2024/3/181第1章計算機系統概論2024/3/182本章學習內容計算機的發展歷史計算機系統的硬件組成計算機的軟件系統計算機系統的組織結構計算機的特點和性能指標計算機的分類與應用2024/3/183問題世界上第一臺電子計算機？計算機硬件、軟件的發展及趨勢？硬件和軟件的關系？計算機普遍采用的結構原則/設計思想？計算機硬件的有效連接方式？主要性能指標？電子計算機分類按其信息的表示形式和處理方式分類：

電子模擬計算機以連續變化的量即模擬量表示數據，通過電流或電壓的物理變化過程實現運算。受到元器件精度的影響，使其運算精度較低，解題能力有限，信息存儲困難，因而應用面窄。

電子數字計算機以離散量即數字量表示數據，應用算術運算法則實現運算。由于具有很強的邏輯判斷功能、龐大的存儲能力，以及計算、模擬、分析問題、操作機器、處理事務等能力，因而得到了極其廣泛的應用。電子計算機的誕生第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）于1946年在美國誕生。①每秒5000次加法運算；②每秒50次乘法運算；③平方和立方計算；④Sin和Cos函數數值運算；⑤其它更復雜的計算。5十進制運算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動開關和拔插電纜來編程1955年退役電腦始祖

—馮·諾依曼馮·諾依曼提出“愛達法”(EDVAC)，離散變量自動電子計算機(ElectronicDiscreteVariableComputer)改進方案：一是用二進制代替十進制，進一步提高電子元件的運算速度；二是存儲程序(StoredProgram)，即把程序放在計算機內部的存儲器中，把程序本身當作數據來對待。1945年6月，他寫了一篇題為《關于離散變量自動電子計算機的草案》的論文，第一次提出了在數字計算機內部的存儲器中存放程序的概念，這是所有現代電子計算機的范式，被稱為“馮·諾依曼結構”。按這一結構建造的電腦稱為存儲程序計算機(StoredProgramComputer)，又稱為通用計算機。72024/3/1881.1計算機的發展歷史

1.1.1更新換代的計算機硬件1.

電子管時代（20世紀40年代中期～50年代中期）2.晶體管時代（20世紀50年代末期～60年代中期）3.中、小規模集成電路時代（20世紀60年代中期～70年代中期）4.超大規模集成電路時代（20世紀70年代中期～90年代初期）5.超級規模集成電路時代（20世紀90年代初期～目前）代硬件技術速度（次/秒）一電子管40,000二晶體管200,000三中小規模集成電路1,000,000四大規模集成電路10,000,000五超大規模集成電路100,000,000小規模集成電路SSI10-100個元件或1-10個邏輯門中規模集成電路MSI100-1000個元件或10-100個邏輯門大規模集成電路LSI10^3-10^5個元件或100-10000個邏輯門超大規模集成電路VLSI10^6-10^7個元件或10000個邏輯門特大規模集成電路ULSI10^7-10^9個元件巨大規模集成電路GSI10^9個以上元件2024/3/1810電子管時代（1946～1959）運算速度：5千～4萬（次/秒）在電子管時代，計算機以電子管作為基本邏輯單元，主存儲器采用汞延遲線、磁鼓等材料，數據用定點表示。我國有:103機、104機、119機11第一臺VonNeumann系統結構的計算機12晶體管時代（1957～1964）運算速度：幾十萬～百萬（次/秒）晶體管時代的計算機主要以晶體管代替電子管作為基本邏輯元件，主存儲器由磁芯構成，引入了浮點運算硬件加強科學計算能力。我國推出：DJS-5機、DJS-121機、DJS-108機中小規模集成電路時代

