《計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)》第1章 計(jì)算機(jī)概述

計(jì)算機(jī)概述計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)目錄計(jì)算機(jī)的基本認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及分類計(jì)算機(jī)的基本硬件構(gòu)成計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)第一臺(tái)數(shù)字式多用途計(jì)算機(jī)ENIAC：ElectronicNumericalIntegratorandCalculator時(shí)間：1946年；用途：計(jì)算炮彈彈道美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)3真空管重量面積功耗性能1880030噸100m2150KW5000加法/秒Cpl.IrwinGoldstein設(shè)置功能表開(kāi)關(guān)程序員BettyJeanJennings(左)與FranBilas(右)J.PresperEckert(1919-1995)JohnWilliamMauchly(1907-1980)兩位主設(shè)計(jì)師大型機(jī)時(shí)代：上世紀(jì)50年代~60年代核心技術(shù)：計(jì)算機(jī)4大型機(jī)~Mainframe磁帶機(jī)CPU磁帶機(jī)磁盤(pán)打印機(jī)控制臺(tái)讀卡機(jī)龍頭企業(yè)價(jià)格用戶技術(shù)IBM1M美元大型企業(yè)COBOL，F(xiàn)ortran，分時(shí)OS小型機(jī)時(shí)代：上世紀(jì)70年代核心技術(shù)：集成電路（Integratedcircuits）5小型機(jī)~Minicomputer龍頭企業(yè)價(jià)格用戶技術(shù)Digital，HP10K美元大學(xué)，實(shí)驗(yàn)室C，UNIXPC時(shí)代：上世紀(jì)80年代~2000中期核心技術(shù)：微處理器（Microprocessor）6龍頭企業(yè)價(jià)格用戶技術(shù)Apple，IBM1K美元個(gè)人Basic，Java，WindowsPC~PersonalComputer后PC時(shí)代：2000以后1/2核心技術(shù)：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WirelessNetwork)，ARMCPU7龍頭企業(yè)價(jià)格用戶技術(shù)Motorola，Nokia，Apple，Google500美元個(gè)人iOS，AndroidMotorolaV70360度旋蓋2002NokiaN-Gage全球首款游戲手機(jī)2003AppleiPhone全面定義智能手機(jī)2007后PC時(shí)代：2000以后2/2核心技術(shù)：局域網(wǎng)，寬帶互聯(lián)網(wǎng)8龍頭企業(yè)用戶Amazon，Google，阿里無(wú)法(不愿)負(fù)擔(dān)高端計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備的用戶云計(jì)算重大認(rèn)識(shí)#1：摩爾定律晶體管~transistor芯片的晶體管數(shù)量：每2年翻一番GordonMoore(1929)Intel創(chuàng)始人重大認(rèn)識(shí)#2：局部性與存儲(chǔ)層次局部性：體現(xiàn)了程序內(nèi)在的固有基本規(guī)律存儲(chǔ)層次：應(yīng)用了局部性原理，是性能、容量、成本的設(shè)計(jì)折中DDR-SDRAM，SRAMCPU主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)備輸入/輸出設(shè)備(外部設(shè)備)快小高性能容量單位成本慢大低SRAM~StaticRandomAccessMemory；SDRAM~SynchronousDynamicRAMDDR-SDRAM~DoubleDataRateSDRAM目錄計(jì)算機(jī)的基本認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及分類計(jì)算機(jī)的基本硬件構(gòu)成計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)個(gè)人計(jì)算機(jī)定位：是以較小代價(jià)為個(gè)人用戶提供較高的性能范圍：最為廣泛，如臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦都是PC范疇PC始終是最大的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)之一軟件：辦公軟件、開(kāi)發(fā)軟件、娛樂(lè)軟件、游戲軟件等來(lái)源：/history-of-the-personal-computer/服務(wù)器1/3定位：承載大負(fù)載的任務(wù)，例如科學(xué)計(jì)算、Web訪問(wèn)等軟件：Web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、科學(xué)計(jì)算軟件、模擬系統(tǒng)等應(yīng)用：部署在機(jī)房中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外提供計(jì)算與存儲(chǔ)服務(wù)服務(wù)器~ServerLenovoSystemx3550M5外視圖前視圖：8個(gè)2.5英寸SATA硬盤(pán)內(nèi)部視圖服務(wù)器2/3--服務(wù)器集群服務(wù)器集群：多臺(tái)服務(wù)器聚合在一起，以分布式對(duì)外提供服務(wù)微信、淘寶、新浪等的運(yùn)行平臺(tái)集群~Cluster服務(wù)器3/3--超級(jí)計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)：更大規(guī)模的服務(wù)器集群，聚合的處理器總量大約在10萬(wàn)顆量級(jí)，主要以并行方式提供超級(jí)計(jì)算能力用途：如天氣預(yù)報(bào)、地質(zhì)勘探、核爆模