第一章 计算机系统概论
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计算机系统概论
主要研究数据和指令的组织，基本运算的算法，数据的存取、 传送和加工处理，数据流和指令流的控制方式等 。例如,如 何实现乘法指令？
什么是计算机实现（Computer Implementation）?
指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底板的 划分与连结等。
6
第一节 计算机系统简介
计算机系统=硬件系统+软件系统
14 置、使用高速总线
摩尔定律
“每年将缩小硅片中形成晶体管电路的 细线尺寸的10%，芯片制造商能够每3年 发布新一代的芯片，其晶体管数为上一 代的4倍。”
“每18个月集成度将翻一翻，速度将提 高一倍，而价格将降低一半” 。
事实：
格登·摩尔照片
❖ 内存芯片DRAM的容量每3年提高4倍。
❖ 微处理器，通过增加新的电路，减小电路之间的距离来提 高速度，使得从Intel公司自1979年推出它的X86系列以来， 性能每3年提高4~5倍。
程序执行时间
一般用执行时间对计算机性能进行综合评测。
12
第三节 计算机硬件的主要技术指标
时钟频率 ➢ 其他指标不变的情况下，主频越快，机器速度越快。
加法指令执行速度 ➢ 用加法指令速度衡量，单位为MIPS (每秒百万条指令)等。
等效指令速度（Gibson混合法） ➢ 设某类指令i在程序中所占比例为wi，执行时间为ti，则等 效执行时间为：T= w1x t1+w2 x t2 +…+wn x tn
其他 ➢ CPI：执行一条指令所需时钟周期（主频倒数）数。 ➢ FLOPS：每秒浮点运算次数。有MFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS等。
13
第三节 计算机硬件的主要技术指标
性能设计应从以下几方面考虑 1. 微处理器速度 （1）元器件本身的速度不断提高，容量不断增加 （ 遵循摩尔定律 ） （2）快速提供指令流（指令预取、流水线、超标量等） 2. 性能平衡 （1）处理器和主存之间 引入Cache、采用多模块存储器结构、 增加处理器和主存 间的带宽、使用高速总线 （2）处理器和I/O之间 在处理器和I/O之间引入缓冲和暂存机制、 使用多处理器配
什么是计算机实现（Computer Implementation）?
指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底板的 划分与连结等。
6
第一节 计算机系统简介
计算机系统=硬件系统+软件系统
14 置、使用高速总线
摩尔定律
“每年将缩小硅片中形成晶体管电路的 细线尺寸的10%，芯片制造商能够每3年 发布新一代的芯片，其晶体管数为上一 代的4倍。”
“每18个月集成度将翻一翻，速度将提 高一倍，而价格将降低一半” 。
事实：
格登·摩尔照片
❖ 内存芯片DRAM的容量每3年提高4倍。
❖ 微处理器，通过增加新的电路，减小电路之间的距离来提 高速度，使得从Intel公司自1979年推出它的X86系列以来， 性能每3年提高4~5倍。
程序执行时间
一般用执行时间对计算机性能进行综合评测。
12
第三节 计算机硬件的主要技术指标
时钟频率 ➢ 其他指标不变的情况下，主频越快，机器速度越快。
加法指令执行速度 ➢ 用加法指令速度衡量，单位为MIPS (每秒百万条指令)等。
等效指令速度（Gibson混合法） ➢ 设某类指令i在程序中所占比例为wi，执行时间为ti，则等 效执行时间为：T= w1x t1+w2 x t2 +…+wn x tn
其他 ➢ CPI：执行一条指令所需时钟周期（主频倒数）数。 ➢ FLOPS：每秒浮点运算次数。有MFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS等。
13
第三节 计算机硬件的主要技术指标
性能设计应从以下几方面考虑 1. 微处理器速度 （1）元器件本身的速度不断提高，容量不断增加 （ 遵循摩尔定律 ） （2）快速提供指令流（指令预取、流水线、超标量等） 2. 性能平衡 （1）处理器和主存之间 引入Cache、采用多模块存储器结构、 增加处理器和主存 间的带宽、使用高速总线 （2）处理器和I/O之间 在处理器和I/O之间引入缓冲和暂存机制、 使用多处理器配
第1章 计算机系统概论
看不见、摸不着
2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
35
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
7
1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
35
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
7
1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
计算机系统概论讲义
输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备 所能接收和识别的信息形式
适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进 行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作
总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行 数据传送的公共通路。
总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、 适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的 计算机硬件。
➢ 指令和数据存储
控制器的基本组成
完成 取指令 PC
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
1.3计算机的硬件
六、控制器的基本任务
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条 取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周 期
控制器
