計算機系統概述計算機組成與體系結構如何計算？數據表示計算對象是什么？運算規則運算的具體方法過程控制如何控制運算完成如何用計算機完成計算？電子數字通用計算機系統電子非電子（機械、機電）量子計算機數字模擬通用專用GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)……計算發展史——電子計算機阿塔納索夫-貝瑞計算機（Atanasoff-BerryComputer，簡稱ABC）1939年，愛荷華州立大學ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，電子數字積分計算機)1945年，賓夕法尼亞大學關于ENIAC1946年2月15日，由美國夕法尼亞大學的物理學家約翰·莫克利（JohnMauchly）和工程師普雷斯伯·埃克特（JPresperEckert）領導研制成功機器中約有18800只電子管，1500個繼電器，70000只電阻及其他各類電氣元件運行時耗電140千瓦，8英尺高，3英尺寬，100英尺長，占用長度超過30米的房間，重量達30噸運算速度：加法5000次/秒，乘法333次/秒ENIAC的典型特征采用十進制；無存儲器，只有20個10位的累加器，至多只能存20個字長10位的十進制數；程序是“外插型”的，即用線路連接的方式來實現的與現代計算機的計算方式相同嗎？計算發展史——未來的計算機超導計算機光計算機量子計算機（quantumcomputer）生物計算機（biologicalcomputer）……電子計算機的發展第一代（1946～1954）電子管(radiotube/electronicvalve)計算機第二代（1955～1964）晶體管(transistor)計算機第三代（1965～1973）集成電路(integratedcircuit,IC)計算機第四代（1974～現在）大規模和超大規模集成電路(LSI/VLSI)計算機摩爾定律Moore’sLaw戈登·摩爾(GordonMoore)，Intel公司的創始人之一最早出現是在1965年4月19日，發表于《電子學》雜志第114頁的摩爾（時任仙童半導體公司工程師）撰寫的文章三個版本集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半相同價格能買到的電腦，性能每隔18個月增加一倍摩爾定律足足保持差不多40年計算機體系結構、組成與實現計算機體系結構（ComputerArchitecture）：計算機體系結構是指那些能夠被程序員所看見的計算機系統的屬性，即概念性的結構與功能特性。計算機組成（ComputerOrganization）：計算機組成是指如何實現計算機體系結構所體現的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的（即程序員不知道的）硬件細節。計算機實現（ComputerImplementation）：指計算機組成的物理實現。電子計算機的分類電子計算機數字式通用計算機(generalpurposecomputer)巨、大、中、小、微、單板、單片……專用計算機(specialpurposecomputer)IOP、DSP模擬式專用計算機數字信號處理,DigitalSignalProcess,DSP協處理器,coprocessor圖形處理器,GraphicsProcessingUnit,GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)微型計算機發展最快的，普及最廣泛的一類計算機以微處理芯片為代表微型計算機發展的里程碑第一塊微處理器芯片Intel4004第一臺商用微型計算機Altair88001976年，SteveJobs和SteveWozniak創建了蘋果計算機公司1981年，IBM的PC系列/微軟的崛起/微型計算機的分類microcomputerserverworkstationpersonalcomputerlaptoptablet……我們常用的是哪種？它們之間有什么區別嗎？SupercomputerTOP500SupercomputerSites/TheTOP500projectwasstartedin1993toprovideareliablebasisfortrackinganddetectingtrendsinhigh-performancecomputing.Twiceayear,alistofthesitesoperatingthe500mostpowerfulcomputersystemsisassembledandreleased.ThebestperformanceontheLinpackbenchmarkisusedasperformancemeasureforrankingthecomputersystems.普林斯頓結構馮·諾伊曼結構（VonNeumannarchitecture），也稱馮·紐曼模型（VonNeumannmodel）普林斯頓結構（Princetonarchitecture）結果程序輸入設備輸出設備存儲器運算器控制器結果程序輸入設備輸出設備運算器存儲器控制器哈佛結構哈佛結構（Harvardarchitecture）是一種將程序指令儲存和數據儲存分開的存儲器結構非馮?諾依曼計算機在馮?諾依曼體制范疇內，對傳統馮?諾依曼機進行改造流水線用多個馮?諾依曼機組成多機系統，支持并行算法結構多核心處理器多處理機系統從根本上改變馮?