（1965～1975）

運算速度：百萬～幾百萬（次/秒）13在中小規模集成電路（MSI、SSI）時代，集成電路器件成為了計算機的主要邏輯元件，由半導體存儲器替代磁芯存儲器作為主存儲器。此階段采用多處理器并行結構的大型、巨型機和物美價廉的小型機得到快速發展。本階段典型的計算機有：IBM公司的IBM360系列（1964年）、CDC公司的CDC6600（1964年）和DEC公司的PDP-8（1964年）。我國在此時期也推出了大、中、小型計算機，如150機（1973年）、DJS-130機（1974年，并形成了100系列機）、220機（1973年-1981年，200系列機）和182機（1976年，180系列機）。15超、大規模集成電路時代（1975～1990）運算速度：幾百萬～幾千萬（次/秒）此時半導體存儲器已完全替代了磁芯存儲器，并發展了并行技術、多機系統和分布式計算技術，出現了RISC指令集。2024/3/1816這一階段集成電路的集成度進一步提高，超規模、大規模電路（VLSI、LSI）被廣泛應用于計算機。采用并行技術、多機系統和分布式計算技術、RISC指令集等極大地提高了計算機系統的性能。此時按照計算機性能和規模，劃分出了巨型機、大型機、小型機、微型機和便攜機等不同的類型。巨型向量機、陣列機等高級計算機得到了發展，如美國的Cray-I，我國的YH-I等低檔的微處理器開始面世，并迅速推向社會各個領域和家庭。1978年采用Intel8086微處理器構成的16位微機IBM-PC/XT的面世，真正使得臺式個人計算機走進辦公室和家庭。(此前，有8位的微機，Apple-II,Cromenco,Z80)與此同時，計算機網絡也由實驗研究階段轉入商業市場，推動了計算機信息處理的發展和應用。從而帶動并形成了信息技術產業——IT業。2024/3/1818采用了Intel8080的個人電腦Altair88002024/3/1819超級規模集成電路時代（1990～）

運算速度：幾千萬億～幾萬萬億（次/秒）采用超大、甚大規模集成電路（ULSI，ELSI）

超級規模集成電路時代出現了采用大規模并行計算和高性能機群計算技術的超級計算機，如IBM公司的“深藍”計算機就是一臺RS/6000SP2超級并行計算機，它具有256塊處理器芯片。我國的YH-III（大規模并行處理，128個CPU，1997年）、YH-IV（機群技術）巨型機已達到國際水平。2004年，我國的研制開發的超級計算機——曙光4000A進入全球超級計算機500強排行榜的前10名，標志著我國超級計算機技術已跨入了世界前列。202008年超級計算機榜首美國能源部下屬洛斯阿拉莫斯國家實驗室的IBM超級計算機“走鵑”（Roadrunner）以每秒1.105千萬億次的浮點運算速度再度蟬聯榜首。2008年超級計算機第十曙光5000A高性能計算機采用最新的四核AMDBarcelona(主頻2.0GHz)處理器，采用基于刀片架構的HPP體系架構，共有約30000顆計算核心，大于100TB海量內存，700TB數據存儲能力，采用低延遲的20Gb的網絡互聯，其設計浮點運算速度峰值為每秒230萬億次，Linpack測試速度預測將達到160T。222009年超級計算機榜首美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的Cray“美洲豹”JaguarXT5系統以每秒1.759千萬億次(petaflop/s)的運算速度，在全球超級計算機500強排行榜中首度折桂。美洲豹的科學應用

1：極端氣候模擬

2：超新星研究

3：生命和半衰期

4：從光合作用到新燃料

5：聚變加速

6：模仿火山爆發應激氣候最快的五臺超級計算機（截止2009.11）（1）Cray公司:“美洲豹”(Jaguar)

