计算机组成原理

计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机算机组成原理成原理课程介程介绍 课课程程地地位位：是计算机类专业本科生的核心专业基础课程。教教学学目目的的：使学生既能从全局或宏观的角度掌握计算机硬件系统的整体结构和工作原理，又能从局部或微观的角度理解计算机各个部件的工作过程和交互方式。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机算机组成原理成原理课程介程介绍与其它课程的先后关系与其它课程的先后关系 其先导课程有：数字逻辑、汇编语言。课程特点：课程特点：教学内容多计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理 主要参考主要参考书教材：计算机组成原理白中英 科学出版社 (第五版)参考教材：1计算机组成原理唐朔飞 高等教育出版社2.计算机组成原理 秦磊华 清华大学出版社3.计算机组成与系统结构 袁春风 清华出版社4.现代计算机组成原理 潘松 科学出版社计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第章 计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 计算机的发展及应用计算机的发展及应用1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.1 计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件1.1计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行1.12.计算机的解题过程计算机的解题过程计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理翻译程序(Translator)有三类：1.汇编程序汇编程序(Assembler)：汇编语言源程：汇编语言源程序序机器语言目标程序。机器语言目标程序。2.编译程序编译程序(Complier)：高级语言源程序：高级语言源程序汇编汇编/机器语言目标程序机器语言目标程序3.解释程序解释程序(Interpreter)：将高级语言：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不不生成目标文件。生成目标文件。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2.计算机的解算机的解题过程程计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,.temp=vk;vk=vk+1;vk+1=temp;lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)10001100010011110000000000000000100011000101000000000000000001001010110001010000000000000000000010101100010011110000000000000100软软件件硬硬件件计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件1.1虚拟机器虚拟机器 M4（高级语言）（高级语言）虚拟机器虚拟机器 M3（汇编语言）（汇编语言）虚拟机器虚拟机器 M2（操作系统）（操作系统）实际机器实际机器 M1（机器语言）（机器语言）微程序机器微程序机器 M0（微指令系（微指令系统）统）二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理程序员所见到的计算机系统的属性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概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）1.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.2 计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序存储程序计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行1.21.1.冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.21.1.冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理一个典型系一个典型系统的硬件的硬件组成成PC：程序计数器；程序计数器；ALU：算术：算术/逻辑单元；逻辑单元；USB：通用串行总线：通用串行总线CPUMMInput/Output计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理PC主板主板CPU插座插座内存条内存条PCI总线插槽总线插槽计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤指令指令 每每 一个步骤一个步骤1.2二、计算机的工作步骤二、计算机的工作步骤计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中=(ax +b)x +c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2+bx+c1.2编程举例编程举例计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例1.2操作码操作码地址码地址码 打印机打印机计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2+bx+c,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2+bx+c,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果1.2计算计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数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每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）教室教室 座位座位（无人（无人/有人）有人）(1)存储器的基本组成存储器的基本组成1.2MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的解题过程计算机的解题过程计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理MARMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR =4 位位 MDR =8 位位1.2存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长(1)存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指取指执行执行PC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（具有计数功能（PC）+1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令1.2(2)控制器的基本组成控制器的基本组成计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理12356789以取数指令为例以取数指令为例4(3)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理12356798以存数指令为例以存数指令为例41.2(3)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理(4)ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+1 PC1 PC 执行指令执行指令 1.2MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.3 计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长 一般指一般指 一次参与运算数据的基本长度。用一次参与运算数据的基本长度。用二进二进 制数位的长度来表示。制数位的长度来表示。一般与一般与 计算机内部计算机内部 的的 寄存器位数、数据寄存器位数、数据总线、运算器、存储器字长总线、运算器、存储器字长 有关。