发射、天气预报、基因密码研究等导弹和卫星发射、天气预报、基因密码研究等2 2、数据处理方面、数据处理方面 财会系统、银行管理、情报检索、订票系统财会系统、银行管理、情报检索、订票系统3 3、实时控制、实时控制 过程控制过程控制4 4、计算机辅助设计、计算机辅助设计CADCAD 包括包括CADCAD、CAMCAM、CATCAT、CAICAI等等5 5、企业管理、信息系统、多媒体、人工智能等其它、企业管理、信息系统、多媒体、人工智能等其它本讲稿第十九页，共六十七页1.2 计算机的组成计算机的组成-硬件和软件硬件和软件 1.2.1 1.2.1 计算机硬件的组成，把控制器和运算器合为处理机计算机硬件的组成，把控制器和运算器合为处理机processor processor 成为趋势。成为趋势。输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器控制器控制器运算器运算器程序程序数据数据结果结果地址地址指令指令结果结果数据数据Von Neumann计算机硬件的组成计算机硬件的组成本讲稿第二十页，共六十七页冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构Von NeumannVon Neumann ：1)1)采用二进制形式表示数据和指令采用二进制形式表示数据和指令 数据和指令在代码的外形上并无区别都是由数据和指令在代码的外形上并无区别都是由0 0和和1 1组成组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。本讲稿第二十一页，共六十七页信息的数字化表示信息的数字化表示1 1、模拟信号、模拟信号 2 2、数字信号、数字信号 3 3、数字信号的优点：抗干扰；物理上容易实现，可存储。、数字信号的优点：抗干扰；物理上容易实现，可存储。4 4、举例、举例本讲稿第二十二页，共六十七页信息的数字化表示信息的数字化表示 1.在计算机中用数字代码表示各种信息在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码例例1 用数字代码表示数据用数字代码表示数据 5-5 表示为表示为 0 101 表示为表示为 1 101 本讲稿第二十三页，共六十七页例例2 用数字代码表示字符用数字代码表示字符 A B 表示为表示为 1000001 表示为表示为 1000010 例例3 用数字代码表示命令、状态用数字代码表示命令、状态 启动启动 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 表示为表示为 01 表示为表示为 10 表示为表示为 11 本讲稿第二十四页，共六十七页 2.在物理机制上用数字信号在物理机制上用数字信号 数字型电信号数字型电信号例例1 用电平信号表示数字代码用电平信号表示数字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例2 用脉冲信号表示数字代码用脉冲信号表示数字代码 有脉冲有脉冲无脉冲无脉冲有脉冲有脉冲101 表示数字代码表示数字代码 实现并行操作实现并行操作实现串行操作实现串行操作本讲稿第二十五页，共六十七页冯冯诺依曼体系结构：诺依曼体系结构：(2)(2)采用存储程序方式采用存储程序方式 这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序先编制程序，事先将程序(包含指令和数据包含指令和数据)存入主存储器存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。本讲稿第二十六页，共六十七页n诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。被调用处理。本讲稿第二十七页，共六十七页n为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序(指令指令)计数器计数器PC(Program Counter)PC(Program Counter)，让它存放当前指，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后每取出一条指令后PCPC内容加内容加l l，指示下一条指令该从何，指示下一条指令该从何处取得。处取得。n如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入PCPC，以，以便按新地址读取后继指令。所以，便按新地址读取后继指令。所以，PCPC就像一个指针，就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。本讲稿第二十八页，共六十七页n虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PCPC的内的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。本讲稿第二十九页，共六十七页主存储器CLA ADD r4 r5 r66655ALUACIRMDR20MAR+1PC20212223243031指令的执行过程本讲稿第三十页，共六十七页冯冯诺依曼体系结构：诺依曼体系结构：n3)3)由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器控制器控制器运算器运算器程序程序数据数据结果结果地址地址指令指令结果结果数据数据本讲稿第三十一页，共六十七页1主要功能部件主要功能部件1.存储器存储器（1）功能）功能:存储信息。存储信息。（2）组成（主存储器）：）组成（主存储器）：本讲稿第三十二页，共六十七页存储体存储体地地址址寄寄存存器器译译码码器器读读/写写线线路路数数据据寄寄存存器器控制线路控制线路本讲稿第三十三页，共六十七页2.运算器运算器（1）功能：加工信息。）功能：加工信息。（2）组成：）组成：本讲稿第三十四页，共六十七页移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器本讲稿第三十五页，共六十七页3.