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计算机组成原理 The Principle of Computer

计算机组成原理 The Principle of Computer. 主讲 陈付龙. 西北工业大学计算机学院 （ 2007 年 9 月）. 第 1 章 概论. 1.1 计算机的发展历史 1.2 计算机系统的硬件组成 1.3 计算机系统的软件组成 1.4 计算机系统的组织结构 1.5 计算机的特点和性能指标 1.6 计算机的分类与应用. 1.1 计算机的发展历史. 1.1.1 古代计算机. 秘鲁印加人的结绳记事. 结绳记事

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计算机组成原理 The Principle of Computer

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  1. 计算机组成原理The Principle of Computer 主讲 陈付龙 西北工业大学计算机学院 （2007年9月）

  2. 第1章 概论 • 1.1 计算机的发展历史 • 1.2 计算机系统的硬件组成 • 1.3 计算机系统的软件组成 • 1.4 计算机系统的组织结构 • 1.5 计算机的特点和性能指标 • 1.6 计算机的分类与应用 西北工业大学计算机学院

  3. 1.1 计算机的发展历史

  4. 1.1.1 古代计算机 秘鲁印加人的结绳记事 • 结绳记事 • 算盘:中国算盘的发明时间已经提前到二千多年前的西周时期。陕西岐山县西周宫室遗址中出土的90粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色70粒。 老式算盘 陕西岐山县西周宫室遗址出土的陶丸 西北工业大学计算机学院

  5. 1812年差分机 1.1.2 近代计算机 查尔斯·巴贝奇1834年设计的分析机 由许多轮子组成的保存数据的存储库； 运算装置； 能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。 西北工业大学计算机学院

  6. 英国科学家艾兰·图灵 在1936年发表的有关“理想计算机”论文中，第一次提出了一种计算机的抽象模型，该计算机模型现在被大家称作为“图灵机”。 • 建立图灵机（Turing machine）模型，奠定了可计算理论的基础； • 提出图灵测试，阐述了机器智能的概念 西北工业大学计算机学院

  7. 1.1.3 现代计算机 1946年2月由宾州大学研制成功的ENIAC（1955年退役） 电子计算机时代的到来 重达30吨 占地250m2 启动工耗150KW 18000个电子管 保存80个字节 5000次加法/秒 10进制运算 用手工搬动开关和拔插电缆来编程 电子数字积分计算机 Electronic Numerical Integrator And Calculator 物理学家John Mauchly和工程师J.P.Eckert为第二次世界大战中精确快速地计算弹道的轨迹问题而研制 西北工业大学计算机学院

  8. 硬件发展阶段 西北工业大学计算机学院

  9. 电子管时代（1946—1959） • 基本逻辑单元：电子管（真空管） • 主存储器：延迟线、磁鼓 • 数据表示：定点 • 体积庞大，非常耗电，速度慢 • 代表机器： • 冯·诺依曼的IAS（1946） • UNIVAC公司的UNIVAC-I（1951） • IBM公司的IBM701（1953）、IBM704（1956） • 我国的103机、104机、119机 西北工业大学计算机学院

  10. ENIAC 西北工业大学计算机学院

  11. UNIVAC 西北工业大学计算机学院

  12. 晶体管时代（1959—1964 ） • 基本逻辑元件：晶体管 • 主存储器：磁芯 • 数据表示：浮点 • 体积小，功耗低，速度快，可靠性高 • 代表机器： • IBM公司的IBM7090（1959年）、IBM7094（1962年） • 我国的DJS-5（1965年）、DJS-121、DJS-108等 西北工业大学计算机学院

  13. 中、小规模集成电路时代（1964—1975） • 基本逻辑元件：集成电路 • 主存储器：半导体存储器 • 代表机器 • IBM公司的IBM360（1964） • CDC公司的CDC6600（1964） • DEC公司的PDP-8 • 我国的150机（1973）、DJS-130（1974）、220JI 6（1973-1981），182机（1976） 西北工业大学计算机学院

