计算机组成ppt

1、西安电子科技大学计算机学院计算机组织与体系结构学时：7820学分：5.5车向泉email: 2计算机组织与结构计算机组织与结构教材：教材：计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构裘雪红等编著，西安电子科技大学出版社，裘雪红等编著，西安电子科技大学出版社，2012.3考核方式：考核方式：笔试（闭卷）笔试（闭卷）综合综合成绩成绩期末考试期末考试60%实验实验20% 期中考试期中考试10%平时成绩平时成绩10%平时成绩：课堂测验，作业情况，到平时成绩：课堂测验，作业情况，到课课情况。情况。3计算机组织与结构计算机组织与结构第第1章章 序论序论第第2章章 计算机系统中的数据表示计算机系统中的数据表示第

2、第3章章 运算方法与运算器运算方法与运算器第第4章章 存储系统存储系统第第5章章 指令系统指令系统第第6章章 中央处理器中央处理器第第7章章 流水线技术与指令级并行流水线技术与指令级并行第第8章章 总线与输入总线与输入/输出系统输出系统第第9章章 并行体系结构并行体系结构西安电子科技大学计算机学院计算机组成与体系结构第1章 绪论5第第1章章 序论序论n计算机的发展史计算机的发展史n计算机的基本组成计算机的基本组成n计算机的分层组织结构计算机的分层组织结构n计算机的分类、性能描述计算机的分类、性能描述西安电子科技大学计算机学院计算机组成与体系结构第1章 绪论1.1 计算机的发展史计算机的发展史7

3、n电子模拟计算机：电子模拟计算机：由模拟电子器件（如模拟加法器、减法器、乘法器、由模拟电子器件（如模拟加法器、减法器、乘法器、除法器等等）构成除法器等等）构成n电子数字计算机：能对能对离散逻辑符号离散逻辑符号表示的表示的数据数据或或信息信息进行进行自动处理自动处理的电子装置。的电子装置。8一、发展经历一、发展经历n第第0代：机械计算器代：机械计算器算盘、计算尺、手摇机械计算器算盘、计算尺、手摇机械计算器n第第1代代( (19461954) )：电子管电子管计算机计算机电子管、电磁继电器，机器语言编程电子管、电磁继电器，机器语言编程如：如：ENIAC、IBM 701n第第2代代( (195519

4、64) )：晶体管晶体管计算机计算机晶体管、磁芯，监控程序，高级语言晶体管、磁芯，监控程序，高级语言如：如：IBM 7030、Univac LARCn第第3代代( (19651974) )：中小规模集成电路中小规模集成电路计算机计算机n第第4代代( (19751990) )：超大规模集成电路超大规模集成电路计算机计算机n第第5代代( (1991？) )：高性能智能计算机：高性能智能计算机Babbage Difference Engine 巴贝奇的差分机巴贝奇的差分机nCharles Babbage在英国皇家资金在英国皇家资金援助下开发。援助下开发。n能用能用20位十进制位十进制计算完成计算完成

5、7次多次多项式的计算。项式的计算。n1833年由于开发年由于开发费用耗尽导致开费用耗尽导致开发中断。发中断。9n1991年伦敦国家科学博物馆根据巴贝奇的设计，利用当时年伦敦国家科学博物馆根据巴贝奇的设计，利用当时机械加工的精度制作了阶差设施，证明了这台机器能够正机械加工的精度制作了阶差设施，证明了这台机器能够正确运作确运作。“Difference Engine No.2”Babbage Difference Engine 巴贝奇的差分机巴贝奇的差分机存储阶差的存储阶差的柱子柱子( (背面背面) )10依次对依次对7 7个阶差相加个阶差相加将计算结果传给将计算结果传给打印机的轴打印机的轴实现实现

6、2020位位加法的柱子加法的柱子由人旋转由人旋转的手柄的手柄传递动力传递动力的轴的轴打印机的打印机的印刷部分印刷部分石膏盘石膏盘输送部分输送部分ENIAC11IBM 703012IBM 7030 Stretch circuit boardThe IBM 7030 System Operators Console13一、发展经历一、发展经历n第第0代：机械计算器代：机械计算器n第第1代代( (19461954) )：电子管电子管计算机计算机n第第2代代( (19551964) )：晶体管晶体管计算机计算机n第第3代代( (19651974) )：中小规模集成电路中小规模集成电路计算机计算机小规模

7、及中规模集成电路芯片、多层印刷电路板、小规模及中规模集成电路芯片、多层印刷电路板、磁芯存储器，高级语言、分时操作系统磁芯存储器，高级语言、分时操作系统如：如：IBM 360，IBM 370，DEC PDP-8n第第4代代( (19751990) )：超大规模集成电路超大规模集成电路计算机计算机n第第5代代( (1991？) )：高性能智能计算机：高性能智能计算机14一、发展经历一、发展经历n第第0代：机械计算器代：机械计算器n第第1代代( (19461954) )：电子管电子管计算机计算机n第第2代代( (19551964) )：晶体管晶体管计算机计算机n第第3代代( (19651974) )

