计算机组成原理 第1章 绪论

超级计算机——天河一号


运算速度 “天河一号”峰值运算速度为每秒4700 万亿次。做个换算对比：“天河一号”运 算1小时，相当于全国13亿人同时计算340 年以上的时间；“天河一号”运算1天， 相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年 以上的时间。 存储容量 “天河一号”存储容量为两千万亿个字节。 做个换算对比：一个汉字平均为两个字节， “天河一号”可在线存储一千万亿个汉字， 相当于存储100万汉字的书籍10亿册。

电子数字计算机以离散量即数字量表示数据，应
用算术运算法则实现运算。 由于具有很强的逻辑判断功能、庞大的存储能力，以及 计算、模拟、分析问题、操作机器、处理事务等能力， 因而得到了极其广泛的应用。
电子计算机的诞生
• 第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。 ① 每秒5000次加法运算； ② 每秒50次乘法运算；

1.1.1 更新换代的计算机硬件
（1） 电子管时代（1946年－1959年） （2） 晶体管时代（1959年－1964年） （3） 中、小规模集成电路时代（1964年－1975年）
（4） 超、大规模集成电路时代（1975年－1990年）
（5） 超级规模集成电路时代（1990年－现在）
代
一 二 三
1.1.2 日臻完善的计算机软件

汇编语言阶段（20世纪50年代）
程序批处理阶段（20世纪60年代）
分时多用户阶段（20世纪70年代）
分布式管理阶段（20世纪80年代）
软件重用阶段（20世纪90年代）
Web服务阶段（21世纪初期－现在）

—个完整的计算机系统由硬件和软件两大 系统组成。
2013年6月超级计算机排名
/system/2013/06/19/019413676.shtml




1 天河二号是由中国国防科技大学开发的超级计算机 ，今年以持续计算速度每秒3.39亿亿次的优越性能位 居榜首。部署在广州的国家超级计算机中心。 2 泰坦是一台安装在美国能源部（DOE）的橡树岭国 家实验室Cray XK7系统的超级计算机。最节能的系 统之一。 3 红杉是安装在美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实 验室的一台IBM蓝色基因/ Q系统超级计算机。 10 天河-1A，中国天津的国家超级计算中心。
硬件技术
电子管 晶体管 中小规模集成电路
速度（次/秒）
40,000 200,000 1,000,000
四
大规模集成电路
超大规模集成电路
10,000,000
100,000,000
电子管时代（1946～1959）
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。
第1章
绪
论
了解哪些 ??


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
1.1 计算机的发展历史
电子计算机分类
按其信息的表示形式和处理方式分类：

电子模拟计算机以连续变化的量即模拟量表示数
据，通过电流或电压的物理变化过程实现运算。 受到元器件精度的影响，使其运算精度较低，解题能力 有限，信息存储困难，因而应用面窄。


运算器的简单框图见书P6图1-3。
（5）控制器

是整个计算机的指挥中心。 控制器就是按着事先安排好的解题不愁，控制计算机各
存 储 器
输入设备 输出设备 I/O系统
（1）输入设备
（2）输出设备
（3）存储器

分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。 CPU能够直接访问的存储器是主存。

辅助存储器用于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。

主存储器的每个单元都有自己唯一的地址码，通常是按 地址进行访问的，若对存储器某个单元进行读/写操作， 必须首先给出被访存储单元的地址码。
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中小规模集成电路时代 （1965～1975）
运算速度：百万～几百万（次/秒）
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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。
2009年超级计算机榜首

美国能源部下属橡树岭国家实验室的Cray“美洲豹”XT5系统以每秒 1.759千万亿次(petaflop/s)的运算速度，在全球超级计算机500强排 行榜中首度折桂。
美洲豹的科学应用
图从左到右，从上到下依次为： 1：极端气候模拟 2：超新星研究 3：生命和半衰期 4：从光合作用到新燃料 5：聚变加速 6：模仿火山爆发应激气候
③ 平方和立方计算；
④ Sin和Cos函数数值运算；
⑤ 其它更复杂的计算。
1955年退役
十进制运算 18 000 1 500 多个电子管 多个继电器 千瓦
150
30 1 500 5 000
吨
平方英尺 次加法／秒 用手工搬动开关和拔插电缆来编程
电脑始祖 —冯· 诺依曼

