1、概述,微型計算機原理及應用,主編：李繼燦,清華大學出版社,陳竹敏 山東大學 軟件學院,2,微機計算機原理講什么?,房屋 = f(水泥,沙子,鋼筋,石子,.),=,+,+,微型計算機=?,3,微機發(fā)展概況,計算機的發(fā)展概況 大致經(jīng)歷了電子管晶體管集成電路LSIVLSI幾個階段。 第一臺電子數(shù)字計算機 ENIAC 1946年誕生于美國賓夕法尼亞大學。 采用電子管器件，插接線控制。 第一臺存儲程序計算機 EDSAC 1949年誕生于英國劍橋大學。 電子管器件，磁線圈儲存。 第一臺晶體管計算機 TRADIC 1954年誕生于美國貝爾實驗室。 晶體管器件，磁芯儲存。 第一個微處理器 4004 1971年

2、誕生于美國Intel公司。 約集成2300個晶體管，字長4位，內(nèi)存空間640B，主頻108 KHz。,4,計算機技術的發(fā)展,自1946年以來，計算機在60年中有了驚人的發(fā)展 性能 (加法)速度提高了5個數(shù)量級 計算機性能以大約35%/年的速度提高 價格 今天$1,000的機器相當于60年代中$1,000,000的機器 相同性能計算機的價格比，改善了個數(shù)量級。,5,指數(shù)增長的世界,網(wǎng)絡 vs. 計算機性能 處理器速度 每18個月翻一番 存儲密度 每12個月翻一番 網(wǎng)絡速度 每9個月翻一番 1986 to 2000 (數(shù)量) 計算機: x 500 網(wǎng)絡: x 340,000 2001 to 201

3、0 計算機: x 60 網(wǎng)絡: x 4000,6,1965 年Gordon Moore (Founder of Intel)觀察到在一個芯片上集成的晶體管數(shù)每1年增長1倍. 到現(xiàn)在一直是這樣。,晶體管數(shù)/芯片,1億,7,摩爾定律（1979年）,假設芯片價格保持不變，則微處理器芯片上的晶體管數(shù)，每隔18-24個月便翻一番 假設微處理器價格保持不變，則微處理器速度每隔18-24個月便翻一番 假設微處理器速度或芯片內(nèi)存儲器容量不變，則微處理器芯片價格每18-24個月將降低約48%,8,摩爾定律即將終結(jié),經(jīng)濟成本問題 多核微處理器等最前沿的芯片可能還會出現(xiàn)指數(shù)級的增長。但是，日常應用并不需要最新的物理

4、設計。今天，僅僅高端的芯片制造商能夠負擔下一代芯片的研發(fā)和設計所需要的高昂成本，更不用說制造這些芯片了。 技術問題 隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面的芯片測試變得十分艱難。 當芯片上線條的寬度達到納米數(shù)量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質(zhì)的變化，現(xiàn)行工藝的半導體器件不能正常工作。 芯片的耗能和散熱問題：2015年，芯片表面就會與太陽的表面一樣熱 -將為云計算的發(fā)展帶來契機！,9,ENIAC(艾尼亞克)背景,最早的計算機 Electronic Numerical Integrator And Computer (電子數(shù)字積

5、分計算機) Eckert (總工程師，年僅24歲) and Mauchly 1943開始，1946完成，1955年終止 賓夕法尼亞大學 二戰(zhàn)期間，軍方要求為陸軍炮彈部隊提供6張火力表以便對導彈的研制進行技術鑒定 如果雇用200多名計算員加班加點工作大約需要二個多月的時間才能算完一張火力表,10,ENIAC,11,ENIAC-技術細節(jié),長30.48米，寬1米，占地面積170平方米，30個操作臺，重達30噸 耗電量150千瓦 據(jù)說，每當它開機時，費城西區(qū)的電燈黯然失色(功率過大) 造價48萬美元 17468真空管；7200水晶二極管；1500中轉(zhuǎn)；70000電阻器；10000電容器；1500繼電器

6、；6000多個開關 每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是當時繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍,12,目前世界上最快的計算機,Top500 in World 世界最快的500臺計算機系統(tǒng) 2010年6月 No1: Cray XT5-Jaguar(美洲虎) 1759萬億次/秒 No2: Nebulae曙光星云(深圳超算中心) 1271萬億次/秒 No3: IBM Roadrunner(走鵑) 1042萬億次/秒 No7: 天河一號 (天津超級計算中心) 563.1萬億次/秒 Top100 in China 中國最快的100臺計算機系統(tǒng) 2009年11月