8、：中小规模集成电路中小规模集成电路计算机计算机n第第4代代( (19751990) )：超大规模集成电路超大规模集成电路计算机计算机l大规模、超大规模集成电路，半导体存储器大规模、超大规模集成电路，半导体存储器l微型计算机、单片微型计算机微型计算机、单片微型计算机lDOS、Windows、UnixlIBM 3090，VAX 9000，IBM PC 兼容机，兼容机，苹果苹果Macintoshn第第5代代( (1991？) )：高性能智能计算机：高性能智能计算机15一、发展经历一、发展经历n第第0代：机械计算器代：机械计算器n第第1代代( (19461954) )：电子管电子管计算机计算机n第第2

9、代代( (19551964) )：晶体管晶体管计算机计算机n第第3代代( (19651974) )：中小规模集成电路中小规模集成电路计算机计算机n第第4代代( (19751990) )：超大规模集成电路超大规模集成电路计算机计算机n第第5代代( (1991？) )：高性能智能计算机：高性能智能计算机l超大规模、超高速集成电路超大规模、超高速集成电路l多处理器、多核处理器多处理器、多核处理器l高性能计算机，如集群系统高性能计算机，如集群系统16二、摩尔定律二、摩尔定律戈登戈登摩尔（摩尔（Gordon Moore），），1965 年，年，“摩尔定律摩尔定律”：集成电路芯片的集成度每集成电路芯片的集

10、成度每18个月翻一番。个月翻一番。“集成度集成度提高提高100倍，则相对倍，则相对价格价格可以降低可以降低100倍、倍、性能性能可提高可提高100倍、倍、可靠性可靠性也可以提高也可以提高100倍。倍。”摩尔定律的未来：新技术、新材料的出现，使芯片摩尔定律的未来：新技术、新材料的出现，使芯片的集成度进一步提高成为可能。的集成度进一步提高成为可能。Fairchild Semiconductor Corporationn仙童仙童半导体公司半导体公司（飞兆飞兆半导体公司半导体公司）n与与德克萨斯仪器公司（德克萨斯仪器公司（TI）共同拥有共同拥有集成电路发明集成电路发明专利专利。n“仙童半导体公司就象个

11、成熟了的蒲公英，你一吹仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。” Steve Jobsl查尔斯查尔斯斯波克斯波克( (总经理总经理) )、杰里杰里桑德斯桑德斯： 1967年年出走出走，在国家半导体公司，在国家半导体公司( (National Semiconductor Corporation) )担任担任CEO；l诺依斯诺依斯、摩尔摩尔( (研发部主管研发部主管) )、葛罗夫葛罗夫： 1968年年，脱离脱离仙童公司自立门户，仙童公司自立门户， 创办创办Intel公司公司。l桑德斯桑德斯( (销售部主任销售部主任)

12、 )： 1969年，带着年，带着7位仙童员位仙童员工创办工创办AMD公司。公司。1718二、摩尔定律二、摩尔定律19二、摩尔定律二、摩尔定律20二、摩尔定律二、摩尔定律21二、摩尔定律二、摩尔定律1974年年IBM的的Robert Dennard等人提出了等人提出了：如果将芯片如果将芯片尺寸尺寸和电源和电源电压电压减半，则：减半，则：n性能提高：性能提高：MOS晶体管的晶体管的切换速度切换速度提高两倍；提高两倍；n耗电量下降：耗电量下降：耗电量降耗电量降至至1/4；n单位晶体管的成本降低：芯片单位晶体管的成本降低：芯片面积面积减至减至1/4，或在，或在同样的面积下制造同样的面积下制造4倍的晶体

13、管。倍的晶体管。提升性能的三大支柱：提升性能的三大支柱：n提高频率提高频率n并行处理并行处理n功能扩展功能扩展22二、摩尔定律二、摩尔定律自自20世纪世纪70年代后期以来处理器性能的增长年代后期以来处理器性能的增长西安电子科技大学计算机学院计算机组成与体系结构第1章 绪论1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成24n硬件硬件系统：计算机中看得见摸得着的物理实体。系统：计算机中看得见摸得着的物理实体。 n软件软件系统：计算机所配置的各类程序和文件，由系统：计算机所配置的各类程序和文件，由于它们是存放在内存或外存中的二进制编码信息，于它们是存放在内存或外存中的二进制编码信息，是是不能直接触摸不能直

14、接触摸而且而且修改相对比较容易修改相对比较容易，故称之，故称之为为软件软件。l系统软件系统软件l应用软件应用软件25实例实例n可用的物品：可用的物品：l带有横格的纸带有横格的纸l算盘算盘l笔笔l人人n计算：计算：yaxbc26实例实例n可用的物品：可用的物品：l带有横格的纸带有横格的纸l算盘算盘l笔笔l人人n计算：计算：yaxbc行数行数解题步骤和数据解题步骤和数据1取数取数 ( (9) ) 算盘算盘2乘法乘法 ( (12) ) 算盘算盘3加法加法 ( (10) ) 算盘算盘4减法减法 ( (11) ) 算盘算盘5存数存数 y ( (13) )6输出输出7停止停止89a10b11c12x13y

