第１章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.3計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展1.第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生2.計(jì)算機(jī)的五代變化3.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展4.微處理器的發(fā)展5.摩爾定律二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展三、計(jì)算機(jī)的分類1.第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生1946年美國(guó)ENIAC1955年退役十進(jìn)制運(yùn)算18000150015030140多個(gè)電子管多個(gè)繼電器千瓦噸平方米5000次加法／秒用手工搬動(dòng)開關(guān)和拔插電纜來(lái)編程一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展6000開關(guān)50萬(wàn)條線第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC

雖然，ENIAC沒(méi)有今天的鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備，人們只能通過(guò)扳動(dòng)龐大面板上的無(wú)數(shù)開關(guān)向計(jì)算機(jī)輸入信息。

但是，其誕生奠定了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展基礎(chǔ)，開辟了信息時(shí)代，把人類社會(huì)推向了第三次產(chǎn)業(yè)革命的新紀(jì)元。2.計(jì)算機(jī)的五代變化極快量子、光子和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能計(jì)算機(jī)未來(lái)某時(shí)間五100000000超大規(guī)模集成電路1972－現(xiàn)在1000000中小規(guī)模集成電路1965－1971

200000晶體管1958－1964

40000電子管1946－1957速度

/（次/秒）硬件技術(shù)時(shí)間代三四二一一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展第一臺(tái)vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)IBMSystem／360第3代計(jì)算機(jī)

3.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展磁芯存儲(chǔ)器：每個(gè)鐵磁體環(huán)(磁芯)的一種磁化方向代表一個(gè)1，另一個(gè)磁化方向代表0。每個(gè)磁芯就是計(jì)算機(jī)中的1位。如內(nèi)存32K字(每字16位)，則需32*1024*16=524288磁芯速度快，但工藝復(fù)雜，體積大，重量大，怕震動(dòng)，成本高，而且讀出是破壞性的。3.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展1970年仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出第一個(gè)較大容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，非破壞性，讀寫速度比磁芯存儲(chǔ)器快，但成本比磁芯存儲(chǔ)器高。1974年開始，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的成本持續(xù)下跌，存儲(chǔ)容量成倍提高。從1970年開始，單個(gè)芯片從1KB到1GB直至更高，經(jīng)歷了11代。1KB16KB64KB256KB1MB16MB64MB4KB4MB256MB1GB更高4.微處理器的發(fā)展型號(hào)4004800880808086/80888028680386DX80486DXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumIIIPentium4發(fā)布日期197119721974197819821985198919931995199719992000制造工藝PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSBiCMOSBiCMOSCMOSCMOSCMOS特征尺寸（

m）1010631.51.51.00.80.350.350.180.18集成度（晶體管）2300350060002900013400027500012000003100000550000075000002800000042000000工作頻率108KHz200kHz2MHz5MHz6MHz16MHz25/33MHz60/66MHz150MHz233MHz500MHz1400MHz基片面積（mm2）13.515.220.028.668.71041632643102091402242015年，Intel第五代酷睿處理器集成了19億/14nm個(gè)晶體管5.摩爾定律(Moore’sLaw)Intel公司的締造者之一GordonMoore在1965年提出集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會(huì)以每18個(gè)月（后修正為2年）翻一番的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢(shì)頭。該法則適用至今：1965-2015，50年精確符合。那么，摩爾定律是將持續(xù)，還是即將終結(jié)？5.摩爾定律(Moore’sLaw)二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展機(jī)器語(yǔ)言面向機(jī)器匯編語(yǔ)言面向機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言面向問(wèn)題FORTRAN科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算PASCAL結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)C＋＋面向?qū)ο驤ava適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境1.各種語(yǔ)言2.系統(tǒng)軟件語(yǔ)言處理程序

匯編程序編譯程序解釋程序操作系統(tǒng)

DOSUNIXWindows

服務(wù)性程序

裝配調(diào)試診斷排錯(cuò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展3.軟件發(fā)展的特點(diǎn)⑴開發(fā)周期長(zhǎng)⑵制作成本昂貴⑶檢測(cè)軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性軟件是程序以及開發(fā)、使用和維護(hù)程序所需要的所有文檔二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展三、計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)：最有效、最經(jīng)濟(jì)、最快速，但適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)：適應(yīng)性很大，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。三、計(jì)算機(jī)的分類通用計(jì)算機(jī)分為如下六類：

1.

天河二號(hào)

中國(guó)

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)312萬(wàn)個(gè)CPU最大平均速度33.86PFLOPS最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2015.11）千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算六連冠2.