有关。早期的计算机字长一般为早期的计算机字长一般为1616位，现在字位，现在字长为长为3232位或位或6464位。位。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.3 计算机硬件的主要技术指标2.运算速度运算速度时钟周期:又称为节拍周期或又称为节拍周期或T T周期周期,是时钟频率的倒是时钟频率的倒数。是处理器操作最基本的时间单位。例如，主频数。是处理器操作最基本的时间单位。例如，主频为为1GHz1GHz的的CPUCPU的时钟周期为的时钟周期为1ns1ns。CPI：表示执行每条指令所需要的平均时钟周期数。：表示执行每条指令所需要的平均时钟周期数。CPI=CPI=一个程序的一个程序的CPUCPU时钟周期数时钟周期数程序指令数量程序指令数量计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.3 计算机硬件的主要技术指标2.运算速度运算速度CPICPI=一个程序的一个程序的CPUCPU时钟周期数时钟周期数程序指令数量程序指令数量设程序中每类指令的使用频度为设程序中每类指令的使用频度为Pi,Pi,每类指令的每类指令的CPICPI为为CPIi,CPIi,每类指令的条数为每类指令的条数为ICi,ICi,程序中的总指令条数程序中的总指令条数为为IC.IC.则，程序的则，程序的CPICPI可用下列公式计算：可用下列公式计算：计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2.运算速度运算速度CPU执行时间：是指CPU计算某个任务所花费的时间，不包括I/O访问时的等待时间等。CPU执行时间=CPU时钟周期总数时钟周期 =指令条数CPI 时钟周期 从上面的公式可以看出CPU的性能与计算机体系的关系:时钟频率反映了计算机的实现技术和生产工艺.CPI反映了计算机的实现技术和指令集结构.IC反映了计算机指令系统的设计和编译技术.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2.运算速度运算速度n响应时间：是指计算机完成一个任务所花费：是指计算机完成一个任务所花费的全部时间，包括存储访问时间、磁盘访问的全部时间，包括存储访问时间、磁盘访问时间和时间和I/O访问时间等。它是计算机执行单访问时间等。它是计算机执行单个任务时的性能。个任务时的性能。n吞吐量：是指计算机系统在单位时间内完成：是指计算机系统在单位时间内完成的总工作量。它表征了计算机系统执行多个的总工作量。它表征了计算机系统执行多个任务时的性能表现。任务时的性能表现。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2.运算速度运算速度MIPS：是指是指CPU每秒可以执行的百万条机器指令数。每秒可以执行的百万条机器指令数。MIPS=指令数（程序执行的时间*106）=时钟频率（CPI*106）以MIPS作为衡量计算机系统性能时要注意以下问题:该指标没有考虑不同指令在功能和执行速度上的差异.不能用于不同指令系统计算机之间性能的比较.同一台计算机，不同类型的指令系统的MIPS也不一样。某些情况下，MIPS值可能与计算机的实际性能成反比。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2.运算速度运算速度MFLOPS：是指是指CPU每秒可以执行的百万条浮点每秒可以执行的百万条浮点操作次数。操作次数。MFLOPS=程序中的浮点操作次数（程序执行的时间*106）以MFLOPS作为衡量计算机系统性能时要注意以下问题:MFLOPS仅能反映浮点数的运算速度.MFLOPS的计算结果与所使用的程序相关。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例例例1.1 某程序的目标代码主要由4类指令组成，他们在程序中所占比例和各自的CPI如表所示。求该程序的CPI.若该CPU的主频为400MHz，求该机的MIPS.指令类型指令类型CPI 所占比所占比例例算术逻辑运算160%内存读写218%转移412%其它810%计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例解：根据 CPI=1*0.6+2*0.18+4*0.12+8*0.1 =2.24根据 MIPS=时钟频率（CPI*106）MIPS=400*106（2.24*106）=178.6计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例例例1.2 程序P在机器A上运行需10 s，机器A的时钟频率为400MHz。现在要设计一台机器B，希望该程序在B上运行只需6 s.机器B时钟频率的提高导致了其CPI的增加，使得程序P在机器B上时钟周期数是在机器A上的1.2倍。机器B的时钟频率达到A的多少倍才能使程序P在B上执行速度是A上的10/6=1.67倍？计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例解：CPU时间A=时钟周期数A/时钟频率A 时钟周期数A=10 sec x 400MHz =4000M个 时钟频率B=时钟周期数B/CPU时间B =1.2 x 4000M/6 sec =800 MHz机器机器B的频率是的频率是A的两倍，的两倍，但机器但机器B的速度并不是的速度并不是A的两倍！的两倍！计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例例例1.3 假定某程序P编译后生成的的目标代码由A、B、C、D四类指令组成，他们在程序中所占比例分别为43%、21%、12%和24%，已知他们的CPI分别为1、2、2、2。现重新对程序P进行编译优化，生成的新目标代码中A类指令条数减少了50%，其它类指令的条数没有变化，请问：编译优化前后的CPI各是多少？假定程序在主频为50MHz的计算机上运行，则优化前后的MIPS各是多少？编译优化前后，哪种代码的执行速度快？计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例解：A类指令条数减少了50%后，各类指令所占比例如下：A类指令：21.5/（21.5+21+12+24）=27%B类指令：21/（21.5+21+12+24）=27%C类指令：12/（21.5+21+12+24）=15%D类指令：24/（21.5+21+12+24）=31%优化前后程序的CPI分别计算如下：优化前：43%*1+21%*2+12%*2+24%*2=1.57优化后：27%*1+27%*2+15%*2+31%*2=1.73计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例解：优化前后程序的MIPS分别计算如下：优化前：50M/1.57=31.8 MIPS 优化后：50M/1.73=28.9 MIPS 从这个例子可以看出，用MIPS数来进行性能估计是不可靠。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.CPU性能性能举例例解：设优化前的指令条数分别为43、21、12、24，总和为100，则优化后的分别为21.5、21、12、24，总和为78.5.优化前CPU的执行时间为：指令条数*CPI*时钟周期 100*1.57*T=157 T优化后CPU的执行时间为：78.5*1.73*T=135.8 T计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理221 =256 KB213 =1 KB如如4.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1.31K=210 1B=23b1GB=230b1 K 8位位64 K 32位位计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.4 计算机的发展及应用1.4.3 计算机的展望计算机的展望1.4.2 计算机的应用计算机的应用1.4.1 计算机的发展史计算机的发展史计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机的分算机的分类1.总体分为电子模拟计算机和电子数字计算机。2.电子数字计算机又可以分为通用计算机和专用计算机。3。