224162個CPU最大平均速度1.759PFlops(1015)（2）IBM:“走鵑”(Roadrunner)130536個CPU最大平均速度1.105PFlops(1015)（3）Cray公司：“海妖”(Kraken)98928個CPU最大平均速度831.70TFlops(1012)（4）德國：“尤金”(JUGENE)292000個CPU最大平均速度825TFlops(1012)（5）國防科大：天河一號(Tianhe-1)71680個CPU最大平均速度563.10TFlops(1012)2009年超級計算機第五由中國國防科大研制的“天河一號”超級計算機以實測速度每秒563.1萬億次位列世界第五、亞洲第一，這也是中國超級計算機2009前獲得的最高名次。對比2003年最快的超級計算機（2003.06）（1）IBM:Seaborg 6080個CPU最大平均速度7.304TF(1012)2010年超級計算機榜首(2010.11)中國國防科學技術大學研制的“天河一號”超級計算機排名第一，美國橡樹嶺國家實驗室的“美洲虎”和中國曙光公司研制的“星云”緊隨其后，其他排名前十的超級計算機分別位于日本、法國、德國和美國。“天河一號”2010年在中國國家超級計算天津中心安裝部署，升級后的實測運算速度可達每秒2570萬億次；排名第二的“美洲虎”超級計算機實測運算速度可達每秒1750萬億次；排名第三的“星云”計算機實測運算速度達到每秒1270萬億次。超級計算機——天河一號運算速度“天河一號”峰值運算速度為每秒4700萬億次。做個換算對比：“天河一號”運算1小時，相當于全國13億人同時計算340年以上的時間；“天河一號”運算1天，相當于1臺雙核的高檔桌面電腦運算620年以上的時間。存儲容量“天河一號”存儲容量為兩千萬億個字節。做個換算對比：一個漢字平均為兩個字節，“天河一號”可在線存儲一千萬億個漢字，相當于存儲100萬漢字的書籍10億冊。2011超級計算機榜首升級完畢的日本“京”(KComputer)成為人類歷史上第一臺計算能力跨越1億億次每秒的計算系統。在日語中，“京”是一個計量單位，代表1萬萬億。“京”仍舊完全基于傳統處理器，沒有使用GPU加速。配備了88128顆富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心處理器。除用于模擬演算地震、海嘯、臺風等地球科學及有關宇宙形成的研究外，“京”還將運用于新材料、醫藥用品、汽車及飛機的研發等工作。2011超級計算機榜首2011超級計算機亞軍——

天河一號A最大性能只有“京”的24.4％。事實上，除了一路狂奔的“京”之外，從第二名到到第十一名都沒有多少變化。從超算分布的國家來看，最近兩年增長最快的國家無疑是中國，兩年時間，中國入圍超算總數從2010年11月的24臺猛增至如今的74臺，平均增長率超過45%。美國作為當今唯一的超級大國，在入圍超算數量上也保持了一如既往的霸氣，始終占據著TOP500的半壁江山，其他國家望塵莫及。2012年6月超級計算機排名第一名：紅杉(Sequoia)超級計算機，美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

使用紅杉來研究美國核威懾武器的安全性和可靠性2012年6月超級計算機排名第二名：K超級計算機，日本理化學研究所高級計算科學研究所(AICS)第三名：米拉(Mira)超級計算機，伊利諾伊州阿爾貢國家實驗室第五名：天河-1A，天津國家超級計算中心第十名：星云(Nebulae)，中國深圳2012年11月TOP500強Cray公司的超級計算機Titan以17590TFlop/s的運算速度奪冠，IBM的Sequoia以16324.8TFlop/s的速度奪得亞軍，曾經位列榜首的KComputer以10510TFlop/s屈居第三位。曾在2010年位列榜首的中國最快的超級計算機天河-1A，以2566TFlop/s的運算速度排在第八位。Top10超級計算機中，有5臺來自美國，德國2臺，中國、意大利與日本各1臺。在整個TOP500榜單中，251臺來自美國，72臺來自中國。按照平臺來劃分，Top500超級計算機中76%來自Intel，12%來自AMD，10%來自IBM。2013年6月超級計算機排名1天河二號是由中國國防科技大學開發的超級計算機，今年以持續計算速度每秒3.39億億次的優越性能位居榜首。部署在廣州的國家超級計算機中心。2泰坦是一臺安裝在美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實驗室CrayXK7系統的超級計算機。最節能的系統之一。3紅杉是安裝在美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的一臺IBM藍色基因/Q系統超級計算機。10天河-1A，中國天津的國家超級計算中心。2013年11月前三甲分別為中國天河二號、橡樹嶺國家實驗室的泰坦、和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的紅杉。天河二號是由中國國防科技大學開發的超級計算機，今年以持續計算速度每秒3.39億億次的優越性能位居榜首。天河二號有16,000個節點，每個節點兩個IntelXeonIvyBridge的處理器。2014年6月