冯· 诺依曼提出了新的改进方案：一是用二进制代替十进制，进一步提 高电子元件的运算速度；二是存储程序(Stored Program)，即把程序放 在计算机内部的存储器中，换言之，把能进行数据处理的程序放在数据 处理系统内部，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存，即把程序 本身当作数据来对待。冯· 诺依曼的改进方案被称为“爱达法”(EDVAC)， 即离散变量自动电子计算机(Electronic Diserete Variable Computer)的 简称。 1945年6月，他写了一篇题为《关于离散变量自动电子计算机的草案》 的论文，第一次提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念 (Stored Program Concept)，这是所有现代电子计算机的范式，被称为 “冯· 诺依曼结构”。按这一结构建造的电脑称为存储程序计算机 (Stored Program Computer)，又称为通用计算机。时至今日，所有的 电脑都逃脱不了冯· 诺依曼的掌心，我们所有的电脑，都有一个共同的 名字，叫“冯· 诺依曼机器”，它超越了品牌、国界、速度和岁月。
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晶体管时代（1957～1964）
运算速度：几十万～百万（次/秒）
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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。
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第一台小型计算机 PDP-8
2013-10-25
2012年6月超级计算机排名
/view/c3d6cef17c1cfad6195fa743.html


第一名：红杉(Sequoia)超级计算机，美国 能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室
使用红杉来研究美国核威慑武器的安全性和可靠性
6月超级计算机排名
2011超级计算机榜首
2011超级计算机亚军—— 天河一号A


最大性能只有“京”的24.4％。事 实上，除了一路狂奔的“京”之外 ，从第二名到到第十一名都没有多 少变化。 从超算分布的国家来看，最近两年 增长最快的国家无疑是中国，两年 时间，中国入围超算总数从2010年 11月的24台猛增至如今的74台，平 均增长率超过45%。美国作为当今 唯一的超级大国，在入围超算数量 上也保持了一如既往的霸气，始终 占据着TOP500的半壁江山，其他国 家望尘莫及。
2009年超级计算机第五

由中国国防科大研制的“天河一号”超级计算机以实测速度每秒 563.1万亿次位列世界第五、亚洲第一，这也是中国超级计算机迄今 获得的最高名次，也是前十位中唯一非美超级计算机。
2010年超级计算机榜首


全球超级计算机500强排行榜（又称TOP500）11月16 日在美国新奥尔良会议中心正式揭晓，由中国国防科 学技术大学研制的“天河一号”超级计算机排名第一， 美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”和中国曙光公司 研制的“星云”紧随其后，其他排名前十的超级计算 机分别位于日本、法国、德国和美国。 “天河一号”2010年在中国国家超级计算天津中心安 装部署，升级后的实测运算速度可达每秒2570万亿次； 排名第二的“美洲虎”超级计算机实测运算速度可达 每秒1750万亿次；排名第三的“星云”计算机实测运 算速度达到每秒1270万亿次。
主存储器结构简图
地 址 寄 存 器
存 储 体
数 据 寄 存 器
时序控制逻辑
（4）运算器

运算器是计算机的执行部件，用于对数据的加工处理，完成算术运 算和逻辑运算。算术运算是指按照算术运算规则进行的运算，如加、 减、乘、除以及它们的复合运算。逻辑运算则为肺算术性运算，如 与、或、非、异或、比较、移位等。 其核心是算术逻辑部件（Arithmetic and Logical Unit，ALU）。运 算器中还设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。由于这 些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。
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采用了Intel8080的个人电脑Altair8800
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超大规模集成电路时代（1975～1990）
运算速度：几百万～几千万亿（次/秒）
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2008年超级计算机榜首