通用计算机又可以分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.4.1 计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 50015030170多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方米平方米5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)1.4.1计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 千万亿千万亿 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 1000万万 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 100万万 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 20万万 晶体管晶体管 19581964 4万万 电子管电子管 19461957 速度速度 （次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一1.4.1计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个个晶体管晶体管 2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理Intel产品系列介品系列介绍（1）n8080：世界上第一个通用微处理器。8位机。n8086：16位机，采用了指令高速缓存。n80286：可以寻址16MB的存储空间，不再受1MB存储空间的限制。n80386：32位机，它是Intel产品中第一个支持多任务的处理器。n80486：采用了更为复杂、功能更为强大的高速缓存技术和指令流水线技术。它内置浮点协处理器。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理Intel产品系列介品系列介绍（2）nPentium:开始采用超标量（Superscalar）技术。允许更多的指令并行执行。nPentium Pro:极富有进取性的采用了转移预测、数据流分析、推测执行等技术。nPentium：采用了专门用于处理视频、音频和图形数据的Intel MMX技术。nPentium ：采用了新的浮点指令、支持三维图形软件。nPentium：使用64位组织结构的新一代。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境 1.各种语言各种语言2.1计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件2.1计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理3.软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档2.1计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.4.2 计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能2.2计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理1.4.3计算机的展望计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能智能功能要求计算机的速度达要求计算机的速度达1015/秒秒(千万亿次千万亿次)二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理三、？替代传统的硅芯片三、？替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制DNA分子间的生化反应分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性2.3计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史1958年，中科院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机103机,标志着我国第一台电子计算机的诞生。1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机109乙，之后推出109丙机，该机为两弹试验中发挥了重要作用；1974年，清华大学等单位联合设计、研制成功采用集成电路的DJS-130小型计算机，运算速度达每秒100万次；计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的银河-I巨型机，这是我国高速计算机研制的一个重要里程碑；1985年，电子工业部计算机管理局研制成功与IBM PC机兼容的长城0520CH微机。1992年，国防科技大学研究出银河-II通用并行巨型机，峰值速度达每秒4亿次浮点运算(相当于每秒10亿次基本运算操作)，为共享主存储器的四处理机向量机，总体上达到80年代中后期国际先进水平。它主要用于中期天气预报；计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史1993年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准UNIX操作系统设计开发的并行计算机；1995年，曙光公司又推出了国内第一台具有大规模并行处理机(MPP)结构的并行机曙光1000(含36个处理机)，峰值速度每秒25亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光1000与美国Intel公司1990年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近，与国外的差距缩小到5年左右。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史1997年，国防科大研制成功银河-III百亿次并行巨型计算机系统，采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构，由130多个处理结点组成，峰值性能为每秒130亿次浮点运算，系统综合技术达到90年代中期国际先进水平。1997至1999年，曙光公司先后在市场上推出具有机群结构(Cluster)的曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超级服务器，峰值计算速度已突破每秒1000亿次浮点运算，机器规模已超过160个处理机，计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史1999年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威I计算机通过了国家级验收，并在国家气象中心投入运行。系统有384个运算处理单元，峰值运算速度达每秒3840亿次。2000年，曙光公司推出每秒3000亿次浮点运算的曙光3000超级服务器。2001年，中科院计算所研制成功我国第一款通用CPU“龙芯”芯片计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史2002年，曙光公司推出完全自主知识产权的“龙腾”服务器，龙腾服务器采用了“龙芯-1”CPU，采用了曙光公司和中科院计算所联合研发的服务器专用主板，采用曙光LINUX操作系统，该服务器是国内第一台完全实现自有产权的产品，在国防、安全等部门将发挥重大作用。2003年，百万亿次数据处理超级服务器曙光4000L通过国家验收，再一次刷新国产超级服务器的历史纪录，使得国产高性能产业再上新台阶。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理中国中国计算机算机发展史展史 2010年，“天河一号”为我国首台千万亿次超级计算机。速度在世界排名第一，实测运算速度达到2507万亿次。排名第三的是中国曙光公司研制的“星云”高性能计算机，其实测运算速度达到每秒1270万亿次。这个速度意味着，如果用“天河一号”计算一秒，则相当于全国13亿人连续计算88年。如果用“天河一号”计算一天，一台当前主流微机得算160年。“天河一号”的存储量，则相当于4个国家图书馆藏书量之和。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理输入设备输入设备输出设备输出设备输输入入输输出出接接口口和和总总线线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器第第三三章章第六、八章第六、八章第五章第五章第二章第二章本本课程程讲授的内容如授的内容如图:第第七七章章第四章第四章 指令系统指令系统计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理内容的相互关系如图：CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理谢 谢！结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！72