擬、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等超級(jí)計(jì)算機(jī)~SuperComputer，SC中國(guó)芯：申威26010廠商江南計(jì)算技術(shù)研究所指令集64位RISC核心數(shù)260主頻1.45GHz峰值性能3.06TFlop/sCPU數(shù)量：申威26010x40960計(jì)算能力：全球72億人口用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年系統(tǒng)功耗：15.371MW機(jī)柜超節(jié)點(diǎn)x4超節(jié)點(diǎn)運(yùn)算插件x32運(yùn)算插件運(yùn)算節(jié)點(diǎn)x4運(yùn)算節(jié)點(diǎn)申威26010x2嵌入式計(jì)算機(jī)1/2定位：面向特點(diǎn)應(yīng)用，作為一個(gè)子系統(tǒng)被內(nèi)嵌在整個(gè)系統(tǒng)中范圍：最為廣泛，無(wú)所不在冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、數(shù)字電視、汽車、高鐵、飛機(jī)、輪船、衛(wèi)星、4G網(wǎng)絡(luò)、WIFI、機(jī)器人......最大的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)嵌入式計(jì)算機(jī)2/2普遍更重視成本、功耗、可靠性通常不把性能作為首要指標(biāo)某些應(yīng)用中，還非常強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)特性例如視頻播放器實(shí)時(shí)~RealTime目錄計(jì)算機(jī)的基本認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及分類計(jì)算機(jī)的基本硬件構(gòu)成計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的典型硬件組成中央處理器存儲(chǔ)器輸入輸出設(shè)備中央處理器~CentralProcessingUnit，CPUCPUCPU是計(jì)算機(jī)的最核心部件，其功能是能夠執(zhí)行由一組指令構(gòu)成的程序CPU可以抽象為2大部分：數(shù)據(jù)通路、控制器數(shù)據(jù)通路：執(zhí)行指令所需的計(jì)算與存儲(chǔ)的功能部件集合PC：類似于C語(yǔ)言的指針，指向要執(zhí)行的指令A(yù)LU：完成各類計(jì)算，如加減乘除寄存器堆：臨時(shí)性存儲(chǔ)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果控制器：根據(jù)指令控制數(shù)據(jù)通路的各個(gè)部件完成相應(yīng)操作例如加法指令，就需要控制ALU完成加法運(yùn)算程序計(jì)數(shù)器~ProgramCounter(PC)算數(shù)邏輯單元~ArithmeticandLogicUnit(ALU)CPU基本模型CPU現(xiàn)代CPU通常包含cache、MMU為了提高性能，現(xiàn)代主流CPU一般為多核結(jié)構(gòu)每個(gè)核心相當(dāng)于過(guò)去的一個(gè)完整CPU高速緩存~cache存儲(chǔ)管理單元~MemoryManagementUnit(MMU)CPU基本模型現(xiàn)代主流CPU基本結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱主存）：存儲(chǔ)程序以及程序運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生以及需要處理的各種數(shù)據(jù)程序示例：Excel.exe就是一個(gè)程序，平時(shí)是存儲(chǔ)在硬盤(pán)中的；被鼠標(biāo)雙擊后，它就會(huì)被Windows操作系統(tǒng)加載到主存中。數(shù)據(jù)示例：Excel中打開(kāi)的某個(gè)excel文件就是Excel.exe運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)主存主存很多時(shí)候也被稱為內(nèi)存顧名思義，既然有主存和內(nèi)存的概念，那么就有輔存和外存的概念。輔存或外存通常是指硬盤(pán)、光盤(pán)等設(shè)備。從圖11可以看出，它們也屬于輸入輸出設(shè)備范疇。早期計(jì)算機(jī)主存只有幾千字節(jié)的容量。更有甚者，某些計(jì)算機(jī)只有容量極小的主存，而沒(méi)有硬盤(pán)。到本書(shū)成文時(shí)，一臺(tái)普通PC的主存容量通常會(huì)達(dá)到4GB以上，而配置的硬盤(pán)動(dòng)輒都是以TB為單位。巨大的容量使得計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行種類繁多的程序并存儲(chǔ)規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)，極大的增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用面。可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的成功在一定程度上源自存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步。