15、27实例实例行数行数解题步骤和数据解题步骤和数据1取数取数 ( (9) ) 算盘算盘2乘法乘法 ( (12) ) 算盘算盘3加法加法 ( (10) ) 算盘算盘4减法减法 ( (11) ) 算盘算盘5存数存数 y ( (13) )6输出输出7停止停止89a10b11c12x13y指令指令操作码操作码加法加法001减法减法010乘法乘法011除法除法100取数取数101存数存数110打印打印111停机停机00028实例实例地址地址存储器存储器1101 10012011 11003001 10104010 10115110 11016111 00007000 000089a（二进制数）（二进制数）

16、10 b11 c12 x13 y指令指令操作码操作码加法加法001减法减法010乘法乘法011除法除法100取数取数101存数存数110打印打印111停机停机00029实例实例n可用的物品：可用的物品：l带有横格的纸带有横格的纸l算盘算盘l笔笔l人人n计算：计算：yaxbc地址地址存储器存储器1101 10012011 11003001 10104010 10115110 11016111 00007000 000089a（二进制数）（二进制数）10 b11 c12 x13 y存储器存储器某种应用某种应用程序程序数据数据运算器运算器输入输出系统输入输出系统控制器控制器30一、硬件系统一、硬件系

17、统n早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机n早期的早期的PC机机n目前的目前的PC机机31一、硬件系统一、硬件系统n早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机图图1.1 早期计算机（硬件）的组成早期计算机（硬件）的组成程序程序数据数据结果结果地址地址指令指令数据数据结果结果输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器32一、硬件系统一、硬件系统n早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机图图1.1 早期计算机（硬件）的组成早期计算机（硬件）的组成33一、硬件系统一、硬件系统n早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机l在在1946由冯由冯诺依曼提出诺依曼提出l计算机依据计算

18、机依据存储程序存储程序、程序控制程序控制的方式工作的方式工作l冯冯诺依曼计算机的特点：诺依曼计算机的特点：p将计算机要处理的问题用将计算机要处理的问题用指令指令编成编成程序程序。p指令指令和和数据数据以同等地位存放在以同等地位存放在存储器存储器中，并可按中，并可按地地址址访问。访问。p以以二进制二进制形式表示形式表示指令指令和和数据数据。p在在控制器控制器的控制下，的控制下，指令指令被逐条从被逐条从存储器存储器中取出来中取出来执行，产生执行，产生控制流控制流，在控制流的驱动下完成指令的，在控制流的驱动下完成指令的功能。功能。p早期的冯早期的冯诺依曼机以诺依曼机以运算器运算器为中心，为中心，输入

19、输入/输出设输出设备备通过通过运算器运算器与与存储器存储器传送数据。传送数据。34一、硬件系统一、硬件系统n早期的早期的PC机机图图1.2 微型计算机结构框图微型计算机结构框图35一、硬件系统一、硬件系统n目前的目前的PC机机图图1.3 PC机主板结构机主板结构36二、软件系统二、软件系统n系统软件系统软件l操作系统：操作系统：p管理计算机硬管理计算机硬/软件资源，控制程序运行，软件资源，控制程序运行，改善人机交互，为应用软件提供支持改善人机交互，为应用软件提供支持p处理器管理、存储管理、文件管理、设备管处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理理、作业管理l语言处理程序语言处理程序l

20、各种服务支持软件各种服务支持软件p调试程序、诊断程序、提示警告程序调试程序、诊断程序、提示警告程序n应用软件应用软件：用户在各自的应用中，为解决自己的：用户在各自的应用中，为解决自己的有关问题而编写的程序。有关问题而编写的程序。l科学计算、信息管理、过程控制、武器装备科学计算、信息管理、过程控制、武器装备西安电子科技大学计算机学院计算机组成与体系结构第1章 绪论1.3 计算机的分层组织结构计算机的分层组织结构38一、计算机分层结构形式一、计算机分层结构形式39一、计算机分层结构形式一、计算机分层结构形式第第6级（虚拟机器）级（虚拟机器）第第5级（虚拟机器）级（虚拟机器）第第4级（虚拟机器）级（

21、虚拟机器）第第3级（虚拟机器）级（虚拟机器）第第2级（实际机器）级（实际机器）第第1级（实际机器）级（实际机器）高级语言机器高级语言机器M5（高级语言）（高级语言）应用语言机器应用语言机器M6（应用语言）（应用语言）汇编语言机器汇编语言机器M4（汇编语言）（汇编语言）操作系统机器操作系统机器M3（作业控制语言等）（作业控制语言等）传统机器传统机器M2（机器指令系统）（机器指令系统）微程序机器微程序机器M1（微指令系统）（微指令系统）用户用户软件工程师软件工程师软件工程师软件工程师计算机系统设计人员计算机系统设计人员硬件工程师硬件工程师计算机操作员计算机操作员软硬件分界软硬件分界40012345

22、6虚虚拟拟机机计算机计算机组成原理组成原理计算机计算机系统结构系统结构系统软件系统软件应用软件应用软件硬联逻辑硬联逻辑微程序微程序机器语言机器语言操作系统操作系统汇编语言汇编语言高级语言高级语言应用语言应用语言硬件硬件软硬件分界软硬件分界41二、计算机系统结构、组成与实现二、计算机系统结构、组成与实现n计算机系统结构计算机系统结构n计算机组成计算机组成n计算机实现计算机实现42二、计算机系统结构、组成与实现二、计算机系统结构、组成与实现n计算机系统结构计算机系统结构（Computer Architecture）：）：从从外部外部研究计算机系统。它是使用者（研究计算机系统。它是使用者（机器语言机