天河二號以比第二名美國“泰坦”快近一倍速度獲得冠軍除了助力探月工程、載人航天等政府科研項目外，天河二號目前已經逐漸應用于民用領域，比如石油勘探、汽車飛機的設計制造、基因測序等。傳統手段研發新車，一般要經過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進行模擬，只需3到5次實車碰撞、兩個月即可實現。中國商用飛機設計有限公司北京研究中心利用約2.4萬CPU核開展了大型民機全參數氣動優化設計，在天河二號計算6天，完成了其自身計算平臺約需2年的工作量，極大地提高了優化工作效率。華大基因使用的生物信息軟件能迅速在天河二號上運行，不需要再另外進行編程；同時天河二號強大的計算能力，可以快速滿足華大基因海量基因數據分析所需的計算資源，節省大量分析時間。但是能耗很高，應用軟件缺失。2014年11月1、中國“天河二號”超級計算機（浮點運算速度為每秒33．86千萬億次）2、美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的“泰坦”（每秒17．59千萬億次）3、美國勞倫斯－利弗莫爾國家實驗室的“紅杉”（每秒17．17千萬億次）4、日本理化研究所的“京”（每秒10．51千萬億次）5、美國阿爾貢國家實驗室的“米拉”（每秒8．59千萬億次）。2015年6月中國“天河二號”連續第五屆拔得頭籌，進一步刷新了歷史記錄。天河二號已經進入穩定應用期，正為我國各行各業的計算提供超高加速能力，系統本身已經不再有什么變化，性能方面還是最大33.83PFlops(千萬億次浮點計算)。使用了Intel至強E5-269212核處理器及XeonPhi31S1P加速卡，總計擁有312萬個核心，整機功率也達到了17808千瓦。由于經濟、技術等各方面的原因，如今的頂級超算已經進入了停滯期，這一次前六名都沒有任何變化，而半年前更是前九名都巋然不動。2024/3/18462016全球超級計算機500強

/2016年6月20日，在德國法蘭克福召開的“2016國際超級計算大會”上，由國家并行計算機工程技術研究中心研制的“神威?太湖之光”超級計算機系統最新一屆世界超級計算機500強排行榜上擊敗占居榜首3年的“天河2號”位居第一。在這之前天河二號自2013年6月以來，已連續6次位居世界超算500強榜首。

2024/3/1847神威?太湖之光超級計算機2024/3/1848神威?太湖之光技術參數運算速率：125.4PFLOPS

（理論峰值）

93PFLOPS（實際峰值）

（每秒運算93千萬億次）

整臺“神威?太湖之光”由40個運算機柜和8個網絡機柜組成。共使用了40960塊“申威26010”處理器，采用眾核+CPU架構，計算核心總數達1065萬個。主內存：1.31PB（約1300萬億字節）2024/3/1849神威?太湖之光的能力“神威?太湖之光”一分鐘的計算能力相當于全球72億人口用計算器不間斷計算32年。

2024/3/18501.1.2日臻完善的計算機軟件1.匯編語言階段（20世紀50年代）2.程序批處理階段（20世紀60年代）3.分時多用戶階段（20世紀70年代）4.分布式管理階段（20世紀80年代）5.軟件重用階段（20世紀90年代）6.Web服務階段（21世紀前十年）7.云計算階段（現今全球熱點）2024/3/18511.2計算機硬件系統—個完整的計算機系統由硬件和軟件兩大系統組成。計算機系統硬件系統組成一臺計算機的各種物理裝置以及它們的設計與實現技術軟件系統泛指計算機系統中使用的各種程序和文件1.2計算機系統的硬件組成1.2.1計算機的功能部件首先思考：計算機的基本功能是什么數據加工運算器控制器輸入設備輸出設備主機系統CPU存儲器I/O系統數據保存數據傳送操作控制2024/3/1853計算機硬件系統主要包括計算機的五大部件以及將它們組織成計算機系統的體系結構。2024/3/18541.輸入設備輸入設備的主要功能：將程序和數據以機器所能識別和接受的信息形式輸入到計算機內。常見的輸入設備有：鍵盤、掃描儀、語音輸入設備、手寫筆、觸摸屏、鼠標、數碼攝像設備等。2024/3/18562.輸出設備輸出設備的主要功能：將計算機處理的結果以人們所能接受的信息形式或其它系統所要求的信息形式輸出。最常見的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀、音箱等。計算機的輸入、輸出設備簡稱為I/O設備。2024/3/1858存儲器是計算機的存儲部件，用于存放程序和數據，是計算機存儲信息的核心。存儲器可分為：