Titan美國(guó)能源部

橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室56.064萬(wàn)個(gè)CPU最大平均速度17.59PFLOPS

最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2015.11）泰坦3.SequoiaIBM美國(guó)能源部

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室157.2864萬(wàn)個(gè)CPU最大平均速度17.17PFLOPS

最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2015.11）紅杉4.KComputer日本富士通

70.5024萬(wàn)個(gè)CPU最大平均速度10.51PFLOPS最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2015.11）京K最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2015.11）5.MiraIBM美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室78.6432萬(wàn)個(gè)CPU最大平均速度8586.6TFLOPS米拉2015年全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP50011月16日消息，最新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單(TOP500)在第46屆世界超算大會(huì)期間公布。本期中國(guó)超算拿到了其中109席，份額占比21.8%，在美國(guó)之后排名第二。中國(guó)占比21.8%居世界第二1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成三、計(jì)算機(jī)軟件和硬件的關(guān)系四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)五、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程由具有各類特殊功能的信息（程序）組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看得見的計(jì)算機(jī)實(shí)體，如主機(jī)、外設(shè)等硬件軟件一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、

繪圖儀等中央處理器CPU：運(yùn)算器、控制

器、寄存器主機(jī)外圍設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)器：ROM、RAM外存儲(chǔ)器：硬盤、光盤等輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀硬件1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)按任務(wù)需要編制成的各種程序用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語(yǔ)言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1）計(jì)算機(jī)由五大部件組成3）指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4）指令由操作碼和地址碼組成6）以運(yùn)算器為中心2）指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，

可按地址尋訪5.存儲(chǔ)程序1、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)5）存儲(chǔ)程序按順序存放二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成約翰·馮·諾依曼（JohnvonNeumann，1903－1957）：

美籍匈牙利人，數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、發(fā)明家，“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”，他制定的計(jì)算機(jī)工作原理直到現(xiàn)在還被各種電腦使用著。二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成天啊，八歲掌握微積分，一生掌握了7種語(yǔ)言，嚇?biāo)缹殞毩?！算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備2.計(jì)算機(jī)硬件框圖(1)以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O設(shè)備硬件CU(2)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器ALUCPU主機(jī)I/O設(shè)備CU主存三、計(jì)算機(jī)軟件和硬件的關(guān)系1.硬件和軟件互相依存硬件是軟件賴以工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件的正常工作是硬件發(fā)揮作用的唯一途徑。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須要配備完善的軟件系統(tǒng)才能正常工作，且充分發(fā)揮其硬件的各種功能。2.硬件和軟件無(wú)嚴(yán)格界線

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在許多情況下，計(jì)算機(jī)的某些功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，硬件與軟件在一定意義上說(shuō)沒(méi)有絕對(duì)嚴(yán)格的界面。3.硬件和軟件協(xié)同發(fā)展計(jì)算機(jī)軟件隨硬件技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展，而軟件的不斷發(fā)展與完善又促進(jìn)硬件的更新，兩者密切地交織發(fā)展，缺一不可。計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運(yùn)行計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M4匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器M2機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M0用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1微程序機(jī)器M0四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)不同層次觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到不同概念。四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)高層是底層功能的擴(kuò)展，底層是高層實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。層次劃分會(huì)隨著軟件硬化和硬件軟化而動(dòng)態(tài)變化。軟件和硬件的互動(dòng)原理推動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不斷發(fā)展。邏輯等價(jià)性：部分功能可用硬件也可用軟件實(shí)現(xiàn)。透明性：存在的事物和特性，從某個(gè)角度看卻好像不存在。四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型(炮彈軌跡=>拋射曲線)

-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計(jì)算方法(PC只會(huì)加減乘除)程序——

運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——

每一個(gè)步驟五、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程取x

至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中乘以a

在運(yùn)算器中存ax2

在存儲(chǔ)器中取b

至運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加ax2

在運(yùn)算器中加c

在運(yùn)算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x

至運(yùn)算器中乘以a

在運(yùn)算器中加b

在運(yùn)算器中乘以x

在運(yùn)算器中加c

在運(yùn)算器中計(jì)算ax2+bx+c編程舉例五、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程000001

0000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例操作碼6位地址碼10位

[

]打印機(jī)五、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程五、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程假定：所需的xabc已提前存到存儲(chǔ)器的8、9、10和11號(hào)存儲(chǔ)單元。同時(shí)：操作碼000001

取數(shù)操作碼000010

存數(shù)操作碼000011

加法操作碼000100

乘法操作碼000101

打印操作碼000110

停機(jī)指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9