23、器语言、汇编语言汇编语言、系统程序员系统程序员）所看到的物理计算机的）所看到的物理计算机的抽象，抽象，是编写出能够在机器上正确运行的程序所是编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性必须了解到的计算机的属性。n计算机组成计算机组成（Computer Organization）：）：从计算机系统的从计算机系统的内部内部来研究计算机的构成，主要来研究计算机的构成，主要内容包括：运算方法、内容包括：运算方法、CPU 组成、主存储器和输组成、主存储器和输入输出设备、输入输出接口等。入输出设备、输入输出接口等。 43二、计算机系统结构、组成与实现二、计算机系统结构、组成与实现n计算机系统

24、结构：由计算机系统结构：由( (系统系统) )程序员程序员所看到的计算所看到的计算机系统的属性，即机系统的属性，即概念性结构概念性结构及及功能特性功能特性。l数据的表示形式；数据的表示形式；l寻址方式；寻址方式；l内部寄存器组；内部寄存器组；l指令集；指令集；l中断系统；中断系统；l处理器工作状态及其切换；处理器工作状态及其切换；l存储系统；存储系统；l输入输入/输出结构；输出结构；l信息保护及特权；信息保护及特权；l高性能设计；高性能设计；44二、计算机系统结构、组成与实现二、计算机系统结构、组成与实现n计算机组成计算机组成( (计算机组织计算机组织) )：计算机：计算机系统系统的的逻辑实逻

25、辑实现现，包括最低层内部算法、数据流、控制流的逻，包括最低层内部算法、数据流、控制流的逻辑实现。辑实现。l数据通路的宽度；数据通路的宽度；l专用部件的设置（如乘除法专用部件、浮点运专用部件的设置（如乘除法专用部件、浮点运算专用部件等等）；算专用部件等等）；l各功能部件的并行程度；各功能部件的并行程度；l各种操作的相容性与互斥性；各种操作的相容性与互斥性；l控制机构的组成方式；控制机构的组成方式；l缓冲与排队技术的应用；缓冲与排队技术的应用；l预估、预判方法；预估、预判方法；l高可靠性技术；高可靠性技术；45二、计算机系统结构、组成与实现二、计算机系统结构、组成与实现n计算机实现：计算机计算机实

26、现：计算机组成组成的的物理实现物理实现。集成电路芯片、电子元器件、部件、插头、插座集成电路芯片、电子元器件、部件、插头、插座n系统结构系统结构决定了计算机的决定了计算机的总体属性总体属性，组成组成是体现是体现这些属性的这些属性的逻辑设计逻辑设计，而，而实现实现则是用具体的则是用具体的器件器件来实现逻辑功能。来实现逻辑功能。46二、计算机系统结构、组成与实现二、计算机系统结构、组成与实现对于某一功能来说，既可以用对于某一功能来说，既可以用软件软件实现，也可以用实现，也可以用硬件硬件实现，称为实现，称为在在是是的。的。一个功能若一个功能若使用频繁使用频繁，且用硬件实现，且用硬件实现成本理想成本理想

27、，则，则用用实现实现可提高效率；可提高效率；：灵活性灵活性高，效率不如用硬件实现。高，效率不如用硬件实现。西安电子科技大学计算机学院计算机组成与体系结构第1章 绪论1.4 计算机的分类及性能描述计算机的分类及性能描述48一、计算机的分类一、计算机的分类n早期的计算机分类方法：早期的计算机分类方法：l微型机微型机l小型机小型机l中型机中型机l大型机大型机l巨型机巨型机49一、计算机的分类一、计算机的分类n以用途分类：以用途分类：l通用计算机通用计算机p个人计算机个人计算机PCp服务器服务器uWEB服务器服务器uFTP服务器服务器uMAIL服务器服务器u文件共享服务器文件共享服务器 u数据库应用服

28、务器数据库应用服务器u网站的网关服务器网站的网关服务器uDNS服务器服务器u流媒体服务器流媒体服务器l嵌入式计算机（专用计算机）嵌入式计算机（专用计算机）50一、计算机的分类一、计算机的分类n个人移动设备个人移动设备（PMD）带有多媒体用户界面的无线设备带有多媒体用户界面的无线设备n桌面计算桌面计算（台式机）（台式机）n服务器服务器可靠性、可扩展性、吞吐能力可靠性、可扩展性、吞吐能力n集群集群/仓库级计算机仓库级计算机l软件即服务软件即服务( (SaaS) )应用：应用：搜索、社交网络、视频分享、多人游戏、在线销售搜索、社交网络、视频分享、多人游戏、在线销售l最大规模的集群称为仓库级计算机最大

