唐良荣《计算机导论》第6章系统结构

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1、《计算机导论——计算思维和应用技术》计算机第6章系统结构6.1计算机系统结构6.2计算机工作原理6.3计算机硬件系统6.4计算机软件系统6.5计算机引导过程6.1.3集群分布式计算Hadoop6.1.4网格分布式计算BOINC6.1.5新型计算机系统研究6.1.1冯.诺依曼计算机结构6.1.2大型计算机集群结构6.1.1冯.诺依曼计算机结构1、冯·诺伊曼计算机设计原则和结构模型冯·诺依曼计算机设计原则：存储程序：程序存储在内存中，顺序执行，控制计算机的运行。计算机结构：输入、输出、存储器、控制器、运算器五大部分。冯·诺

2、依曼没有用图形表示计算机系统结构，导致了目前的各种计算机结构图。常见冯·诺伊曼计算机结构如图6-1所示。6.1.1冯.诺依曼计算机结构冯·诺依曼在EDVAC设计方案（101报告）中，明确提出了计算机由五部分组成，并描述了这五部分的功能和相互关系。（1）运算器算术运算和逻辑运算的基本部件。算术运算：加、减、乘、除等；逻辑运算：比较、移位、与、或、非、异或等。（2）控制器控制程序和部件的运行。6.1.1冯.诺依曼计算机结构（3）存储器存放运行的程序和数据。基本操作：写入或读出数据（内存访问）。存储单元编号称为“内存地址”向

3、存储单元存入数据称为“写入”（新数据覆盖原旧数据）；从存储单元取出数据称为“读出”（不破坏原数据）。（4）输入设备将输入信息转换为二进制编码；用户对计算机进行操作控制。（5）输出设备将处理结果转换为用户熟悉的形式；如，数字、文字、图形、声音、视频等。6.1.1冯.诺依曼计算机结构2．存储程序思想的重要性（1）存储程序的思想人类计算案例：心算2位数加法毫不费力；心算20个2位数加法很费力；如果有草稿纸，也能很快算出来。没有内存的计算机无法进行复杂计算。“存储程序”的重要性：符号化计算的基础；便于程序控制计算机；提高计算机

4、运算效率；导致程序员职业化等。6.1.1冯.诺依曼计算机结构（2）早期计算机的程序运行早期人们认为程序与数据完全不同。早期数据存放在存储器中；而程序作为控制器的一部分，用外部设备输入；每执行一个程序，都要对控制器进行设置。如，在ENIAC中运行小程序时，需要在40多块电路板上，插上几千个导线插头。6.1.1冯.诺依曼计算机结构（3）程序控制计算机冯·诺依曼将程序与数据同等看待，是计算机的一场革命。早期计算机由硬件（控制器）控制整个系统；存储程序导致了由程序（操作系统）控制计算机。由程序控制计算机实现了巴贝奇对计算机的设

5、计思想。（4）提高运算效率计算机从存储器中依次取指令执行，大大提高了运行效率。（5）程序员职业的独立存储程序导致了硬件与软件的分离；直接催生了程序员这个职业。6.1.1冯.诺依曼计算机结构3、冯·诺伊曼计算机结构的进化（1）早期计算机的局限性计算机存储单元小；如，冯·诺依曼设计的EDVAC计算机内存只能存储1000个44位的字。程序的功能也不强大；如，主要用于数值计算。没有操作系统的出现；如，1956年才出现第一个操作系统：GM-NAAI/O。早期控制器是整个计算机的控制核心。6.1.1冯.诺依曼计算机结构（2）目前的

6、计算机结构基本遵循冯·诺依曼的设计思想，但是结构上有一些变化：如，连接线路变成了总线；如，运算器变成了CPU；如，控制器部件由操作系统取代。目前计算机系统由程序进行控制。如，进程管理（处理器管理）；如，存储管理；如，设备管理；如，文件管理等。程序控制计算机是存储程序设计思想的必然结果。6.1.1冯.诺依曼计算机结构目前冯·诺依曼计算机结构如图6-2所示。6.1.1冯.诺依曼计算机结构4、维纳计算机设计五原则维纳（NorbertWiener）在阿塔纳索夫和冯•诺依曼的理论基础上，提出了计算机设计五个基本原则。（1）加法和

7、乘法装置采用数字式，而不是基于模拟量。（2）开关部件由电子管实现，而不要采用机械开关。（3）采用二进位制比十进位制更为经济。（4）全部运算在机器上自动进行，一切逻辑判断由机器自身作出。（5）机器中包含储存数据的装置。《计算机导论——计算思维和应用技术》计算机第6章系统结构6.1计算机系统结构6.2计算机工作原理6.3计算机硬件系统6.4计算机软件系统6.5计算机引导过程6.1.3集群分布式计算Hadoop6.1.4网格分布式计算BOINC6.1.5新型计算机系统研究6.1.1冯.诺依曼计算机结构6.1.2大型计算机集群

8、结构6.1.2大型计算机集群结构1、计算机集群系统的发展1994年，托马斯•斯特林（ThomasSterling）构建了第一个Beowulf计算机集群系统。利用多台PC机组成一台超级计算机比设计超级计算机便宜很多。世界500强计算机中，有90％以上的超级计算机采用集群结构。计算机集群系统是将2台以上的PC机，通过软件和网络，组成一