7、 No1:天河一號 國防科學技術大學 563.1萬億次/秒 No2:上海超級計算中心 曙光 180萬億次/秒 No3:中科院超級計算中心 聯(lián)想 106萬億次/秒 No47:TS10000 浪潮 10.197萬億次/秒,13,Top 5,14,國際超級計算機500強排名(TOP500),是美國田納西大學、伯克利NERSC實驗室和德國曼海姆大學一些專家為評價世界超級計算機性能而搞的民間學術活動，每年2次排出世界上實際運行速度最快的前500臺計算機。(6月、11月) 排名的依據(jù)是線性代數(shù)軟件包Linpack的實際測試數(shù)據(jù)，而峰值浮點運算速度作為參考值列出。 Linpack基準測試程序 是一個可以分解

8、和解答線性方程和線性最小平方問題的Fortran子程序集. 于20世紀70年代到80年代初為超級計算機而設計 測試出的最高性能指標作為衡量機器性能的標準,15,16,17,18,19,20,21,22,PFlops 千萬億次浮點指令 TFlops 萬億次浮點指令,80 times,23,24,NO.1 Jaguar美洲虎,2.331Pflops,Cray XT5-HE AMD Opteron Six Core 2.6 GHz,近25萬個內(nèi)核,25,科學應用 首個對極端氣候變化的模擬 輔助超新星研究 生物和半衰期 從光合作用到燃料：新型燃料 聚變加快 火山爆發(fā)模型模擬極端氣候,NO.1 Jagu

9、ar,26,No2 曙光星云-系統(tǒng)結(jié)構(gòu),27,No2 曙光星云-特點,28,No2 曙光星云-應用領域,29,No.3：Roadrunner,30,No.3：走鵲,耗資1.33億美元(IBM說1億美元) 主要用于解決機密軍事問題，以確保美國核武器儲備的持續(xù)發(fā)展，包括模擬核爆炸后零點幾秒的行為狀態(tài) 超過1PFLops到底是什么概念呢？ 粗略地說相當于大約10萬部筆記本。 如果讓全世界60億人每天24小時、每周7天執(zhí)行純手工計算，那么需要46年的時間才能完成Roadrunner一天的工作量。 Roadrunner擁有130536個計算核心，比最初計劃的約1760000個少很多 該超級計算機擁有80

10、TB內(nèi)存、576英里(927公里)光纖、3456個Tri-Blade刀片式服務器節(jié)點 IBM Roadrunner標志著美國超級計算機領域在11年內(nèi)完成了一千倍的跨越，從TFlops進入PFlops時代。(世界第一臺),31,No.4：BlueGene/L,32,33,國內(nèi)TOP100,2002年11月，中國計算數(shù)學學會并行計算分會和中國軟件行業(yè)協(xié)會并行軟件分會發(fā)布了當年的中國TOP50。 2003年11月8日首次發(fā)布了中國TOP100。入選的對象是所有在中國境內(nèi)安裝的前100臺Linpack速度最快的計算機。 2009年11月發(fā)布了最新的中國TOP100。,34,35,36,37,38,39

11、,40,41,42,43,44,45,Top1,46,47,小結(jié),國產(chǎn)歷史上首次出現(xiàn)峰值超過1PFlops的機器！比預期的時間提前了1年！ 排行榜首次出現(xiàn)Linpack效率超過90%的兩套機器，IBM公司的刀片機群和江南所的神威4000A 國產(chǎn)機器（曙光公司）歷史上首次奪得中國，TOP100數(shù)量份額第一名！ 國防科大歷史上首次奪得TOP100第一名和總性能份額第一名！ TOP100總體性能超過2千萬億次（PFlops），中國高性能計算機市場繼續(xù)穩(wěn)步增長； TOP100平均性能突破22萬億次，與國際水平差距仍為1年半,48,功耗與綠色HPC,每個節(jié)點耗電在300到1500瓦之間，而一個機柜耗能在