  14. IBM System／360 西北工业大学计算机学院

  15. DEC PDP-8 西北工业大学计算机学院

  16. 超、大规模集成电路时代（1975—1990） • 基本逻辑单元：LSI，VLSI • 主存储器：半导体存储器 • 代表机器： • 巨型机：美国的Cray-I，我国的银河-I,银河-II • 微型机：Intel公司的Intel 8080、 Intel 8086,Apple公司的Apple II,IBM公司的IBM-PC/XT • 单片机：Fairchild公司的F8，Intel公司的MCS-4系列、 MCS-48系列、 MCS-51系列、 MCS-96系列 西北工业大学计算机学院

  17. IBM PC系列机 8088CPU IBM PC机 IBM PC/XT机 IBM PC/AT机 西北工业大学计算机学院

  18. Apple-II 西北工业大学计算机学院

  19. 银河亿次巨型计算机 西北工业大学计算机学院

  20. 银河-II十亿次巨型计算机 西北工业大学计算机学院

  21. 超级规模集成电路时代（1990—现在） • 基本逻辑单元：极大、甚大规模集成电路（ULSI，ELSI） • 代表机器： • IBM公司的RS/6000 SP2 • 我国的银河-III、银河-IV、曙光4000A（2004年全球前10）、中国科学院的“龙芯”、西北工业大学航空微电子中心的“龙腾” • Intel公司的Pentium IV、Itanium II 西北工业大学计算机学院

  22. 曙光4000A 浮点峰值达到11万亿次，存储容量达到42TB 西北工业大学计算机学院

  23. Intel公司的微处理器 Pentium 4 西北工业大学计算机学院

  24. 西北工业大学航空微电子中心 龙腾(Long Tium) 西北工业大学计算机学院

  25. 超级计算机 • 计算机可不仅仅是放在我们桌子上或者大腿上的样子；我们天天讨论的各种硬件，甚至是发烧级的硬件在某些时候看来仅仅就是不入流的小儿科。 • 普通的计算机就已经让我们的生活发生了很大的变化，其实在我们生活的背后还有一些更为强大的超级计算机，默默的让我们的生活发生着更为巨大的变化。 • 在这里先跟大家解释一个名词：Teraflop，万亿次浮点计算。在超级计算领域，浮点计算(flop)是一个缩写，其完整的含意为“每秒浮点计算次数”(FLoating point Operations Per Second)，是一种计算机执行浮点计算能力的衡量标准。万亿次计算即为每秒一万亿次浮点计算。 西北工业大学计算机学院

  26. 目前世界速度最快的10台计算机(www.top500.org)-2007.6目前世界速度最快的10台计算机(www.top500.org)-2007.6 西北工业大学计算机学院

  27. 排名第一的美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室的蓝色基因/L是用于核武器研发的，是IBM公司、利弗莫尔实验室和美国能源部联合制作完成的超级计算机，它由131072颗处理器组成，运算速度达到每秒280.6 teraflop (TFlops)，也就是280.6乘10的12次方（280万亿）次浮点运算。这个数字的概念相当于如果地球上66亿人每人拿一个计算器，每五秒钟作一次简单计算，那么整个星球上的人花60小时所做的计算相当于蓝色基因/L一秒钟做的。 西北工业大学计算机学院

  28. 最近，Blue Gene/L因为执行一项与半个老鼠大脑一样复杂的脑皮层模拟而被进一步关注，半个老鼠大脑拥有800万神经元细胞，每一个细胞与其他神经纤维之间有8000个链接。除此之外，Blue Gene/L通常用来模拟包括蛋白质在内的生物化学过程。 西北工业大学计算机学院

  29. 第三名 • 红色风暴（Red Storm）- Opteron 2.4GHz双核处理器（Gray公司/26544颗AMD Opteron核心） 部署于美国桑地亚国家实验室,是Cray公司和圣地亚国家实验室联合设计的并行处理超级计算机，其主要应用是模拟测试核武器的储备情况，包括设计替换的成分、模拟测试在不同环境下各个部分的情况、帮助武器工程师和科学家进行辅助计算等等。 西北工业大学计算机学院

  30. Red Storm由12960台配备AMD皓龙（Opteron）处理器的节点组成，峰值运算速度能够达到124.42万亿次浮点计算。这台超级计算机仅仅使用了一套小型的Linux操作系统，只具有一些能够支持Red Storm应用的功能。 西北工业大学计算机学院