29、规模的集群称为仓库级计算机( (WSC) )l超级计算机：强调浮点性能；紧耦合。超级计算机：强调浮点性能；紧耦合。n嵌入式嵌入式（通常不能运行第三方软件）（通常不能运行第三方软件）微波炉、洗衣机、打印机、网络交换机、汽车微波炉、洗衣机、打印机、网络交换机、汽车计算机系统结构计算机系统结构: 量化的研究方法量化的研究方法( (第第5版版) )中中计算机的分类：计算机的分类：51一、计算机的分类一、计算机的分类n佛林佛林( (Flynn) )分类法分类法l单单指令流指令流单单数据流数据流 SISD（Single Instruction Single Datastream）l单单指令流指令流多多数据

30、流数据流 SIMD（Single Instruction Multiple Datastream）l多多指令流指令流单单数据流数据流 MISD（Multiple Instruction Single Datastream）l多多指令流指令流多多数据流数据流 MIMD（Multiple Instruction Multiple Datastream）52一、计算机的分类一、计算机的分类n佛林佛林( (Flynn) )分类法分类法CUPUCSMMDSISCUPU1CSMM1DS1ISMM2MMmPU2DS2PUnDSnSISD：SIMD：传统的传统的串行计算机串行计算机阵列处理机阵列处理机向量处理

31、机向量处理机53一、计算机的分类一、计算机的分类n佛林佛林( (Flynn) )分类法分类法DSMM1MM2MMmSMCU1CU2CUnIS1IS2ISnPU1PU2PUnCS1CS2CSnDSMISD：无实际无实际54一、计算机的分类一、计算机的分类n佛林佛林( (Flynn) )分类法分类法MM1MM2MMmSMCU1CU2CUnIS1IS2ISnPU1PU2PUnCS1CS2CSnDS1DS2DSnMIMD： 多处理机多处理机 机群机群( (集群集群) )系统系统55二、计算机的性能描述二、计算机的性能描述n计算机系统配置计算机系统配置n计算机的性能指标计算机的性能指标n用测试程序来测评

32、计算机的性能用测试程序来测评计算机的性能nAmdahl定律定律56（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例1】个人计算机个人计算机n处理器：英特尔处理器：英特尔 酷睿酷睿TM2双核处理器双核处理器E6300（处理器速度（处理器速度1.86GHz，2MB二级高速缓存，二级高速缓存，1.066GHz前端前端总线，硬件防病毒，总线，硬件防病毒，65nm，节能技术）；，节能技术）；n正版正版Windows Vista Home Premium简体中文版；简体中文版；n支持英特尔支持英特尔64位内存扩展技术；位内存扩展技术；n采用英特尔采用英特尔LGA775封装技术；封装技术；n内存：内存：2GB

33、 DDR533；n硬盘：硬盘：SATA 250GB（7200转）；转）；n显卡：显卡：NV7950 256MB PCI-E高性能显示卡；高性能显示卡；n19宽屏液晶显示器；宽屏液晶显示器；nSATA DVD RW光驱；光驱；n集成集成100M网卡；网卡；n集成集成5.1声卡；声卡；n防水抗菌键盘；防水抗菌键盘；n光电鼠标；光电鼠标；nMTBF 6万小时。万小时。57（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例2】服务器服务器教材教材 P1213 最简单的服务器可用一台一般的最简单的服务器可用一台一般的PC机配上相应的机配上相应的应用软件就可以实现，功能强的服务器可能需要成百应用软件就可以实现

34、，功能强的服务器可能需要成百上千个处理器构成集群系统来实现。上千个处理器构成集群系统来实现。58（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例2】服务器服务器1/4n基本类别基本类别u类型：企业级类型：企业级u类别：机架式类别：机架式u结构：结构：4Un处理器处理器uCPU类型：类型：Xeon MP E7430uCPU频率：频率：2130MHzu处理器描述：标配处理器描述：标配2个个Xeon MP E7430处理器处理器u最大处理器数量：最大处理器数量：4u制程工艺：制程工艺：45nmuCPU核心：核心：4核（核（Dunnington）n主板主板uFSB总线：总线：1066MHzu扩展槽：扩展

35、槽：7个个PCI-Express插槽（插槽（4个个8，3个个4）59（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例2】服务器服务器2/4n内存内存u内存类型：内存类型：FB-DIMMu内存大小：内存大小：2GB16u最大内存容量：最大内存容量：265GBn存储存储u硬盘大小：硬盘大小：3300GBu硬盘类型：硬盘类型：SASu硬盘最大容量：硬盘最大容量：1.5TB5u内部硬盘架数：内置硬盘托架可支持内部硬盘架数：内置硬盘托架可支持5块块3.5英寸英寸SAS热插热插拔硬盘，内置硬盘托架可支持拔硬盘，内置硬盘托架可支持8块块2.5英寸英寸SAS热插拔硬盘热插拔硬盘u磁盘阵列卡：磁盘阵列卡：PERC

36、 6/iR 支持支持 RAID0, 1, 5, 6, 10u光驱：光驱：DVD-ROMn网络网络网络控制器：网络控制器：4个嵌入式个嵌入式 Broadcom NetXtreme II TM5708 Gigabit5 以太网卡，具有故障恢复和负载平衡功能以太网卡，具有故障恢复和负载平衡功能60（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例2】服务器服务器3/4n显示性能显示性能显示芯片：显示芯片：ATI-Radeon ES1000集成显卡，含集成显卡，含32MB SDRAMn接口类型接口类型u后部：后部：2个个USB2.0接口，接口，9针串行接口，视频接口，适合针串行接口，视频接口，适合DRAC