输入输入/输出设备输出设备功能：转换信息。功能：转换信息。主机主机接口接口入入/出出设备设备输入：原始信息输入：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出：处理结果输出：处理结果 人所能接受的形式，人所能接受的形式，输出输出（代码）（代码）本讲稿第三十六页，共六十七页4.控制器控制器（1）功能：产生控制命令）功能：产生控制命令(微命令微命令)，控，控制全机操作。制全机操作。（2）组成：）组成：本讲稿第三十七页，共六十七页微命令发生器微命令发生器指指令令信信息息状状态态信信息息时时序序信信号号微命令序列微命令序列逻辑条件逻辑条件时间条件时间条件本讲稿第三十八页，共六十七页微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电由组合逻辑电 路产路产生微命令生微命令由微指令产生微命令由微指令产生微命令本讲稿第三十九页，共六十七页非诺依曼化非诺依曼化n传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理：因此，近年来人们根本方向之一是并行处理：因此，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。被称为非诺依曼化。本讲稿第四十页，共六十七页n在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构。构。n用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。研究目前比较活跃。n从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中.本讲稿第四十一页，共六十七页1.2.2 计算机软件的组成软件组成软件组成系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统或管理程序操作系统或管理程序故障诊断或检测程序故障诊断或检测程序高级语言的编译语言或解释程序高级语言的编译语言或解释程序汇编语言汇编语言系统调试程序系统调试程序数据库管理程序数据库管理程序使用者根据需要采用各种语言使用者根据需要采用各种语言各种应用程序，包括各类应用软件包各种应用程序，包括各类应用软件包计算机软件的组成计算机软件的组成本讲稿第四十二页，共六十七页 层次结构模型层次结构模型 用户程序用户程序O.SO.S、语言处理程序、软件资源、语言处理程序、软件资源机器语言程序、汇编语言程序机器语言程序、汇编语言程序 CPUCPU、M M、I/OI/O、系统结构、系统结构硬件级硬件级机器指令级机器指令级操作系统级操作系统级高级语言级高级语言级本讲稿第四十三页，共六十七页应用语言机器级应用语言机器级汇编语言机器级汇编语言机器级操作系统机器级操作系统机器级传统机器级传统机器级高级语言机器级高级语言机器级微程序机器级微程序机器级3 3 级级4 4 级级5 5 级级1 1 级级2 2 级级0 0 级级虚拟机器级（软件）虚拟机器级（软件）硬件硬件固件固件系统分析求解问题系统分析求解问题本讲稿第四十四页，共六十七页 虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器的束缚。的束缚。比较：比较：JavaJava虚拟机虚拟机 实际机器（机器语言物理机）实际机器（机器语言物理机）专用语言虚拟机专用语言虚拟机高级语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机程序程序本讲稿第四十五页，共六十七页硬件系统结构硬件系统结构1.以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的一总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。组信息传送线路。总总 线线部部件件部部件件部部件件本讲稿第四十六页，共六十七页总总 线线 内总线内总线功能功能 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线 地址总线地址总线信息信息 数据总线数据总线 控制总线控制总线时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步总线 并行总线并行总线格式格式 串行总线串行总线方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线本讲稿第四十七页，共六十七页（1）小型机系统结构）小型机系统结构 a）以）以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/OI/O I/O 总线总线M M 总线总线 外设单独编址外设单独编址本讲稿第四十八页，共六十七页 b）单总线结构）单总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线寄存器和主存统一编址寄存器和主存统一编址本讲稿第四十九页，共六十七页 c）以）以M为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线 M M 总线总线 本讲稿第五十页，共六十七页（2）微型机系统结构）微型机系统结构CPUCPURAMRAMROMROM公共接口公共接口总线控制逻辑总线控制逻辑M M扩展板扩展板I/OI/O接口板接口板局部总线局部总线系统总线系统总线多级总线结构多级总线结构本讲稿第五十一页，共六十七页(3).采用通道或采用通道或IOP（IO处理器）的处理器）的大型系统结构大型系统结构 （a）带通道的系统）带通道的系统I/OI/O控制器控制器主机主机I/OI/O通道通道通道通道(概念概念)：专门用来管理：专门用来管理I/O操作的控制部件。操作的控制部件。本讲稿第五十二页，共六十七页(3).