目錄計(jì)算機(jī)的基本認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及分類計(jì)算機(jī)的基本硬件構(gòu)成計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)軟硬件層次結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以劃分為硬件和軟件兩大部分其中，兩者之間的交互界面就是指令集計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：指令集硬件功能被抽象為一組基礎(chǔ)操作，如加法運(yùn)算、減法運(yùn)算等這些操作被稱指令；指令的集合就是指令集計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考從硬件的角度指令集是底層設(shè)計(jì)的需求，也是底層功能的抽象數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件，如Windows、Linux、IOS、Andorid管理計(jì)算機(jī)的軟件和硬件資源為應(yīng)用程序提供豐富的功能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考早期：應(yīng)用程序直接運(yùn)行在硬件上現(xiàn)代：應(yīng)用程序的運(yùn)行離不開(kāi)操作系統(tǒng)提供的各類服務(wù)數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：編譯器/匯編器編譯器把高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C程序）轉(zhuǎn)換為匯編程序，然后調(diào)用匯編器把匯編程序轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制機(jī)器指令，再經(jīng)優(yōu)化等生成可執(zhí)行程序計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考現(xiàn)代應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)離不開(kāi)開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境，其中最重要的是編譯器和匯編器數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：應(yīng)用軟件種類最為繁多，用于滿足用戶的特定需求PC上的各類辦公軟件、游戲、瀏覽器等；服務(wù)器上的各類Web服務(wù)軟件、科學(xué)與工程計(jì)算軟件等；手機(jī)上的微信等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考應(yīng)用軟件是種類最多的程序，用于滿足用戶的特定需求數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：CPU計(jì)算機(jī)硬件中最核心的部件。它執(zhí)行程序的基本原理：從存儲(chǔ)器讀取一條指令；執(zhí)行指令功能；計(jì)算下條指令在存儲(chǔ)器的位置不斷的重復(fù)上述過(guò)程計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)器應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考一般來(lái)說(shuō)，CPU只能執(zhí)行某個(gè)特定的指令集。例如Intel公司生產(chǎn)的CPU就只執(zhí)行X86指令集，ARM公司生產(chǎn)的CPU就只執(zhí)行ARM指令集數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)硬件中第2重要的組成部分今天使用的絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)該稱為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)構(gòu)成程序的指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制數(shù)字的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考一臺(tái)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器通常包含若干層次，不同層次的存儲(chǔ)器在容量上和速度上具有數(shù)量級(jí)差距數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：輸入/輸出系統(tǒng)輸入系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)，輸出系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息從計(jì)算機(jī)輸出如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、無(wú)線網(wǎng)卡計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考只能計(jì)算而無(wú)信息輸入輸出的計(jì)算機(jī)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值數(shù)字電路軟硬件層次結(jié)構(gòu)：微架構(gòu)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是微架構(gòu)CPU這樣的芯片內(nèi)部可以劃分為兩大部分：數(shù)據(jù)通路、控制器其中，數(shù)據(jù)通路又包含一組功能部件，如寄存器堆、運(yùn)算單元等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)數(shù)字電路晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具/環(huán)境編譯器I/O系統(tǒng)軟件硬件匯編器指令集注：大致結(jié)構(gòu)，僅供參考所有的功能部件、控制器等又是由數(shù)字電路組成的軟硬件層次結(jié)構(gòu)：數(shù)字電路數(shù)字電路包括組合電路和時(shí)序電路兩大部分組合電路：具有計(jì)算功能的電路，如與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)等時(shí)序電路：具有存儲(chǔ)功能的電路，如寄存器等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域微電子領(lǐng)域微架構(gòu)(數(shù)據(jù)通路&控制器)數(shù)字電路晶體管CPU存儲(chǔ)應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)工具