1.1 計(jì)算機(jī)歷史1.1.1 第一代電子管計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)奠定理論基礎(chǔ)的英國(guó)人布爾（Boole.George），在20世紀(jì)創(chuàng)立了“布爾代數(shù)”。被計(jì)算機(jī)科學(xué)界普遍認(rèn)可的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，是1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室誕生的，稱為電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)（ElectronicNumericalIntegratorandComputer——ENIAC）。它由18000個(gè)電子管和1500個(gè)繼電器組成，重達(dá)30噸，功耗為150kW，只有20個(gè)寄存器能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它的運(yùn)算速度只有5000千次/秒，沒有軟件，需要靠6000個(gè)開關(guān)和眾多插座來編程進(jìn)行運(yùn)算。ENIAC項(xiàng)目組的一個(gè)研究人員馮·諾依曼（JohnvonNeuman）發(fā)現(xiàn)用大量的開關(guān)、插頭來編程十分費(fèi)時(shí)，且極不靈活，他提出程序可以用數(shù)字形式和數(shù)據(jù)一起在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中表示，并提出用二進(jìn)制替代十進(jìn)制。下一頁(yè)返回1.1 計(jì)算機(jī)歷史

馮·諾依曼設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)由五個(gè)基本部分組成：存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器以及輸入/輸出設(shè)備，如圖1-1所示。首先將編好的程序和數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備送入存儲(chǔ)器中，再將指令從存儲(chǔ)器中取出送往控制器進(jìn)行解釋分析，根據(jù)指令中的內(nèi)容產(chǎn)生各種控制信號(hào)，自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)中的所有部件，按時(shí)間順序完成指令內(nèi)容。這就是馮·諾依曼程序控制的概念，也是當(dāng)今絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)所遵循的規(guī)則。第一代計(jì)算機(jī)硬件采用電子管（體積大、功耗大）為基本器件，軟件主要為匯編語(yǔ)言。其應(yīng)用于1945—1958年。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)主要為軍事與國(guó)防技術(shù)服務(wù)，重點(diǎn)發(fā)揮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，幫助人們解決復(fù)雜的計(jì)算問題。1953，IBM開始研制計(jì)算機(jī)，并在幾年時(shí)間里發(fā)展壯大，成為領(lǐng)頭企業(yè)，IBM在1958年推出了最后一臺(tái)電子管大型機(jī)產(chǎn)品709。在第一代計(jì)算機(jī)中，IBM的成功產(chǎn)品是IBM650小型機(jī)，其銷售量超過千臺(tái)，在當(dāng)時(shí)已是很了不起了。1958年，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算研究所成功研制出我國(guó)第一臺(tái)小型電子管通用計(jì)算機(jī)“103機(jī)”（八一型）。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.1 計(jì)算機(jī)歷史1.1.2第二代晶體管計(jì)算機(jī)晶體管早在1948年，由貝爾實(shí)驗(yàn)室的JohnBarrdeen、WalterBrattain和WilliamShockley發(fā)明。晶體管與電子管相比具有體積小、功耗低、工作速度快等許多優(yōu)點(diǎn)，因此晶體管計(jì)算機(jī)被稱為第二代計(jì)算機(jī)，主要用于1958—1965年間。第二代計(jì)算機(jī)不僅在硬件上得到更新，在軟件上也有了大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在高級(jí)語(yǔ)言的使用上，如Algol高級(jí)語(yǔ)言、COBOL和FORTRAN高級(jí)語(yǔ)言，它們使計(jì)算機(jī)編程更容易。另外某些機(jī)器上出現(xiàn)了操作系統(tǒng)（OS）。第二代計(jì)算機(jī)在應(yīng)用上取得了發(fā)展，它不僅用于科學(xué)計(jì)算，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如在第二代計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的COBOL語(yǔ)言就是數(shù)據(jù)處理應(yīng)用高級(jí)程序并成功進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域、大學(xué)和政府部門。這一時(shí)期出現(xiàn)了新的職業(yè)，如程序員、分析員和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專家，同時(shí)，整個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)也由此誕生。