主存儲器(也稱內存儲器，簡稱內存、主存)

CPU能夠直接訪問的存儲器

輔助存儲器(也稱外存儲器，簡稱外存、輔存)

CPU不能直接訪問的大容量、速度較慢的存儲器。輔助存儲器幫助主存記憶更多的信息，輔助存儲器中的信息必須調入主存后，才能為CPU所使用。

3.存儲器2024/3/1859主存分為若干個存儲單元。每個單元都有自己唯一的地址編碼。每個主存單元的長度依機器而定。通常是一個字節或字節的若干倍。存儲器的訪問方式⑴按地址進行訪問如果需要對存儲器某個單元進行讀/寫操作，必須首先給出被訪問的存儲單元的地址碼。⑵按內容進行訪問按所需內容對存儲器的多個單元同時進行訪問。能夠進行按內容訪問的存儲器稱為相聯存儲器。2024/3/1860主存的基本的組成2024/3/1861存儲體：存放二進制信息的主體地址寄存器：存放所要訪問的存儲單元的地址碼，由它經地址譯碼找到被選的存儲單元。數據寄存器：主存與其它部件的接口。用于暫存從存儲器讀出(取出)或向存儲器中寫入(存入)的信息?？刂七壿嫞河糜诋a生存儲器操作所需各種時序信號。2024/3/1862運算器是計算機的執行部件，用于完成算術邏輯運算以及對數據的加工處理。運算器的核心是算術邏輯部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。運算器中設有若干寄存器，用于暫存操作數據和中間結果。由于寄存器往往兼備多種用途，如用作累加器、變址寄存器、基址寄存器等，所以通常稱為通用寄存器。4．運算器2024/3/1863運算器的簡單框圖2024/3/1864控制器是整個計算機的指揮中心。用于控制整個計算機系統中的各部件有條不紊地進行工作。計算機控制器是根據事先編好的程序進行指揮的。程序：就是解題步驟，控制器按著事先安排好的解題步驟，控制計算機各個部件有條不紊地自動工作。程序按指令序列的形式存放在存儲器中，控制器依次讀出存儲器中存放的程序指令實施控制。這種工作方式稱為存儲程序方式。5．控制器(CU)重點存儲程序的概念是由美國數學家馮?諾依曼于1946年6月在研究EDVAC計算機時首先提出來的，它奠定了現代計算機的結構基礎。其基本思想如下：（1）計算機由五大部件組成哪五大部件？（2）采用二進制形式表示數據和指令指令是什么？（3）采用存儲程序方式什么是存儲程序？1.2.2馮?諾依曼計算機652024/3/1866JohnvonNeumann2024/3/18671.存儲程序思想馮·諾依曼思想的基本要點：(1)計算機由輸入設備、輸出設備、運算器、存儲器和控制器五大部件組成。

CPU：運算器和控制器的統稱。計算機主機：CPU與主存儲器(內存)的統稱。I/O設備：輸入設備、輸出設備、外存儲器的統稱為計算機的外部設備，簡稱為I/O設備。2024/3/1868(2)采用二進制形式表示數據和指令指令是程序的基本單位，程序是若干指令的有序集合。馮·諾依曼結構計算機中，指令與數據均以二進制代碼的形式同存于存儲器中。兩者在存儲器中的地位相同，均可按地址訪問。

指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼表示指令的操作性質，地址碼表示操作數在存儲器中的位置。2024/3/1869(3)采用存儲程序方式存儲程序方式：在用計算機解題之前，事先編制好程序，并連同所需的數據預先存入主存儲器中。在解題過程(運行程序)中，由控制器按照事先編好并存入存儲器中的程序自動地、連續地從存儲器中依次取出指令并執行，直到獲得所要求的結果為止。存儲程序方式是馮·諾依曼思想的核心，是計算機能高速自動運行的基礎。2024/3/18702.早期的馮·諾依曼計算機

在微處理器問世之前，運算器和控制器是兩個分離的功能部件，加上當時存儲器還是以磁芯存儲器為主，計算機存儲的信息量較少，因此早期馮·諾依曼提出的計算機結構是以運算器為中心的，其它部件都通過運算器完成信息的傳遞。