37、的的千兆以太网接口，带有蓝千兆以太网接口，带有蓝/橙色橙色LED指示灯的指示灯的ID按钮；按钮；u前部：前部：2个个USB2.0接口，带有系统警报滚动显示屏的接口，带有系统警报滚动显示屏的LCD面板，面板，15针视频接口，系统电源开针视频接口，系统电源开/关按钮；关按钮；u内部：内部：1个个USB2.0接口接口n其他参数其他参数散热系统：热插拔冗余冷却风扇散热系统：热插拔冗余冷却风扇n外观特征外观特征u尺寸：尺寸：172.7mm447mm701mmu重量重量/kg：41.7361（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例2】服务器服务器4/4n电源性能电源性能u电源：热插拔冗余电源电源：热

38、插拔冗余电源u电源数量：电源数量：2u电压电压( (AC) )/V：180240/90180u功率功率/W：1570/1030n软件系统软件系统uMicrosoft Windows Server 2003 R2 SP2 企业版企业版uMicrosoft Windows Server 2003 R2 SP2 标准版标准版uRed Hat Linux Enterprise V5，高级平台，高级平台uSUSE Linux Enterprise Server 10 EM64T SP2n适用环境适用环境n工作温度工作温度/：1035n工作湿度：工作湿度：8%85%（无冷凝）（无冷凝）n存储温度存储温度/

39、 ：-4065n存储湿度：存储湿度：5%95%（无冷凝）（无冷凝）62（一）计算机系统配置（一）计算机系统配置【例例3】高性能计算机：性能达到或超过万亿次高性能计算机：性能达到或超过万亿次/秒。秒。天河一号天河一号A：n耗资耗资6亿元亿元n采用了采用了CPUGPU的混合架构的混合架构n处理器内核数近处理器内核数近20万颗万颗u14336 颗颗6核核Intel至强至强X5670 2.93GHz CPUu7168 颗颗 Nvidia Tesla M2050 GPUu2048 颗颗 8核飞腾核飞腾 FT-1000 CPUn内存容量内存容量 98TBn点点通信带宽点点通信带宽 40Gb/sn共享磁盘容

40、量共享磁盘容量 2PBn140个机柜，占地个机柜，占地700平方米平方米n总重量总重量160吨吨n峰值速度峰值速度4701万亿次万亿次/秒，秒，实测速度实测速度2566万亿次万亿次/秒秒63（二）计算机的性能指标（二）计算机的性能指标n每秒钟执行指令的百万条数每秒钟执行指令的百万条数MIPSn每秒钟执行浮点数的百万次操作的数量每秒钟执行浮点数的百万次操作的数量MFLOPSn吞吐量吞吐量n响应时间（执行时间）响应时间（执行时间）nCPU时间时间n处理器数量处理器数量详见第详见第6章章【例例】计算机计算机A的性能比计算机的性能比计算机B的性能好的性能好4倍，倍，B完完成一个指定的任务用时成一个指定

41、的任务用时20s，那么，那么A完成该任务用时完成该任务用时多长？多长？【解解】因为因为所以所以 TA5s4T20sTTPPAABBA 64（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能以往对计算机的测试采用过如下几种程序：以往对计算机的测试采用过如下几种程序： 实际应用程序实际应用程序，也就是计算机工作的真实程序。，也就是计算机工作的真实程序。 修正的实际应用程序修正的实际应用程序，即对上面真实程序进行某，即对上面真实程序进行某些修改构成测试程序。些修改构成测试程序。 核心程序核心程序，提取真实程序中的核心部分构成测试，提取真实程序中的核心部分构成测试程序。程序。 小测试

42、程序小测试程序，具有特定目的的、，具有特定目的的、100行以内的测试行以内的测试程序。程序。 合成测试程序合成测试程序，就是选择具有各种代表性的一系，就是选择具有各种代表性的一系列测试程序，将它们组合在一起。这种测试程序列测试程序，将它们组合在一起。这种测试程序的集合称为的集合称为测试程序组件测试程序组件，或称，或称合成测试程序合成测试程序，或称或称基准测试程序基准测试程序。1. 关于基准测试程序关于基准测试程序65（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能目前常见的目前常见的基准测试程序基准测试程序：nTPC-C：对系统在线：对系统在线处理事务处理事务的能力进行评价

43、。的能力进行评价。nTPC-H：对系统在线：对系统在线数据库数据库资料的资料的查询查询能力进行评价。能力进行评价。nSPEC web2005：评价系统同时响应：评价系统同时响应http连接连接的最大数量。的最大数量。nSPEC jApp Server2004：评价系统基于：评价系统基于java平台每秒钟所平台每秒钟所完成的完成的java操作操作的最大数量。的最大数量。nSPEC CPU2000：用于对：用于对特定程序包特定程序包执行时的评估。执行时的评估。nLinpack：在每秒钟内，利用高斯消元法求解：在每秒钟内，利用高斯消元法求解一元一元N次线性次线性方程组方程组的次数来评价系统的性能。的