諾依曼機的控制流驅動方式CPU(CentralProcessingUnit)GPU(GraphicsProcessingUnit)TPU(TensorProcessingUnit)NPU(NeuralnetworkProcessingUnit)BPU(BrainProcessingUnit)DPU(DeeplearningProcessingUnit)計算機系統計算機系統由硬件（子）系統和軟件（子）系統組成計算機的硬件：由電子、機械和光電元件等組成的各種部件和設備計算機的軟件：指安裝在計算機系統中的程序和有關的文件計算機系統組成計算機軟件Software指計算機系統中的程序及其文檔，程序是計算任務的處理對象和處理規則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料分類系統軟件：負責管理計算機系統中各種獨立的硬件，使得它們可以協調工作應用軟件：為了某種特定的用途而被開發的軟件計算機軟件著作權保護1991年，《計算機軟件保護條例》匯編語言層操作系統層指令系統層數字邏輯層高級語言層應用層微體系結構層軟件系統硬件系統計算機系統層次結構硬件和軟件的邏輯等價性硬件和軟件在邏輯上是等價的任何由軟件實現的操作都可直接由硬件來完成的任何由硬件實現的指令都可由軟件來模擬根據當時的成本、速度、可靠性等因素來決定的，并且會隨著計算機技術的發展趨勢和計算機應用范圍的變化而改變硬件與軟件的發展變化早期硬件成本高硬件是計算機系統設計考慮的核心問題軟件為硬件服務，研究如何發揮硬件優勢后期軟件開發成本持續升高硬件設計圍繞如何對軟件的優化提供支持操作系統優化編譯器（高級語言）優化主要技術與性能指標計算機字長(WordSize)CPU速度主頻(ClockSpeed,ClockRate)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)MFLOPS(MillionFloating-pointOperationsperSecond)CPI(ClockcyclePerInstruction)存儲容量內存存取周期和外存數據傳輸率I/O設備的入出速度系統互連結構計算機組成與體系結構計算機系統互連結構計算機是由一組相互之間通信的3種基本類型（CPU、存儲器和I/O）的部件或模塊組成的網絡。因此，必須有使模塊連接在一起的通路連接各種模塊的通路的集合稱為互連結構早期使用分散連接，即部件之間使用單獨的連線，連線復雜，影響了CPU的效率在現代計算機系統中，互連結構已成為決定計算機性能的重要因素之一現代計算機系統的互連結構總線和各種多總線結構（包括層次式總線）BusInterconnection現代計算機系統的互連結構點對點互連Point-to-PointInterconnect總線的基本概念總線(Bus)：計算機系統的互聯機構，是連接兩個或多個系統功能部件之間進行數據傳送的公共通路總線的關鍵特征是共享傳輸媒質連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態主方(Master)：可以啟動一個總線周期從方(Slave)：只能響應主方請求總線的分類一個單處理器系統中的總線，大致分為如下幾類：內部總線：CPU內部連接各寄存器及運算部件之間的總線系統總線：CPU同計算機系統的其他具有高速傳輸功能的部件I/O總線：中、低速I/O設備之間互相連接的總線多處理器系統中，還要有通信總線總線特性機械特性：機械特性是指總線在機械連接方式上的一些性能，保證機械上的可靠連接電氣特性：電氣特性是指總線的每一根傳輸線上信號的傳遞方向和有效的電平范圍，確保電氣上正確連接功能特性：功能特性是指總線中每根傳輸線的功能時間特性：時間特性是指總線中的任一條線在什么時間內有效總線性能指標總線寬度標準傳輸率時鐘同步/異步總線復用總線控制方式其他指標總線內部結構數據總線：系統模塊間傳輸數據的路徑成組使用雙向地址總線：指定數據總線上數據的來源和去向成組使用單向控制總線：控制對數據地址線的訪問和使用單獨使用單向/雙向總線連接方式單總線雙總線多總線層間總線單總線雙總線存儲總線系統總線CPUMM接口接口I/OI/O……LocalBus系統總線-I/O總線接口接口接口IOPMMCPUI/OI/OI/O…系統總線I/O總線…傳統總線示例層間/高性能總線示例多總線示例層間總線BridgeMMCacheCPUBridge高速I/O…系統總線高速總線Cache總線高速I/O低速I/O低速I/O低速I/O擴展總線總線標準所謂總線標準，可視為系統與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標準界面對標準總線的要求：支持眾多性能不同的模塊支持批量生產，并要質量穩定、價格低廉可替換、可組合微型計算機常用的標準總線ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線：工業標準結構總線，8位（后來16位）數據線，20位（后來24位）地址線，工作頻率8.33MHzEISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）總線：擴展工業標準結構總線，16或32位數據線，32位地址線，工作頻率8.33MHz，支持Burst方式傳輸數據VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）總線：32位局部總線，連接顯卡、網卡等，最高工作頻率33MHz。沒有嚴格標準，各廠家產品兼容性差，針對80486PCI（PeripheralComponentInterface）總線：外圍部件互連總線（局部總線），V1.0支持33MHz工作頻率，32位地址和數據線互用；V2.1支持66MHz工作主頻，64位地址和數據線互用總線設計要素總線仲裁機制(Arbitration)定時方式(SequentialSystem/Timing)數據傳輸模式(DataTransferType)總線寬度(BusWidth)總線復用方式(Time-DivisionMultiplexing,TDM)