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.1 計(jì)算機(jī)歷史IBM7094是第二代計(jì)算機(jī)的代表之一，其在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域成為主力機(jī)型，它的機(jī)器周期為2μs，有字長(zhǎng)為36位的32KB核心內(nèi)存。為了面向商業(yè)，IBM還開發(fā)了IBM1041機(jī)型，該機(jī)型比IBM7094便宜很多，是商業(yè)領(lǐng)域的主要機(jī)器，它能讀/寫磁帶、讀卡和打卡，輸出性能較好。1965年，中國(guó)科學(xué)院成功研制出第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)“109乙”，之后推出“109丙”，該機(jī)在“兩彈”試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.1 計(jì)算機(jī)歷史1.1.3第三代集成電路計(jì)算機(jī)1958年，美國(guó)的工程師JackKilby發(fā)明了集成電路IC芯片，將三種電子元件結(jié)合到一片小小的硅片上，在單個(gè)芯片上可集成幾十個(gè)晶體管，然后封裝。這個(gè)發(fā)明在1964年開始被大規(guī)模采用，當(dāng)時(shí)集成水平能達(dá)到幾十、幾百，在后期達(dá)到幾千。集成電路的采用使計(jì)算機(jī)硬件體積變得更小，速度更快，可靠性更高（焊點(diǎn)數(shù)成倍減少是原因之一）。集成電路按集成度劃分，可分為小規(guī)模集成電路（SSI，每片數(shù)十器件）、中規(guī)模集成電路（MSI，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模集成電路（LSI，每片數(shù)千器件）。第三代集成電路計(jì)算機(jī)的應(yīng)用時(shí)間為1965—1973年，在這一時(shí)期，不僅硬件方面有了歷史性突破，軟件水平也大大提高，操作系統(tǒng)已普遍采用，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已非常廣泛。同時(shí)計(jì)算機(jī)開始走上通用化、系列化道路。IBM360是最早采用集成電路的通用計(jì)算機(jī)，也是影響最大的計(jì)算機(jī)，它為后來的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.1 計(jì)算機(jī)歷史IBM360可同時(shí)滿足科學(xué)計(jì)算和商務(wù)處理兩方面的需求，改變了IBM7094只能用于科學(xué)計(jì)算，而IBM1041只能用于商業(yè)的單一化局面，走向了通用化。IBM360共有6種機(jī)型，它們使用相同的匯編語(yǔ)言，其處理能力是遞增的。為低型號(hào)機(jī)寫的軟件在高型號(hào)機(jī)上運(yùn)行沒有問題，計(jì)算機(jī)只存在內(nèi)存不足問題，這樣就出現(xiàn)了系列化計(jì)算機(jī)。IBM360共有30、40、50、60、65和75六個(gè)型號(hào)的機(jī)型，30型號(hào)對(duì)應(yīng)IBM1041，75型號(hào)對(duì)應(yīng)IBM7094。下一頁(yè)返回上一頁(yè)1.1 計(jì)算機(jī)歷史1.1.4第四代超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)超大規(guī)模集成電路（VLSI，器件數(shù)目在1萬以上）技術(shù)使得一個(gè)芯片上能集成幾萬、幾十萬，甚至百萬個(gè)晶體管，目前單個(gè)芯片上所集成的晶體管數(shù)目已達(dá)到幾億。有了VLSI技術(shù)后，可以把第三代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器等部件集中在一個(gè)芯片上，這就是后來的CPU（中央處理器），CPU芯片的出現(xiàn)開創(chuàng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代。第四代超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)大約從1973年發(fā)展到現(xiàn)在，時(shí)間跨度非常大，集成度也有天壤之別。為什么計(jì)算機(jī)的發(fā)展還停留在第四代計(jì)算機(jī)上呢？原因是第四代計(jì)算機(jī)的性能大大提高，可以運(yùn)行大型軟件，人們可以編寫出智能軟件，所以第四代計(jì)算機(jī)趨向智能化。正是因?yàn)榈谒拇?jì)算機(jī)有了智能化特征，人們不再考慮硬件的集成度指標(biāo)，而將第五代計(jì)算機(jī)定義為智能型計(jì)算機(jī)。從智能型計(jì)算機(jī)的角度衡量，當(dāng)前的計(jì)算機(jī)當(dāng)然還稱不上智能，所以其仍屬于第四代計(jì)算機(jī)。另外，第四代計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器取代了磁芯存儲(chǔ)器，它的容量按照摩爾定律以每18個(gè)月翻一番的速度發(fā)展。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.1 計(jì)算機(jī)歷史第四代計(jì)算機(jī)發(fā)展中的偉大成就是個(gè)人計(jì)算機(jī)的誕生。IBM于1981年推出個(gè)人計(jì)算機(jī)，其成為歷史上最暢銷的計(jì)算機(jī)。由于IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的開放性，許多公司同樣可以生產(chǎn)個(gè)人計(jì)算機(jī)，從而推動(dòng)了新行業(yè)的發(fā)展，讓成千上萬人擁有了自己的計(jì)算機(jī)。