2024/3/1871早期的馮·諾依曼計算機組織結構圖

2024/3/18723.現代計算機組織結構

隨著微電子技術的進步，人們成功地研制出了微處理器。微處理器將運算器和控制器兩個主要功能部件合二為一，集成到一個芯片里。同時隨著半導體存儲器代替磁芯存儲器，存儲容量成倍地擴大，加上需要計算機處理、加工的信息量與日俱增，以運算器為中心的結構已不能滿足計算機發展的需求，甚至會影響計算機的性能。為適應發展的需要，現代計算機組織結構逐步轉變為以存儲器為中心。

2024/3/18732024/3/1874現代計算機的基本結構仍然遵循馮·諾依曼思想2024/3/18751.3計算機軟件系統

軟件的作用⑴軟件在計算機系統中起著指揮和管理的作用。⑵軟件是計算機用戶和硬件的接口界面。⑶軟件是計算機系統結構設計的主要依據。

在計算機系統中，各種軟件的有機組合構成了軟件系統?；镜能浖到y應包括系統軟件與應用軟件兩大類。2024/3/18761.3.1系統軟件

系統軟件是一組保證計算機系統高效、正確運行的基礎軟件，通常作為系統資源提供給用戶使用。系統軟件主要包括：操作系統語言處理系統數據庫管理系統分布式軟件系統

網絡軟件系統

各種服務程序2024/3/18771.3.2應用軟件

應用軟件是指用戶為解決某個應用領域中的各類問題而編制的程序。應用軟件包括各種科學計算類程序、工程設計類程序、數據統計與處理程序、情報檢索程序、企業管理程序、生產過程控制程序等。由于計算機已應用到各種領域，因而應用程序是多種多樣，極其豐富的。目前應用軟件正向標準化、集成化方向發展，許多通用的應用程序可以根據其功能組成不同的應用軟件包供用戶選擇使用。計算機系統由硬件、軟件兩大部分組成。雖然在一個具體的計算機系統中，硬件、軟件是緊密相關、缺一不可的，但是對某一具體功能來說，可以用硬件實現，也可以用軟件實現，這就是硬件、軟件在邏輯功能上的等效。任何由硬件實現的操作，在原理上，均可用軟件來實現；同樣，任何由軟件實現的操作，在原理上都可硬化由硬件來實現。78硬件、軟件在邏輯功能上等效1.4計算機系統的組織結構79硬件的軟化：將由硬件實現的功能用軟件實現。軟件的硬化：將由軟件實現的功能用硬件實現。固件：載有在用戶環境中不能加以改變的程序及數據的器件。將復雜且常用的程序寫入只讀存儲器就構成了固件。固件從功能上看是軟件，但從形態上看是硬件。例如，PC機中的主板BIOS、顯卡BIOS，網卡BOOTROM等都屬于固件。硬件軟件的功能分配在設計一個計算機系統時，必須根據設計要求、現實技術與器件條件，首先確定哪些功能直接由硬件實現，哪些功能通過軟件實現。這就是硬件、軟件的功能分配。隨著電子技術的發展，可以使軟件逐漸“固化”乃至“硬化”

。所以設計計算機系統時必須首先解決硬、軟件的功能分配問題。80計算機系統的多級層次結構對不同的對象而言，一個計算機系統就成為實現不同語言的、具有不同屬性的機器。根據從各種角度所看到的機器之間的有機關系，可以將計算機系統分為多級層次結構。目的：分清各級層次結構彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構成合理、高效的計算機系統。8182高級語言程序

C＝A＋B匯編語言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL83機器語言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H000100002024/3/18841.4.3計算機硬件系統的組織

如何把五大基本部件互連起來構成計算機的硬件系統，是計算機硬件系統的組織問題。在計算機的五大部件之間，有大量的信息需要傳送，如何實現信息的傳送，取決于數據通路的邏輯結構。早期的計算機往往在各部件之間直接連接傳送線路，數據通路復雜、零亂，控制不便，而且沒有多少擴展余地。2024/3/1885點對點連線的計算機組織2024/3/1886總線結構現在的計算機普遍采用總線結構。1.