44、次数来评价系统的性能。nHPCC：利用：利用双精度矩阵乘法双精度矩阵乘法、傅立叶变换傅立叶变换、并、并行矩阵转行矩阵转置置等七个子项全面评价系统的性能。等七个子项全面评价系统的性能。nSAP SD：测试系统的：测试系统的响应时间响应时间及每小时完成的及每小时完成的定单数定单数，用，用以衡量系统同时执行应用程序及数据库的能力。以衡量系统同时执行应用程序及数据库的能力。1. 关于基准测试程序关于基准测试程序66测试项目测试项目编写语言编写语言类别类别164.gzip C 文件压缩解压缩文件压缩解压缩175.vpr C FPGA芯片电路布线芯片电路布线176.gcc C C语言程序编译器语言程序编译

45、器181.mcf C 运筹优化运筹优化186.crafty C 国际象棋游戏国际象棋游戏197.parser C 字处理字处理252.eon C+ 可视化计算可视化计算253.perlbmk C PERL脚本操作脚本操作254.gap C 群论群论255.vortex C VORTEx数据库操作数据库操作256.bzip2 C 文件压缩解压缩文件压缩解压缩300.twolf C TimberWolfSC 电路设计电路设计（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能2. SPEC CPU2000整数整数测试程序测试程序67（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序

46、来测评计算机的性能测试项目测试项目编写语言编写语言 类别类别168.wupwise Fortran 77 物理物理/量子色动力学量子色动力学171.swimFortran 77 天气预报天气预报Shallow Water Modeling172.mgrid Fortran 77 多栅求解器：三维势场多栅求解器：三维势场173.applu Fortran 77 计算流体动力学和计算物理学计算流体动力学和计算物理学177.mesa C 3D图形库图形库178.galgel Fortran 90 计算流体动力学计算流体动力学179.art C ART2神经网络神经网络183.equake C 地震波

47、传播模拟地震波传播模拟187.facerec Fortran 90 图像处理：面部轮廓识别图像处理：面部轮廓识别188.ammp C 计算化学计算化学189.lucas Fortran 90 数论：质数判定数论：质数判定191.fma3d Fortran 90 有限元分析有限元分析200.sixtrackFortran 77 核物理加速器设计核物理加速器设计301.apsi Fortran 77 气象预报气象预报2. SPEC CPU2000浮点浮点测试程序测试程序68（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试

48、软件测试n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试69（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试lPC Mark2002：整机综合性能测试软件，其中包含对：整机综合性能测试软件，其中包含对CPU、内存、硬盘等子系统的性能测试。、内存、硬盘等子系统的性能测试。lSuper pi（104万位）：将圆周率计算到万位）：将圆周率计算到104万位。万位。n基准测试软件测试基准测试软件测试n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试70（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评

49、计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试软件测试l办公应用办公应用l网络网络/多媒体创作多媒体创作l3D游戏处理性能游戏处理性能l3D图形性能图形性能n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试71（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试软件测试l办公应用办公应用pBusiness Winstone2001：模拟：模拟Office2000、Lotus Notes R5、Netscape Navigator4.7、Norton AntiVirus2000

50、和和WinZip 7.0实际工作环境的测试软实际工作环境的测试软件，测试系统对办公应用软件的处理速度。件，测试系统对办公应用软件的处理速度。 l网络网络/多媒体创作多媒体创作l3D游戏处理性能游戏处理性能l3D图形性能图形性能n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试72（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试软件测试l办公应用办公应用 l网络网络/多媒体创作多媒体创作pCC Winstone2002：模拟：模拟Adobe PhotoShop 5.5/Premiere 5.1、D

51、reamweaver 3.0、Director 8.0和和Sound Forge4.5实际工作的测试软件，用于测试系实际工作的测试软件，用于测试系统对图形处理、多媒体音频、视频编辑软件的处理统对图形处理、多媒体音频、视频编辑软件的处理速度。速度。l3D游戏处理性能游戏处理性能l3D图形性能图形性能n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试73（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试软件测试l办公应用办公应用 l网络网络/多媒体创作多媒体创作l3D游戏处理性能游戏处理性能p3D M

52、ark2001 SE：常用的：常用的3D游戏性能测试软件。游戏性能测试软件。pQuake3 Ver1.17：OpenGL游戏性能基准测试软件。游戏性能基准测试软件。pSerious Sam-second Encounter：一个：一个CPU 3D游戏性游戏性能测试工具。能测试工具。l3D图形性能图形性能n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试74（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试软件测试l办公应用办公应用 l网络网络/多媒体创作多媒体创作l3D游戏处理性能游戏处理性能l3

53、D图形性能图形性能pCinema 4D XL V6.103：专业的：专业的Open GL引擎引擎3D绘图绘图软件，用于测试软件，用于测试CPU在专业在专业OpenGL 3D绘图软件中的绘图软件中的性能。性能。n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试3. PC机性能测试机性能测试75（三）用测试程序来测评计算机的性能（三）用测试程序来测评计算机的性能nCPU基本性能测试基本性能测试n基准测试软件测试基准测试软件测试l办公应用办公应用 l网络网络/多媒体创作多媒体创作l3D游戏处理性能游戏处理性能l3D图形性能图形性能n实际应用软件性能测试实际应用软件性能测试lMPEG4编码：编码：FlasK