12、20到30千瓦左右。以百萬億次超級計算機-曙光5000A為例，其采用近7000顆四核處理器構(gòu)建，總內(nèi)存容量超過100TB，存儲容量達700TB，總體功耗達到700千瓦（不含冷卻系統(tǒng)），其每年的電費開銷預期為1000萬元人民幣。其效能雖然在世界目前的高性能計算機里面已經(jīng)相當優(yōu)越的了，但依舊讓我們普通人感到十分震驚。 而一臺持續(xù)千萬億次計算的超級計算機系統(tǒng)每小時需要消耗20兆瓦或更高的電能，其每年的電費開銷也將高達億元人民幣以上 ,49,2020年以前超級計算機發(fā)展趨勢,2000年 每秒10萬億次浮點運算 2005年 每秒100萬億次浮點運算 2009年 每秒100

13、0萬億次浮點運算（Pflop/s） 2013年 每秒1億億次浮點運算 2016年 每秒10億億次浮點運算 2020年 每秒100億億次浮點運算（Eflop/s） 基本上每10年左右性能提高1000倍,50,超級計算機發(fā)展路線圖,2010,2020,2030,2050,51,必須突破并行編程模型,幾十年來由于微處理器一直按照Moore定律預測的性能增長速度爭發(fā)展，使得并行處理得不到強烈的需求牽引，導致以并行計算機為主業(yè)的公司幾乎全部夭折。 單處理器性能的提高遇到阻礙以后，計算機要提高性能基本上只剩下一條路可走依靠并行處理。過去幾十年的編程模式主要的串行，現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)到并行編程，這一迫不得已的轉(zhuǎn)變，

14、對軟件界既是挑戰(zhàn)也是機遇。 未來的微處理器少則幾個十幾個核，多則數(shù)千個核，連每個用戶手中的終端都是多核處理器，如何讓一個任務分解到多個核中運行成為今后編程的大問題。在現(xiàn)有串行編程模型上做并行化沒有出路，一定回到原始問題，從新考慮并行算法和并行編程，這可能是今后幾十年計算機科學和軟件界必須突破的科學問題和關鍵技術。,52,說明,計算機技術五十年的發(fā)展，尤其是近十年的發(fā)展十分迅猛，新概念、新技術不斷涌現(xiàn)，對社會和生活有巨大的影響 計算機應用的廣度和深度日益擴大，概念有所變化： 廣度：信息家電（PDA、手機、MP3等）、嵌入式系統(tǒng) 深度：高性能計算(HPC)、網(wǎng)格計算(Grid Computing)

15、、Web服務(Web Services)、云計算（Cloud Computing）、多核技術(Multicore) 等 軟、硬件技術發(fā)展不均衡 計算機的應用不是簡單的編寫程序，而是解決方案(solution)，集成(Integrated)，標準(Standard) 技術的研發(fā)要從商業(yè)運營模式出發(fā)考慮，才能體現(xiàn)其價值,53,本課程,本課程以Intel 8086微機系統(tǒng)為典型，介紹微型計算機的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及I/O接口技術等。 主要內(nèi)容有： 微處理器結(jié)構(gòu)原理 微機發(fā)展的主要技術 8086的指令系統(tǒng) 存儲器管理 常用I/O接口及系統(tǒng)總線 通過本課程的學習，應掌握微型計算機的基本組成、工作原理及接

16、口技術，具備微型計算機軟件及硬件開發(fā)的能力。,54,課程性質(zhì)與相關課程,微機原理與接口 Computer Principle and Interface 必修的專業(yè)課 介紹微機系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 邏輯組成 工作機制 前期課程： 數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理 后期課程 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng),55,可編程 接口芯片,存儲器,匯編語言程序設計,8086/8088 微處理器,第7章,第4章,第3章,內(nèi)容組織（8章）,輸 入 輸 出,第5章,第6章,微型計算機的基礎知識,第1、2章,高檔 微處理器,第8章,硬件,軟件,56,學習方法,掌握關鍵點 80X86的原理 X86匯編語言 可編程接口 廣泛學習相關知識 掌握計算機原理的原則 把握計算機發(fā)展的方向 認真完成實驗和作業(yè) 參考書和參考材料很重要 學以致用，應用到編程和實踐中 使用Intel編譯器、混合編程等,56,57,主要教材：計算機組成原理 李繼燦 等 清華大學出版社 參考教材： 1、戴梅萼 等，微型計算機技術與應用從16位到32位，清華大學出版社 2、