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2005 计算机组成与结构 华东师范大学计算机科学技术系 邵 时 sshao@ 本课程学习内容 计算机组成、结构、操作及性能的基本概念 ? 计算机系统结构 ? 计算机组成 ? 计算机实现 本课程学习目标 ? 掌握计算机各部件的基本组成及整机 的结构原理； 掌握计算机软硬件工作原理； ? 学会分析的方法，能对计算机工作原 理进行分析，并得出结论； ? 掌握设计的基本方法，能根据要求进 行一般设计； ? 研究提高计算机性能的方法。 参考书目 ▼ David A.Patterson,John L.Hennessy:Computer Organization and Design The Hardware/ Software Interface,Third Edition ▼ 唐朔飞：《计算机组成原理》，高等教育出版 ▼ William Stallings著，张昆藏等译：《计算机组织与体系结构 性能设计》，清华大学出版社 ▼ 白中英主编: 《计算机组成原理》，科学出版社 §1 计算机概念和技术 §1 计算机概念和技术 1.1 概述 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机的基本结构 1.4 冯.诺依曼计算机结构特点 §1 计算机概念和技术 1.1 概述 1.1 概述 一、计算应用的类型及特征 应用不同，使用的核心硬件技术有所不同，典型的有三类应用 P3图1-1、P4图1-2 桌面电脑 以个人电脑为代表，台式计算是最大的计算机市场之一，计算技术的很多革新由此推出 一、计算应用的类型及特征 服务器 制造服务器的基本技术同台式机，但需要： · 扩展性好 · 计算能力强 · 输入输出方便快捷 · 高可靠性 低端服务器：文件存储、小型商务应用、 简单的Web服务等 高端服务器（超级计算机）： 天气预报、石油勘察、蛋白质结构判定等 一、计算应用的类型及特征 ▼ 超级计算机 功能极其强大，最高速度达上千万亿次 国产典型产品有： 天河一号、星云 Cray-1、-2、-3 银河I、II、III 曙光4000A、5000 全球高性能计算机500强排行榜： / 以实测速度为基准，每年两次公布 中国高性能计算机100强排行榜： ▼ 超级计算机 天河一号 国际TOP500组织2011年11月在网站上公布了必威体育精装版全球超级计算机500强排行榜，中国“天河一号” 雄踞第二。 · 峰值速度4700万亿次，持续速度2570万亿次每秒浮 点运算。运算1小时相当于13亿人同时计算340年， 相当于1台双核高档桌面电脑运算620年以上。 · 存储容量为1千万亿字节，相当于存储100万字的书 籍10亿册。 · 由140个机柜组成，占地面积达700多平方米。 · 满负荷运行的总功耗为4.04兆瓦，即每小时耗电 4040度。在国际绿色超级计算机排名中名列第四。 ▼ 超级计算机 · 操作系统软件采用自主研制的“麒麟”，用户可定制 “私密”空间，安全性很高，是国内唯一通过中国 公安部B2级（最高安全等级）认证的操作系统。 · 主要采用美国公司生产的处理器（已着手国产化研 制，部分已实施）。但内部的互联技术自主研发， 具备最先进水平。互联技术主要涉及处理器之间的 信息流动，对于超级计算机的整体性能起到关键作 用。 ▼ 超级计算机 · 主要特色： 1.结构设计上采用通用CPU和GPU结合的构架。保证在有 限场地、有限资金、有限电源容量的情况下实现高效 计算。中国最先在世界上成功运用了这条技术路线。 2.自主研制的互联通信整套软硬件可以把几万颗微处理 器高效地联系在一起，求解一个问题。如果没有高效 互联，CPU、GPU数量越多，实用性能反而会越低。 “天河”的互联通信系统最核心的是两片芯片，一是路 由器，实现数据交换。传统上是一个大开关，现在单 片上用许多小的交换开关，以实现更强大的数据交换 能力。二是网络接口，有效、合理地分配了通信接口 的软硬件功能，保证了数据能快速进出计算部件，使 多个计算部件协调工作，来求解一个问题。 一、计算应用的类型及特征 嵌入式计算机 嵌入式计算系统被设计用来完成单一的或一组相关的应用，通常被集成在硬件中，作为一个整体系统使用 特点：功耗、成本低，可靠性高，体积 小，实现最低限度的性能要求 广泛用于家用电器和各种智能仪表中 1.1 概述 二、计算机发展历程 ? 历史 第一代：1946年开始，电子管计算机