n 目前项目的第一步全球海洋模 拟已经在“天河二号”上稳定 运行，仅需25分钟就可以完成 全球未来10天的海洋模拟
网络与计算中心
全球洋流模拟可视化
基于高性能并行计算的水利工程水沙运动精细仿真模拟研 究
• “天河二号”上模拟溃坝 • 建立了溃坝洪水三维精细模拟模型，形成相应的并行计算
程序，借助高可信仿真模拟揭示了洪水在复杂障碍物间传 播的物理机制 n 利用“天河二号”完成1.1x107单元的洪水数值计算，
个人计算机的主要部件
n CPU n 存储设备 • 基本输入输出设备
n 主板
个人计算机的主要部件: 主板
主板是计算机中各个部件工作的一个平台，它把计算机 的各个部件紧密连接在一起，各个部件通过主板进行数据传 输。
包含BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接 口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电 接插件等元件
冯.诺依曼体系结构
计算机的软件组成
计算机的性能指标
ENIAC （Electronic Numerical Integrator and
Computer ） • 第一台通用电子计算机 • 1946-2-14日诞生于美国宾夕法尼亚大 学
n 占地170平方米，重达30吨 n 耗电量超过174千瓦
ENIAC （Electronic Numerical Integrator and
相当于以1m x 1m的高分辨率网格覆盖约11km²的城区， 可以在5分钟内完成洪水传播全过程模拟，计算效率高 于来自英国和美国的其它同类课题组
网络与计算中心
先进功能材料与能源材料的多场耦合行为研究
ü 发展相应的原子尺度的模拟计算方法，并开发与 之匹配的高效计算软件，对于深入理解材料微观 机理，探寻高性能新材料体系重大意义，同时也 能为材料器件的设计和优化提供理论指导。
计算机的内存空间
• 计算机的字长与内存空间
• Ex：一台32位机（字长为32bit的计算机） ü 内存单元的地址长度为32位 ü 共有4G（2^32）个房间，每个房间1B（byte） ü 最大可寻址的内存空间为4GB
• Ex：一台64位机（字长为64bit的计算机） ü 内存单元的地址长度为64位 ü 共有16E（2^64）个房间，每个房间1B（byte） • 1T=2^40， 1P=2^50，1E=2^60，1Z=2^70 ü 最大可寻址的内存空间为16EB
函数 类与对象 继承与多态
学时
4学时 2学时 2学时 4学时 8学时 4学时 8学时 8学时
实验
4 4 4 4 4 4
第1章 计算机基础知识
问题1：去商城选一台电脑需要哪些知识
计算机硬件组成 计算机的性能指标
计算机的简单工作 原理
计算机软件组成
计算机系统的组成
计算机的硬件组成
计算机程序的执行过程
PROM（Programmable ROM） •可编程只读存储器
EPROM（Erasable PROM） •可编程可擦除只读存储器
EEPROM（Electrically Erasable PROM） •电可擦可编程只读存储器
存储层次结构
现代计算机为提高系统性能，一般都加入了多级缓存 结构。高速缓存采用的是静态随机存储器硬件(SRAM) 技术，速度快于主存(动态随机存储器技术)
• 没有存储程序的功能，必须通过开关和手工布线接板 来安装计算程序
n 通过改变面板插接线改变程序 n 运行时通过ROM、累加器和程序面板
一起实现程序控制 n 输出采用IBM的穿孔卡片机，输入输
出可以重叠并具有缓冲能力。
EDVAC（Electronic Discrete variable Automatic Computer)
网络与计算中心
先进功能材料与能源材料的多场耦合行为研究
• 首次获得了金属绝缘体相变材料VO2的完整的温度相关的声子色 散关系，并计算和测量了其声子谱，发现在金属绝缘体相变过 程中，声子熵变占主导作用，颠覆了之前人们认为的电子熵变 占主导地位的观点
VO2中热漫散射的实验与计算对比
ü 先进功能材料与能源材料体现出多场耦合效应， 而成为许多新型器件的核心材料元件
ü 先进功能材料和能源材料在发展循环经济、绿色 化学工业、尖端国防材料、新能源材料等领域中 的作用日益重要。
网络与计算中心
先进功能材料与能源材料的多场耦合行为研究
• 用计算模拟首次获得材料微结构在外电场下演化的相图， 为外电场下材料性能预测和调控提供了有力的计算工具。
高速缓存 cache
主存储器
外存储器
n 为解决各类设备速度不匹配的问题，引入 了高速缓存设备来缓解速度匹配问题
和存储器相关的一些名词
• 易失性存储器 • 在断电时将丢失其存储内容 • ex：计算机的主存储器、高速缓存cache
• 非易失性存储器 • 断电后不会丢失其存储内容 • ex：计算机的各种外存储器