總線仲裁仲裁原則公平性優先級集中式仲裁鏈式查詢方式計數器定時查詢方式獨立請求方式分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器鏈式查詢方式鏈式查詢方式的一種實現計數器定時查詢方式獨立請求方式總線定時同步(synchronoustiming)：事件在總線上的時刻由總線時鐘信號來確定，傳輸頻率較高，適用于各功能模塊速度相差不多的情況。異步(asynchronoustiming)：應答方式或互鎖機制。總線周期長度可變，適用于快速、慢速設備連接到同一總線。同步時序異步時序總線數據傳輸模式讀、寫：總線傳輸的最基本形式，也是所有總線系統都必須支持的傳輸方式成塊傳輸：現代總線具有的特征，可實現與高速設備的信息傳輸讀－修改－寫：主要用于共享存儲器的保護，如進程管理中的PV原語、管程等寫后讀：主要用于數據校驗總線寬度并行(parallel)總線：一次可以傳送多個二進制位串行(serial)總線：一次只能傳送一個二進制位總線復用分時復用常見實例：數據線、地址線復用分時復用優點節省空間和成本分時復用缺點控制電路復雜潛在的性能降低PCI總線PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外設間以及外設與主機間高速數據傳輸而提出來的。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI-SIG

(PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup)/SpecYearChangesummaryPCI1.01992OriginalissuePCI2.01993Incorporatedconnectorandadd-incardspecificationPCI2.11995Incorporatedclarificationsandadded66

MHzchapterPCI2.21998Incorporated

ECNs,andimprovedreadabilityPCI2.32002IncorporatedECNs,errata,anddeleted5voltonlykeyedadd-incardsPCI3.02004Removedsupportfor5.0voltkeyedsystemboardconnectorPCI總線連接示例PCIExpress總線2001年春季的IDF上Intel正式公布PCIExpress(PCIe)，是取代PCI總線的第三代I/O技術，也稱為3GIO，旨在替代舊的PCI、PCI-X和AGP總線標準采用點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬PCIe交由PCI-SIG認證發布后才改名為PCI-Express/PCIExpress1X數據通道PCIExpress拓撲示例PCIExpress協議結構現代微型計算機常用總線比較規格總線寬度時鐘頻率資料速率PCI2.332位33/66MHz133/266MB/sPCI-X1.064位66/100/133MHz533/800/1066MB/sPCI-X2.0（DDR）64位133MHz2.1GB/sPCI-X2.0（QDR）64位133MHz4.2GB/sAGP2X32位66MHz*2=532MB/sAGP4X32位66MHz*4=1.0GB/sAGP8X32位66MHz*8=2.1GB/sPCIe1.0X11位2.5GHz500MB/s（雙工，文稿數據）PCIe1.0X22位2.5GHz1GB/s（雙工）PCIe1.0X44位2.5GHz2GB/s（雙工）PCIe1.0X88位2.5GHz4GB/s（雙工）PCIe1.0X1616位2.5GHz8GB/s（雙工）PCIExpresslinkperformanceVersionIntro-

ducedLinecodeTransfer

rateperlane[i][ii]Throughput[i][iii]x1x2x4x8x161.02003NRZ8b/10b2.5

GT/s0.250

GB/s0.500GB/s1.000GB/s2.000GB/s4.000GB/s2.020075.0GT/s0.500GB/s1.000GB/s2.000GB/s4.000GB/s8.000GB/s3.02010128b/130b8.0GT/s0.985GB/s