總線：一組可為多個功能部件共享的公共信息傳送線路?？偩€規定了計算機組件間規范化的交換數據（data）的方式，以一種通用的方式為各組件提供數據傳送和控制邏輯。2024/3/18872024/3/18882.

總線的使用規定⑴共享總線的各個部件必須分時使用總線發送信息，保證總線上的信息在任何時候都是唯一的。⑵總線上的各個部件可同時接收總線上的信息?？偩€的使用規定，保證了總線上的信息不沖突，且總線上的各部件可以共享總線信息。2024/3/1889按總線的任務分(1)CPU內部總線這是一級數據線，用于連接CPU內部各寄存器和算術邏輯部件。在微型計算機系統中，CPU內部總線也就是芯片內的總線。(2)部件內總線在計算機中各功能模塊插件上芯片之間的總線。屬于芯片間的總線。如內存條、聲卡等插件上的總線。3.總線的分類2024/3/1890(3)系統總線連接系統內各大部件如CPU、主存、I/O設備等的總線，是連接整機系統的基礎。系統總線包括地址總線、數據總線、控制/狀態總線。在微機系統中總線常見的系統總線有：PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等(4)外總線計算機系統之間或計算機系統與其它系統之間的通信總線。外總線往往借用電子工業領域已有的標準。如RS－232串行總線標準。2024/3/1891按總線上信息傳送的方向分(1)單向總線

連接在總線上的部件只能有選擇地將信息進行單向傳送。如地址總線。(2)雙向總線

連接在總線上的任何部件既能通過總線發送信息，也能通過總線接受信息。如數據總線。2024/3/1892按總線上信息傳送的位數分(1)并行總線

一次可以傳送多位二進制信息的總線。如CPU內部的數據總線、地址總線。(2)串行總線

一次只能傳送一位二進制信息的總線。如USB總線。2024/3/1893采用總線結構的好處可以大大減少系統中的信息傳輸線數，減輕發送部件的負載。

可以簡化硬件結構，靈活地修改與擴充系統?？偩€的連接方式單機系統中采用的總線類型(1)單總線結構用一組系統總線把CPU、主存及各種I/O接口連接起來。94優點？缺點？(2)雙總線結構①以CPU為中心的雙總線結構95②面向主存的雙總線結構962024/3/1897(3)三總線結構在面向主存的雙總線結構的基礎上，增加I/O總線，使得CPU與主存、主存與I/O之間均具備獨立的信息傳輸通路。2024/3/1898常見的三總線結構2024/3/1899多總線結構2024/3/18100總線結構主要用于微、小型計算機中。對于中型、大型計算機系統的構成，主要著重于系統功能的擴充和效率的提高。為了增強系統功能，必然要配置更多的硬件資源和軟件資源。

由于I/O設備的增多使I/O處理成為又一個十分突出的問題。許多I/O設備由于具有機械動作，其工作速度遠比CPU的速度低，因此，如何解決速度匹配問題，使CPU與I/O操作盡可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成為系統結構中的一個關鍵問題，為此提出了“通道”的概念。

通道通道是一種具有處理機功能的專門用來管理I/O操作的控制部件。具有通道的計算機系統通常采用四級連接方式。通道結構具有較大的變化和擴展余地101

能自動連續地工作運算速度快運算精度高具有很強的存儲能力和邏輯判斷能力通用性強1.5計算機的特點和性能指標

計算機的特點102計算機的性能指標基本字長：參與運算的數的基本位數

主存容量：K、M、G、T、P運算速度所配置的外部設備及其性能指標系統軟件配置1041.基本字長字長是硬件組織的基本單位，它決定著寄存器、ALU、數據總線的位數，因而直接影響著硬件成本。字長標志著運算精度。

10i=2j,要保證i位十進制數的精度，至少要采用3.3倍i位二進制數的位數，否則精度難以滿足要求。為了適應不同應用需要，兼顧精度和硬件成本，許多計算機都允許變字長運算，例如雙字長運算。常用的字長單位是字節（8位二進制數位）。字長通常是字節的倍數。2024/3/181052.主存容量主存儲器所能存儲的最大信息量稱為主存容量。CPU需要執行的程序和要處理的數據都存放在主存中。主存容量大，就可以運行比較復雜的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的軟件支撐環境。所以，計算機的處理能力在很大程度上取決于主存容量的大小。2024/3/18106通常以字節數表示主存容量，如4MB，表示可存儲4M(1M＝1024K)個字節。在以字為單位的計算機中常用字數乘以字長表示主存容量，如512K×32位。1K＝210＝10241M＝220＝210K