1 MAR MDR 4
主存储器 8
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机 系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高 计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。 它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
运算电路单元
寄存器B
累加器A
运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法 乘法
被减数 差
乘积高位
乘数 乘积低位
适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进 行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作
总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行 数据传送的公共通路。
总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、 适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的 计算机硬件。
➢ 指令和数据存储
控制器的基本组成
完成 取指令 PC
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
1.3计算机的硬件
六、控制器的基本任务
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条 取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周 期
控制器
1 MAR MDR 4
主存储器 8
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机 系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高 计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。 它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
运算电路单元
寄存器B
累加器A
运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法 乘法
被减数 差
乘积高位
乘数 乘积低位
第1章 计算机系统概论
第1章计算机系统概论第1章计算机系统概论第一章计算机系统概论计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，其功能是完成数据的输入、传送、存储、处理和输出。
本章介绍计算机系统的基本组成、层次结构和体系结构，认识计算机体系结构、组成和实现三者之间的关系。
1.1计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成可以分为硬件和软件两部分。
硬件是其物质基础，是软件的载体；软件则是计算机系统的灵魂。
没有硬件，软件就不能运行；没有软件，硬件就发挥不了作用，从而失去存在的价值。
因此二者紧密相关，缺一不可。
1.1.1硬件组成一般来说，计算机的硬件组成可以用图1-1来表示。
对微型机来说，运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理部件(cpu)。
cpu和内存储器统称为主机。
输入设备和输出设备统称为外围设备。
所谓输入与输出，是相对于主机系统而言的。
磁盘系统既是输入设备，也是输出设备。
当保存一个文档时，磁盘就是一个输出设备；当打开一个文档时，磁盘就作为输入设备使用。
主机和外围设备组成了计算机的硬件系统。
各部件之间使用三条总线连接，各部件之间就通过这三条总线实现信息传送。
注意，所有外围设备都是通过接口线路和总线连接的。
通常，cpu只与接口打交道(传递信息)，而不与外围设备直接打交道。
数据总线(dbus)是双向总线，在不同时刻可以在不同方向上传递数据，但同一时刻只能在一个方向传递数据。
地址总线(abus)用来选择发送数据或接收数据的地址。
地址总线上的信息通常是由cpu提供的。
当cpu将总线控制权转交给dma控制器时，地址总线上的信息便由dma控制器提供，这时cpu对外表现为高阻态。
dma控制器通常用于控制主机(内存)和高速外围设备(如磁盘)之间的数据传送。
控制总线(cbus)中的大部分信息由cpu提供，也有一些由内存或外围设备提供，但它不是双向总线；在大多数情况下，任何一条控制总线上的信息总是向着一个方向传递。
计算机的主要功能是处理数据。
第一章计算机系统概论
}
以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空
间复杂度完全一样，执行时间一样吗？
21 times slower (Pentium 4) Why？
理解该问题需要知道： 数组的存放方式 Cache机制 访问局部性
……
用“系统思维”分析问题
使用老版本gcc –O2编译时，程序一输出0，程序二输出却是1 Why？
理解该问题需要知道： IEEE 754 的表示 X87 FPU的体系结构 IA-32和x86-64中过程 调用的参数传递 计算机内部的运算电路 ……
在IA-32上运行时，打印结果为a=0 在x86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值 为什么？
用“系统思维”分析问题
double fun(int i) {
数据的表示 数据的运算 各类语句的转换与表示(指令) 各类复杂数据类型的转换表示 过程（函数）调用的转换表示
/*---main.c---*/
int main() {
int a[1]={100}; int sum; sum=sum(a,0); printf(“%d”,sum); }
链接（linker）和加载 程序执行（存储器访问） 异常和中断处理 输入输出(I/O)
主要内容
• 课程由来 • 课程内容概要 • 冯.诺依曼结构计算机特点 • 程序的开发和执行过程 • 计算机系统层次结构 • 计算机性能评价