采用通道或采用通道或IOP（IO处理器）的处理器）的大型系统结构大型系统结构（b）带）带IOP的系统的系统CPUCPUM M接口接口I/OI/OIOPIOPLMLM接口接口I/OI/O系统总线系统总线I/O总线总线本讲稿第五十三页，共六十七页 一般来说，硬件只完成基本的功能，复一般来说，硬件只完成基本的功能，复杂的功能通过软件来实现杂的功能通过软件来实现(降低成本降低成本)。从从逻逻辑辑上上来来讲讲，有有许许多多功功能能可可由由硬硬件件直直接接实实现现，也也可可在在基基本本硬硬件件基基础础上上依依靠靠辅辅助助软软件件来来实实现现，对对用用户户来来说说，在在功功能能上上是是等等价价的的，称为硬、软件在功能上的逻辑等价。称为硬、软件在功能上的逻辑等价。1.2.3硬、软件界面及其逻辑上的等价性硬、软件界面及其逻辑上的等价性本讲稿第五十四页，共六十七页 硬、软件之间的界面：指令系统。如何理解：硬件的基本任务是识别与执行指令代码。因此指令系统所规定的功能可由硬件实现。人们编制的程序最终转换成机器指令才能由硬件执行。因此指令系统是编制程序的基础。本讲稿第五十五页，共六十七页n硬件软化：硬件技术跟不上，价格昂贵。硬件软化：硬件技术跟不上，价格昂贵。n软件硬化：硬件技术的发展。软件硬化：硬件技术的发展。n固件化：软件固化，软件固化到硬件芯片中。固件化：软件固化，软件固化到硬件芯片中。本讲稿第五十六页，共六十七页1.3 计算机的性能指标 1.1.基本字长基本字长(概念）：即参与运算的二进制数的基概念）：即参与运算的二进制数的基本位数。本位数。(计算机允许双倍字长、多倍字长，以兼顾计算机允许双倍字长、多倍字长，以兼顾硬件代价与计算精度硬件代价与计算精度)2.2.主存容量：越大，则可运行比较复杂的程序，使主存容量：越大，则可运行比较复杂的程序，使软件支撑环境更完善。软件支撑环境更完善。3.3.外存容量：指计算机系统中联机运行的辅助存外存容量：指计算机系统中联机运行的辅助存储器容量。储器容量。主主辅存存储系统构成了虚拟存储器。辅存存储系统构成了虚拟存储器。本讲稿第五十七页，共六十七页4.4.运算速度：运算速度：1)1)以最短指令执行时间为标准。以最短指令执行时间为标准。2)2)根根据据不不同同类类型型指指令令使使用用的的频频率率乘乘上上不不同同系系数数，再再求求平平均均值，即为平均运算速度。值，即为平均运算速度。3)3)单位时间单位时间(每秒每秒)平均执行的指令条数（平均执行的指令条数（ipsips）。）。主频反映了运算速度的快慢。主频反映了运算速度的快慢。5.5.外围设备的配置及其性能。外围设备的配置及其性能。6.6.系统软件配置情况。系统软件配置情况。核心性能指标：基本字长、主存容量、运算速度核心性能指标：基本字长、主存容量、运算速度本讲稿第五十八页，共六十七页 当前全球速度最快的超级计算机为当前全球速度最快的超级计算机为IBMIBM制造的蓝色制造的蓝色基因基因(BlueGene/L)(BlueGene/L)，该系统安装在美国加州大学的，该系统安装在美国加州大学的Lawrence LivermoreLawrence Livermore国家实验室，峰值运算速度高达国家实验室，峰值运算速度高达183.5183.5万亿次万亿次/秒秒 （截止到（截止到20052005年年3 3月）。月）。目前中国最快的超级计算机为上海超级计算机中目前中国最快的超级计算机为上海超级计算机中心的心的“曙光曙光4000A”4000A”，制造商为曙光信息产业公司。曙，制造商为曙光信息产业公司。曙光光4000A4000A的峰值运算速度为的峰值运算速度为8 TFLOPS8 TFLOPS，在全球超级计算，在全球超级计算机机500500强排行榜中名列第强排行榜中名列第3131位位(截止到截止到20042004年底）。年底）。软件学院高性能计算中心：软件学院高性能计算中心：20042004年年6 6月，浪潮天梭月，浪潮天梭1000010000集群系统位列全球超级计算机集群系统位列全球超级计算机Top 500Top 500第第365365位。位。本讲稿第五十九页，共六十七页最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06）1.日本日本NEC公司公司:Earth Simulator5 120个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF(1012)本讲稿第六十页，共六十七页最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06）2.美国美国HP公司公司:ASCI Q4 096个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF(1012)本讲稿第六十一页，共六十七页3.Linux NetworX:MCR Linux Cluster 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06）2 304个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.634 TF(1012)本讲稿第六十二页，共六十七页4.美国美国IBM公司公司:ASCI White8 192个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF(1012)最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06）本讲稿第六十三页，共六十七页最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2003.06）5.美国美国IBM公司公司:Seaborg6 080个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF(1012)本讲稿第六十四页，共六十七页本讲稿第六十五页，共六十七页SUN UltraSPARC III Cu 1200 64位处理器英特尔 Itanium 2（安腾）64位处理器AMD Athlon 64、Athlon 64 FX、移动Athlon 64处理器本讲稿第六十六页，共六十七页n作业：n P20:19本讲稿第六十七页，共六十七页