＝1048576（兆）1G＝230＝210M＝220K

＝1073741824（吉）1T＝240＝210G

＝220M＝230K

＝1099511627776（太）1P

＝250

＝1125899906842624（皮）2024/3/18107由于計算機執行不同的操作所需時間可能不同，因而對運算速度的描述常采用不同方法。①以加法指令的執行時間為標準來計算。

例如DJSl30機一次加法時間為2μs，所以運算速度為50萬次/s。②根據不同指令在程序中出現的頻度，乘上不同的系數，求得系統平均值，得到平均運算速度。③具體指明每條指令的執行時間。3.運算速度2024/3/18108大、中型機常使用每秒平均執行的指令條數(IPS)作為運算速度單位。如：MIPS(每秒百萬條指令)

MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)。2024/3/18109隨著計算機性能的提高，運算速度的單位也隨之增高。MFLOPS(megaFLOPS)

：

每秒百萬(106)次的浮點運算

GFLOPS(gigaFLOPS)

：

每秒10億(109)次的浮點運算

TFLOPS(teraFLOPS)

：

每秒萬億(1012)次的浮點運算

PFLOPS(petaFLOPS)：

每秒千萬億(1015)次的浮點運算

2024/3/18110MIPS的計算例：設某計算機的主頻為400MHz，平均每條機器指令的執行時間為2個時鐘周期。在執行一段具有129500條機器指令的程序時，該機的MIPS值是多少？答：∵已知：IN＝129500；TE＝129500×2×1/400MHz∴2024/3/18111微型機常用主時鐘頻率反映速度的快慢。如以Intel系列的CPU為核心的微機系統的時鐘頻率就從4.77MHz直到目前的4GHz甚至更高。主頻和實際的運算速度數值關系？2024/3/18112目前還沒有一個確定的公式能夠定量主頻和實際的運算速度兩者的數值關系。因為CPU的運算速度不僅取決于主頻，而且還與要看CPU的系統結構（架構）有關。如流水線的性能指標、緩存、指令集，CPU的位數等等。計算機系統的速度需要將主頻和架構綜合起來考慮。CPU時鐘周期CPU時鐘周期是一個時間的量，主頻的倒數就是CPU時鐘周期，這是CPU中最小的時間元素。每個操作至少需要一個時鐘周期。CPU的主頻是CPU內核工作的時鐘頻率，一般以MHz或GHz為單位。CPU的主頻表示在CPU內數字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關系。主頻和實際的運算速度存在一定的關系（在同一個系列計算機中，在同樣條件下，主頻越高，速度越快），但目前還沒有一個確定的公式能夠定量兩者的數值關系，因為CPU的運算速度還要看CPU的架構、CPU的流水線各方面的性能指標（緩存、指令集，CPU的位數等）。吞吐量、響應時間吞吐量是指流入、處理和流出系統的信息的速率。它取決于信息能夠多快地輸入內存，CPU能夠多快地取指令，數據能夠多快地從內存取出或存入，以及所得結果能夠多快地從內存送給一臺外圍設備。這些步驟中的每一步都關系到主存，因此，系統吞吐量主要取決于主存的存取周期。在一個評價期間內，計算機系統完成的所有工作負載稱為吞吐量。響應時間指用戶輸入一個作業（或事務）至輸出開始之間的間隔時間。周轉時間指用戶開始輸入一個作業（或事務）至輸出結束之間的間隔時間。響應特性是實時處理和分時處理計算機系統的重要性能指標。執行時間CPI（CyclePerInstruction，每條指令執行需要的時鐘周期數）指CPU的指令時鐘數。表示每條計算機指令執行所需的時鐘周期數。由于不同指令的功能不同，造成指令執行時間不同，即指令執行所用的時鐘數不同，所以CPI應該是一個平均值。CPU執行時間是指CPU全速工作時完成某進程所花的時間，