什么是计算机系统？
程序执行结果 不仅取决于
算法、程序编写 而且取决于
语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构
不同计算机课程 处于不同层次
必须将各层次关 联起来解决问题
当count=230+1时， 程序会发生什么情况？
int *myarray = (int *) malloc(count*sizeof(int));
以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空
间复杂度完全一样，执行时间一样吗？
21 times slower (Pentium 4) Why？
理解该问题需要知道： 数组的存放方式 Cache机制 访问局部性
……
用“系统思维”分析问题
使用老版本gcc –O2编译时，程序一输出0，程序二输出却是1 Why？
理解该问题需要知道： IEEE 754 的表示 X87 FPU的体系结构 IA-32和x86-64中过程 调用的参数传递 计算机内部的运算电路 ……
在IA-32上运行时，打印结果为a=0 在x86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值 为什么？
用“系统思维”分析问题
double fun(int i) {
数据的表示 数据的运算 各类语句的转换与表示(指令) 各类复杂数据类型的转换表示 过程（函数）调用的转换表示
/*---main.c---*/
int main() {
int a[1]={100}; int sum; sum=sum(a,0); printf(“%d”,sum); }
链接（linker）和加载 程序执行（存储器访问） 异常和中断处理 输入输出(I/O)
主要内容
• 课程由来 • 课程内容概要 • 冯.诺依曼结构计算机特点 • 程序的开发和执行过程 • 计算机系统层次结构 • 计算机性能评价
什么是计算机系统？
程序执行结果 不仅取决于
算法、程序编写 而且取决于
语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构
不同计算机课程 处于不同层次
必须将各层次关 联起来解决问题
当count=230+1时， 程序会发生什么情况？
int *myarray = (int *) malloc(count*sizeof(int));
计算机系统概论
• 机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。
−2. 电子计算机的发展简史
• 第一代：电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言
• 第二代：晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言
• 第三代：中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒
4）多指令流多数据流（MIMD）计算机
由多台处理器和多个存储器组成。 多个处理器对各自不同的数据集同时执行不同的
指令流。 多核计算平台属于MIMD
1.3计算机的软件
机器语言 汇编语言 翻译程序：编译程序和解释程序 操作系统 中间件/平台级 高级语言
图1.2计算机系统的多级层次结构
1.4计算机网络基础
地址
d = b2 – 4ac
n
程序：
n+1
MUL B B MUL A E MUL A C SUB B A MOV D B Aa Bb Cc Dd E4
；b2送入B
；4a送入A
；指4ac令送入A
；b2-4ac送入B
n+2 n+3 n&3;5
；数据
；数据
n+6
；数数据据
n+7
− 1.冯.诺依曼机的基本特点
• 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五部分组成。
• 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中， 并以二进制码表示。由指令组成的程序可以修改。
• 指令由操作码和地址码组成。 • 指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器（程序计
数器PC）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一 般按顺序递增。
−2. 电子计算机的发展简史
• 第一代：电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言
• 第二代：晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言
• 第三代：中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒
4）多指令流多数据流（MIMD）计算机
由多台处理器和多个存储器组成。 多个处理器对各自不同的数据集同时执行不同的
指令流。 多核计算平台属于MIMD
1.3计算机的软件
机器语言 汇编语言 翻译程序：编译程序和解释程序 操作系统 中间件/平台级 高级语言
图1.2计算机系统的多级层次结构
1.4计算机网络基础
地址
d = b2 – 4ac
n
程序：
n+1
MUL B B MUL A E MUL A C SUB B A MOV D B Aa Bb Cc Dd E4
；b2送入B
；4a送入A
；指4ac令送入A
；b2-4ac送入B
n+2 n+3 n&3;5
；数据
；数据
n+6
；数数据据
n+7
− 1.冯.诺依曼机的基本特点
• 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五部分组成。
• 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中， 并以二进制码表示。由指令组成的程序可以修改。
• 指令由操作码和地址码组成。 • 指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器（程序计
数器PC）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一 般按顺序递增。
第1章 计算机系统概述
1.4.2 电子 计算机的发展简史