第四代計(jì)算機(jī)發(fā)展的另一成果是網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，它的迅猛發(fā)展使人們的生活方式、文化活動(dòng)等許多方面發(fā)生了變化，網(wǎng)絡(luò)目前已成為人們生活的一部分。隨著第四代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，該領(lǐng)域的企業(yè)排序發(fā)生了變化，英特爾（Intel）公司和微軟（Microsoft）公司打敗了世界上最大的IBM公司，成為世界上計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)公司。上一頁(yè)返回1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從不同的角度分析，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以有幾種劃分層次的方法，本書只介紹最基本、最普遍的劃分方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為應(yīng)用層、系統(tǒng)層和硬件層三層，如圖1-2所示。硬件層是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，所有的功能最終由此層完成。硬件層又細(xì)分成硬件設(shè)計(jì)和硬件電路。硬件設(shè)計(jì)包括：計(jì)算機(jī)各部件組成的設(shè)計(jì)、指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微程序控制器設(shè)計(jì)等，再把它們用數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以便最后生成硬件電路。計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)中最重要的設(shè)計(jì)是指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微程序控制器設(shè)計(jì)。指令系統(tǒng)也稱為機(jī)器語(yǔ)言，它所提供的是那些計(jì)算機(jī)硬件可以讀懂，并可以直接操縱計(jì)算機(jī)硬件工作的二進(jìn)制信息。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的控制器多采用微程序控制器，其功能是將一條機(jī)器指令（由0和1組成的二進(jìn)制代碼）對(duì)應(yīng)為一系列由微指令組成的微程序（也是二進(jìn)制代碼），順序發(fā)出控制命令，控制各邏輯門的打開與關(guān)閉，讓數(shù)據(jù)按規(guī)定的方向和順序在硬件部件之間流動(dòng)，完成指令功能。下一頁(yè)返回1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)除了硬件設(shè)計(jì)人員，人們一般不關(guān)心設(shè)計(jì)流程，因?yàn)樗峭该鞯摹Ｓ布娐肪褪蔷唧w的集成電路、印制電路板（PCB）等，這個(gè)實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的，本書不作介紹。硬件設(shè)計(jì)的最后內(nèi)容就是把各種部件功能用數(shù)字邏輯內(nèi)容（電路圖）表現(xiàn)出來，再把數(shù)字邏輯內(nèi)容轉(zhuǎn)成硬件電路，整個(gè)硬件設(shè)計(jì)就完成了。計(jì)算機(jī)組成原理只涉及硬件層的硬件設(shè)計(jì)部分，其他內(nèi)容則在相應(yīng)課程中介紹，所以“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件知識(shí)部分。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層主要包括操作系統(tǒng)和語(yǔ)言處理程序，語(yǔ)言處理程序即編譯器或解釋器。操作系統(tǒng)是最主要的系統(tǒng)軟件，它控制其他程序的運(yùn)行，管理系統(tǒng)資源，并且為用戶提供操作界面。簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)如DOS，較復(fù)雜的操作系統(tǒng)有UNIX、Linux和WindowsXP等。高級(jí)語(yǔ)言的源程序可以通過兩種方法轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言（目標(biāo)程序），一種是通過編譯程序在運(yùn)行之前將源程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言；另一種是通過解釋程序進(jìn)行解釋執(zhí)行，即逐行解釋并主動(dòng)執(zhí)行源程序的語(yǔ)句。編譯程序和解釋程序現(xiàn)稱為編譯器和解釋器，它們通常由系統(tǒng)程序員來編寫，因?yàn)樗麄兪熘布?duì)應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)應(yīng)用層包括系統(tǒng)分析、應(yīng)用軟件和語(yǔ)言工具。系統(tǒng)分析是系統(tǒng)分析人員根據(jù)對(duì)任務(wù)的需求分析，設(shè)計(jì)算法，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型和算法進(jìn)行概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。語(yǔ)言工具是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，稱為高級(jí)語(yǔ)言，如C、C++、VC、Java、C#、Delphi和VB等，還有各種數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言，以及各種環(huán)境平臺(tái)，它們?yōu)楦鞣N應(yīng)用軟件提供了豐富的工具。