网络服务器
分类
用于事务处理的 大中型计算机
图形工作站
微型计算机
网络与计算中心
计算机的应用领域
计算机辅助设计 计算机辅助制造
人工智能
网络与通信
Hale Waihona Puke 过程控制应用现代教育
数据处理
科学计算
家庭管理与娱乐
计算机的特点
运算速度快 精度高
存储容量大 具有可靠的逻辑判断力 可靠性高和通用性强
网络与计算中心
天河二号
个人计算机的主要部件: 主板
• BIOS（Basic Input Output System） • 固化到主板上ROM芯片内的程序 • 保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机 后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写 系统设置的具体信息 • PC启动时加载的第一个软件 • 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬 件设置和控制 • 系统硬件变化由BIOS隐藏，程序使用BIOS功能而不是直 接控制硬件。
计算速度最快
• 依托目前全球并行计算速度最快的“天河二号”超级计机（峰值计算速 度每秒5.49亿亿次，持续计算速度每秒3.39亿次）搭建而成。
节约
• 按照实际需求，可选择任意核数、任意时间进行弹性资源分配
安全
• 可通过VPN访问天河二号，采用多种措施保障系统资源安全可靠
网络与计算中心
天河二号的服务领域
计算机的性能指标
• 运算精度 • 运算速度
• 寻址能力
• CPU 的时钟频率，也是CPU 运算时 的工作频率
• 主频决定着计算机 的运算速度
• 主频越高，一个时 钟周期里完成的指 令数越多
• 计算机的输入/输出设备 • 外存储器
计算机程序的执行过程
CPU ：中央处理单元；ALU ：算术/ 逻辑单元；PC ：程序计数器； USB ：通用串行总线
-冯诺依曼体系结构
可以说EDVAC是第一台 现代意义的通用计算机。 和之前的世界上第一台 电子计算机ENIAC不同：
1. EDVAC首次使用二进 制而不是十进制。
2.由5大部分构成
3.程序存储
冯.诺依曼计算机
由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部件组成
指令和数据均用二进制 码表示且以同等地位存放于 存储器内，并可按地址寻访
指令在存储器内按顺序 存放，通常顺序执行，在特 定条件下可改变执行顺序
计算机硬件组成
CPU
完成算 术运算和逻 辑运算。运 算的中间结 果可暂存在 运算器内
控制、 指挥程序和 数据的输入、 运行以及处 理运算结果
存放 数据和程 序，由存 储单元组 成。分为 内存、外 存
转换 人们熟悉 的信息形 式和机器 能识别的 信息形式
个人计算机的主要部件: CPU
中央处理器（CPU）是一块超大规模的集成电路，是一 台计算机的运算核心和控制核心。 中央处理器（CPU）=运算器（ALU）+控制器（CU） 附加：寄存器、高速缓冲存储器和内部总线
个人计算机的主要部件: 存储设备 n 内存储器：CPU可直接访问 n 外存储器
CPU寄存 器
#include <iostream> using namesapce std; int main() {
int a=3,b=4,y; y=a+b; return 0; }
“ y=3+4; ”的执行过程
网络与计算中心
y=a+b;
a 3000H b 3001H
3002H
“ y=3+4; ”的执行过程
l 计算机的字长 • 字长是指计算机的运算部件一次能直接处理的二进制 数据的位(bit)数 • 字长是字节(byte)的整数倍
• 内存可以视作有许多等面积房间的大楼，这些房间称为内存单 元,大小为1个字节
• 每个内存单元（房间）都有一个唯一编号（房号），称为地址 （address）
• 内存单元地址的长度为计算机的字长
板M.2插槽上使用 n 与普通的DIMM（Dual-Inline-Memory-Modules）插槽内存
并存于系统当中
傲腾内存
• 在存储体系中， 傲腾可以看作是 硬盘的缓存盘， 解决硬盘和内存 之间的速度差距
n 非易失性存储设备
计算机的内存空间
l 位(b): bit；字节(B): byte • 1b=1个二进制位；1B=8b，8个二进制位
Computer）
n 18800个真空电子管构成的逻辑电路实现计算 n 加法运算速度达到5000次/秒，乘法速度为400次/秒，
可以在3ms内完成两个10位数乘法 n 平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值
ENIAC （Electronic Numerical Integrator and
Computer ） • 缺陷
网络与计算中心