• 第一代 电子管时代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言， 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 • 第二代 晶体管时代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 • 第三代 中小规模集成电路时代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次 秒 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 • 第四代 大规模集成电路时代 大规模集成电路时代(1971至今 至今) 至今 向大型机和微型机两个方向发展 • 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 巨型化，微型化，网络化，智能化， 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用 年 根据摩尔定律集成电路大体上每 个月翻一番，今后可再用10年。 个月翻一番
计算机组成与结构
清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连
第一பைடு நூலகம்计算机系统概论
1.1 计算机的语言 自然语言：人类相互交流信息所用的语言 自然语言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 高级语言 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言 。 机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行 机器语言 用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机 器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由 二进制代码表示的指令组成）。 汇编语言：符号式程序设计语言。 汇编语言
1.4.3 计算机的六大分类
• 巨型机——世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III • 小巨型机——功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 • 大型机——大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等。 • 小型机——它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级 • 工作站——用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 • 微型机——个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉
第一章 计算机系统概论
5
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
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1946年 美国 ENIAC 1955年退役
十进制运算
18 000 1 500 150 30 1 500 5 000
多个电子管 多个继电器 千瓦 吨 平方英尺 次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
IBM 360计算机
IBM公司1964年推出的IBM360是影响最大的最早采 用集成电路的第三代计算机
80x86为处理器的开放式IBM PC机 第四阶段(20世纪80年代后期开始)，RISC技术的
出现使微处理器的体系结构发生了重大改革
1.2冯·诺依曼型计算机的主要特征
1.2.1 计算机的基本组成 冯·诺依曼型计算机的设计思想，即计算机由 五大基本部分组成。
现代计算机的典型结构
随着大规模和超大规模集成电路出现，就把 一台计算机的运算器和控制器集成到了一块 芯片内，称为CPU（Central Processing Unit）
1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair Kilby)、仙 童半导体公司的诺依斯(Robert Noyce)等人研究实现了 集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成 电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发 展的新的标志。
集成电路的分类 与数字集成电路的特点
集成电路分类
1.3 计算机的特点及应用
1.3.2 计算机的应用
1．科学计算 2．数据处理（非数值计算） 3．过程控制 4．人工智能 5．网络应用 6．计算机辅助工程 7．嵌入式应用
1.4 计算机系统的层次结构
1.4.1 计算机系统 的层次结构 为了便于系统的
分析、设计与开 发，通常将计算 机系统划分为五 级。
数字逻辑与计算机组成原理
2015年春季学期
主讲：傅 游 教授 于建志博士
计算机硬件系列课程结构
计机系统结构
计算机系统的 软硬件功能分配
计算机组成原理 数字逻辑
计算机系统的 逻辑实现 计算机组成的 物理实现
数字逻辑与计算机组成原理 的关系
数字逻辑是计算机组成原理的先修课程
计算机组成原理课程中经常出现的译码器、 编码器、数据选择器、数据分配器、队列、 堆栈、锁存器、寄存器等术语，必须在数字 逻辑课程中牢固掌握基本概念。
天河二号
天河二号
采用自主研制的CPU
天河二号
按规模及性能分类
(2)大型机(Main-frame) (3)小型机(Minicomputer) (6)工作站(Workstation) (7)微型机(Microcomputer)
第一阶段(1971—1977年) 第二阶段(1978—1981年) 第三阶段(20世纪80年代初至中期)，IBM推出了以
1.1.2 计算机的分类
1、按处理对象的表示形式分类 按计算机所处理对象的表示形式不同可以分成 模拟计算机与数字计算机两类。 2、按用途分类 计算机按其用途来分可以分成专用计算机和通 用计算机两类。 3、按规模及性能分类 通用计算机按其规模及性能来分，又可分为巨 型机、大型机、小型机、工作站和微型机五种 类型。