應(yīng)用軟件是面向用戶應(yīng)用的功能軟件，編程人員根據(jù)用戶要求，選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ呔帉憫?yīng)用程序，如MIS系統(tǒng)（管理信息系統(tǒng)）、印刷排版軟件、多媒體軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、控制軟件、事務(wù)處理軟件、游戲軟件等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件與軟件兩部分組成的，簡(jiǎn)單地說，硬件是看得見摸得著的東西，剩下的就是軟件。在早期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，硬件設(shè)計(jì)不考慮軟件問題，只考慮一些硬件特性，而軟件是在硬件開發(fā)完成后，針對(duì)具體的硬件條件編寫的，所以當(dāng)硬件更新后，軟件就不能用了，必須重新編寫。自從IBM360系列推出后，硬件與軟件設(shè)計(jì)開始相互影響，硬件設(shè)計(jì)要考慮軟件的繼承性，軟件設(shè)計(jì)要考慮充分發(fā)揮硬件特性及通用性。目前CPU的設(shè)計(jì)一定要考慮當(dāng)今的軟件技術(shù)，以更好地配合軟件來發(fā)揮CPU的效用，反之也一樣。如在2005年，軟件技術(shù)成熟了，已支持雙內(nèi)核CPU的運(yùn)行，于是人們推出臺(tái)式機(jī)的雙內(nèi)核CPU，而雙內(nèi)核CPU技術(shù)早就用在了高端服務(wù)器上，只不過這些軟件只適合在服務(wù)器上運(yùn)行。臺(tái)式機(jī)的雙內(nèi)核CPU一定要有軟件支持，否則它與單內(nèi)核CPU沒有什么區(qū)別，因此各軟件開發(fā)商必須提早設(shè)計(jì)并行執(zhí)行軟件，以適應(yīng)雙內(nèi)核CPU；而臺(tái)式機(jī)的雙內(nèi)核CPU也一定要在多數(shù)軟件支持它的時(shí)候被推出，否則就是浪費(fèi)。上一頁(yè)返回1.3 超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展史超級(jí)計(jì)算機(jī)是指某一時(shí)期性能最好的計(jì)算機(jī)。第四代計(jì)算機(jī)從1973年到現(xiàn)在已四十幾年沒有再向前發(fā)展，原因是第五代計(jì)算機(jī)要求智能化，這在短期內(nèi)是無法實(shí)現(xiàn)的，而超級(jí)計(jì)算機(jī)多出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代（超大規(guī)模集成電路出現(xiàn)）以后，已經(jīng)歷了五代。在超大規(guī)模集成電路出現(xiàn)前，沒有真正意義上的超級(jí)計(jì)算機(jī)。另外，超級(jí)計(jì)算機(jī)不能超越時(shí)代去比較，如現(xiàn)在的IntelP4CPU就比第二代超級(jí)計(jì)算機(jī)快幾十倍。下一頁(yè)返回1.3 超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展史計(jì)算機(jī)自問世以來，一直采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，超級(jí)計(jì)算機(jī)也沿用該體系向前發(fā)展，其大致經(jīng)歷了以下五個(gè)階段：第一代，早期的單處理器系統(tǒng)。比如ENIAC、UNIVAC、CDC7600、IBM360等，都是當(dāng)時(shí)最好的計(jì)算機(jī)，CPU由一個(gè)大機(jī)柜組成，而不是現(xiàn)在的CPU芯片（沒有出現(xiàn)超大規(guī)模集成電路）。它們只是計(jì)算機(jī)的雛形，但是當(dāng)時(shí)堪稱第一代超級(jí)計(jì)算機(jī)。第二代，向量處理系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末、80年代初，向量處理機(jī)（VectorProcessor）成為當(dāng)時(shí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的主流，在商業(yè)上取得很大成功。其代表機(jī)型有Cray-1、C90、T90、NEC-Sx2、XMP和中國(guó)的“銀河一號(hào)”等，稱為第二代超級(jí)計(jì)算機(jī)。Cray-1首次引入了流水線概念，給后來的RISC體系結(jié)構(gòu)一個(gè)重要啟發(fā)，有關(guān)向量處理系統(tǒng)在本書最后有詳細(xì)介紹。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3 超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展史第三代，大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（MassivelyParallelProcessor，MPP）。它是多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的高性能CPU，由幾十臺(tái)，甚至幾千臺(tái)計(jì)算機(jī)組成一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)，并使用高性能專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接，屬于分布式體系結(jié)構(gòu)。以IBMSP2、IntelOptionRed、CrayT3E和中國(guó)的“曙光3000”等為代表，稱為大規(guī)模并行處理系統(tǒng)