54、MPEG0.594+DivX5.0.2lMP3编码：编码：Lame3.89 alphal文件压缩：文件压缩：Winzip 8.13. PC机性能测试机性能测试76（四）（四）Amdahl定律定律77吉恩吉恩阿姆达尔：阿姆达尔：IBM大型机之父大型机之父姓名姓名( (中文中文) )：吉恩：吉恩阿姆达尔阿姆达尔姓名姓名( (英文英文) )：Gene Amdahl出生年月：出生年月：1922年年11月月16日日出生国家出生国家/地点：美国南达科他州地点：美国南达科他州教育背景：教育背景：1948年，获南达科达州立大学工程物理科学学士学位；年，获南达科达州立大学工程物理科学学士学位；1952年年2月，

55、获威斯康辛大学理论物理博士学位月，获威斯康辛大学理论物理博士学位。计算机世界计算机世界将他列为将他列为“改变世界的改变世界的25人人”之一。之一。78吉恩吉恩阿姆达尔：阿姆达尔：IBM大型机之父大型机之父姓名姓名( (中文中文) )：吉恩：吉恩阿姆达尔阿姆达尔姓名姓名( (英文英文) )：Gene Amdahl出生年月：出生年月：1922年年11月月16日日出生国家出生国家/地点：美国南达科他州地点：美国南达科他州职业背景：职业背景：n1952年年6月，加入月，加入IBMn1970年，离开年，离开IBM，自己创办阿姆达尔公司，自己创办阿姆达尔公司n1980年年3月，创办三步曲公司月，创办三步曲

56、公司( (Trilogy) )n1982年，创立年，创立Grid系统公司系统公司n1987年，创建年，创建Andor系统公司系统公司n1996年，创办商业数据服务公司年，创办商业数据服务公司( (CDS) )79吉恩吉恩阿姆达尔：阿姆达尔：IBM大型机之父大型机之父n领导领导IBM 360的设计工作。他的设计工作。他提出：提出：360应是一条向下兼容的应是一条向下兼容的生产线，可使软件和设备用在生产线，可使软件和设备用在这一家族的每个成员身上。这一家族的每个成员身上。n从从1961年到年到1964年，研制一共年，研制一共花了花了3年时间，耗费年时间，耗费50多亿美元，多亿美元，超过二战时原子弹

57、的研制费用。超过二战时原子弹的研制费用。n这一产品加上后来这一产品加上后来370系列，成系列，成为历史上销售量最大的计算机为历史上销售量最大的计算机家族。家族。80（四）（四） Amdahl定律定律n上世纪六十年代由上世纪六十年代由IBM 360系列计算机的主要设计系列计算机的主要设计者者Amdahl提出。提出。nAmdahl定律内容：计算机系统中某一部件由于采定律内容：计算机系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后，整个系统性能的提高用某种更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的与这种执行方式的使用频率使用频率或或占总执行时间的比占总执行时间的比例例有关。有关。81（四）（四）

58、 Amdahl定律定律计算机系统的计算机系统的加速比加速比取决于下面两个因素：取决于下面两个因素： 可改进部分在原系统总执行时间中所占的比，称为可改进部分在原系统总执行时间中所占的比，称为可改进比例可改进比例，用，用fe表示。例如，程序的总执行时间表示。例如，程序的总执行时间为为100s，可改进的部分是其中的，可改进的部分是其中的20s，则，则fe0.2。可见，可见，fe总是小于或等总是小于或等1的。的。 可改进部分改进后性能提高的程度，通常用可改进部分改进后性能提高的程度，通常用部件加部件加速比速比re来表示某部件改进后性能提高的比例。来表示某部件改进后性能提高的比例。例如，某部件改进后，执

59、行时间由原来的例如，某部件改进后，执行时间由原来的20s减少减少到到5s，则部件加速比，则部件加速比re20/54。可见，可见，re一般是大于一般是大于1的。的。间间改进后的系统总执行时改进后的系统总执行时间间改进前的系统总执行时改进前的系统总执行时改进前的系统性能改进前的系统性能改进后的系统性能改进后的系统性能加速比加速比82（四）（四） Amdahl定律定律n若假设改进前的系统总执行时间为若假设改进前的系统总执行时间为To，可以得出，可以得出改进后的系统总执行时间改进后的系统总执行时间Tn为：为：n若加速比用若加速比用Sp表示，则加速比表示，则加速比Sp可表示为：可表示为：n当系统可改进的

60、部分当系统可改进的部分fe确定后，既使这一部分改进确定后，既使这一部分改进后不再需要时间，即后不再需要时间，即re，则，则Sp1/( (1fe) )。 eeeonrffTT1 eeeprffS 1183（四）（四） Amdahl定律定律【例例1.1】某某Web服务器系统，采用新的服务器系统，采用新的CPU以提高以提高其性能，新的其性能，新的CPU处理处理Web服务器应用程序的运行服务器应用程序的运行速度是原来处理器的速度是原来处理器的10倍，同时假定此倍，同时假定此CPU有有40%的时间用于计算，另外的时间用于计算，另外60%的时间用于等待的时间用于等待I/O，则，则进行这一升级后，所得到的总