  31. 全球500强中中国的计算机（13台） 西北工业大学计算机学院

  32. 软件发展阶段 • 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） 西北工业大学计算机学院

  33. 计算机的发展趋势 西北工业大学计算机学院

  34. 西北工业大学计算机学院

  35. 西北工业大学计算机学院

  36. 西北工业大学计算机学院

  37. 西北工业大学计算机学院

  38. 西北工业大学计算机学院

  39. 1.1.4 未来新型计算机 1．光计算机 光子计算机中信息传输的介质是光。电子在固体中最大运动速度是593公里/秒，而光速是30万公里/秒。 光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。 在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。 光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。 西北工业大学计算机学院

  40. 美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子计算机.它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光子计算机与理论上的光子计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力。美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子计算机.它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光子计算机与理论上的光子计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力。 • 一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，但是所需要的条件如温度等仍较为苛刻，尚难于进入使用阶段。 • 由于光学元件具有很高的速度指标，在计算机系统中大规模使用光学元件已经成为一种趋势。 • 专家指出，不出两到三年的时间，就将出现使用光学I/O设备的计算机；最终，采用光纤传导的主板将取代今天的铜导线主板。 西北工业大学计算机学院

  41. 2．生物计算机（分子计算机） 生物计算机在20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片。 分子计算机是以其具有分子并行计算处理的优点，有望成为对目前冯.诺依曼体系结构计算机的一次质的飞跃。目前，对于分子计算机技术，需要解决的主要问题之一是硬件体系构造，其中包括分子介质的选择等。 美国普林斯顿大学的研究人员新近（具体时间自行查找）开发出一种使用ＲＮＡ（核糖核酸）来解 决计算问题的简单的生物计算机，这是分子计算领域取得的新突破。 西北工业大学计算机学院

  42. 科学家研制的RNA计算机实际上是一个含有1024种不同RNA链的试管。科学家研制的RNA计算机实际上是一个含有1024种不同RNA链的试管。 研究者指出，用分子计算来处理某些问题比传统的计算方法更为有效。 将生命活动的指令进行编码的遗传分子DNA和RNA里可储存比常规存储芯片更多的数据。 试管状的生物计算机中含有大量遗传物质片段，每一个片段就是一个微型计算工具，因此生物计算机能够同时进行数千次甚至上百万次计算。 西北工业大学计算机学院

  43. 3．量子计算机 量子计算机是根据量子力学态叠加原理和量子相干原理而设计的，能存储和处理关于量子力学变量的信息，进行量子并行高效计算。 德国慕尼黑技术大学和美国哈佛大学等机构的科学家曾宣布，他们已研制出了五量子位的核磁共振量子计算机，并成功地通过试验计算。 传统计算机用电位的高低表示０和１，进行二进制运算；而量子计算机则基于“量子位”。 二进制位只能用“0”和“1”两个状态表示信息，目前传统半导体制造技术已经接近发展极限，而“量子位”可用粒子的量子力学状态来表示信息。 由于量子世界的不确定性，“量子位”可以包含所有可能数值的不确定状态。因此，量子计算机可以实现电子计算机无法进行的复杂计算。 西北工业大学计算机学院

  44. Isaac L. Chuang是研究小组领导人，领导着来自IBM研究院、斯坦福大学以及Calgary大学的科学家，他说：“预计2020年将是量子计算机的时代，摩尔定律不再实用，集成电路将由分子和原子直接构成。事实上，构成量子计算机的基本元素就是分子和原子。” 西北工业大学计算机学院

  45. Mainframe computing:many persons-one computer Desktop computing:one person-one computer Pervasive computing:one person-many computers 西北工业大学计算机学院

  46. 西北工业大学计算机学院

  47. Pervasive computingUbiquitous ComputingUniversality Computing Mark Weiser (Scientific American ,1991): It is the fusion of the physical world we are living in and the virtual world in the information space,where we can acquire all kinds of digital services transparently anytime and anywhere. 西北工业大学计算机学院

  48. Physical space: Car, house,road, ship,phone,clothes, home appliance, TV,etc. computing fusion storage Binding or Spontaneous interacting search Information space: Internet,PDA, sensor,computer, data,etc. control management browse 西北工业大学计算机学院

  49. Sensor/Actuator Model • Sensor Module • Fusion Module • Actuator Module Internet Sensor Module Actuator Module s1 a1 Fusion Module s2 a2 sm an 西北工业大学计算机学院

  50. 1.2 计算机系统的硬件组成

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