这样，现代计算机可认为由CPU、主存与I/O 设备组成。
冯·诺依曼型计算机的三大特征
冯·诺依曼型计算机除了硬件由五大部分组 成的主要特征外，还具有“存储程序”和“ 采用二进制”两大主要特征。
要实现机器的自动计算，必须先将计算程序 与用到的数据存入计算机的存储器中，称为 “存储程序”。
在计算机中，计算程序及数据是用二进制代 码表示的，称为“采用二进制”。
Theoretical Peak (Rpeak)：54,902.4 TFlop/s
第一名：天河2号
Site:
Manufacturer: Cores:
Linpack Performance (Rmax)
Theoretical Peak (Rpeak) Nmax Power: Memory:
Processor:
四（五） 1978－现在
硬件技术
电子管
晶体管
中小规模 集成电路
大规模 集成电路
超大规模 集成电路
速度 /（次/秒） 40 000 200 000
1 000 000
10 000 000 100 000 000
齿轮式加减计算器
1871Lucasian Professor of Mathematics, Cambridge University, 1827-1839
1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
2.9 万个晶体管 13.4 万个晶体管 27.5 万个晶体管 120.0 万个晶体管 310.0 万个晶体管 550.0 万个晶体管 750.0 万个晶体管 950.0 万个晶体管 4 200.0 万个晶体管
按规模及性能分类
(1)巨型机(Super Computer) 2012年6月18日，国际超级电脑组织公布的全球 超级电脑500强名单中，“天河一号”排名全球 第五。
2013年6月-2014年11月
中国的天河二号四次蝉联全球超级计算机排行 榜第一
Linpack Performance (Rmax) ： 33,862.7 TFlop/s
天河2由16000个浪潮的节点组成 每个节点有2颗基于Ive Bridge-E Xeon
E5 2692处理器和3个Xeon Phi 累 计 共 有 32000 颗 Ive Bridge 处 理 器 和
48000个Xeon Phi 总计有312万个计算核心
天河二号
※每个Xeon Phi使用其中的57个核心，而不是使用全部的61 个，因为使用61个在运算周期协调方面会有问题，而使用 57个核心能够加速4个执行线程，并且在每个线程单周期可 以达成4flops的运算量，运行在1.1GHz的Xeon Phi可以生 产1003 Tflops的双精度运算能力。
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位
路）
摩尔定律
集成度每18个月翻一番
数字逻辑的内容
数字逻辑的基本理论：逻辑代数 无记忆的逻辑电路：组合逻辑电路 有记忆的逻辑电路：触发器及时序逻辑电路
（同步和异步） 可编程逻辑器件和数字系统：软件实验、后
续课程学习
第一章 计算机系统概论
主要内容
1.1 计算机的发展与分类 1.2 冯·诺依曼型计算机的主要特征 1.3 计算机的特点及应用 1.4 计算机系统的层次结构 1.5 计算机系统的硬件组成 1.6 计算机的软件系统 1.7 计算机系统主要性能指标
※每个运算节点有64GB主存、而每个Xeon Phi板载8GB内存 ，因此每个节点共有88GB内存，总计16000个节点一共有 1.404 PB内存，而外部存储器容量方面更是高达12.4PB.
天河二号
天河二号
天河二号超级计算机系统由170个机柜组 成（包括125个计算机柜、8个服务机柜 、13个通信机柜和24个存储机柜），占 地面积720平方米，内存总容量1400万亿 字节，存储总容量12400万亿字节，最大 运行功耗17.8兆瓦。
※如果考虑CPU,2 Ivy Bridge * 0.2112 Tflop/s + 3 Xeon Phi * 1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2个Ive Bridge+3个 Xeon Phi单个节点可以有3.431 Tflops运算能力，16000 个节点总计可达54.9PFlops性能。
1.2.2 存储程序工作方式
1．根据求解问题事先编制程序 2．将程序存入计算机中 3．计算机自动、连续地执行程序
首先，将指令和数据分开存放。 其次，在CPU中设置 一个程序计数器(PC)， 用它存放即将执行 指令所在的存储单元 的地址。
1.3 计算机的特点及应用
1.3.1 计算机的特点
（1）自动、连续地执行程序。 （2）运算速度快。 （3）运算精度高。 （4）存储能力强。 （5）通用性好。
Intel Xeon E5-2692v2 12C 2.2GHz
TH Express-2 Kylin Linux icc Intel MKL-11.0.0
MPICH2 with a customized GLEX channel
国防项目、预测地震、进行气候建模以及帮助国内汽车产业 的发展。
天河二号
“天河二号”由280人历时两年多研制完 成，耗资约1亿美元
计算机组成原理课程的实践教学，需要用到 FPGA、ISP 一类高密度可编程器件和VHDL 硬件描述语言
数字逻辑
数字逻辑——
进入数字化世界的基础知识 计算机硬件系列课第一门 计算机组成的物理实现
数字集成电路—— 研究数值的逻辑加工和运算的电路
数字逻辑与数字电路的历史
逻辑代数的历史
1849 年 ， 爱 尔 兰 数 学 家 乔 治 ·布 尔 (George Boole)创立布尔代数。
Interconnect: Operating System: Compiler: Math Library:
MPI:
National Super Computer Center in Guangzhou
NUDT 3,120,000
33,862.7 TFlop/s
54,902.4 TFlop/s 9,960,000 17,808.00 kW 1,024,000 GB
1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性
硬件是计算机系统发挥其功能的物质基础。 软件是根据所要完成的特定任务对硬件的功