1946年 美国 ENIAC 1955年退役
十进制运算
18 000 1 500 150 30 1 500 5 000
多个电子管 多个继电器 千瓦 吨 平方英尺 次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
IBM 360计算机
IBM公司1964年推出的IBM360是影响最大的最早采 用集成电路的第三代计算机
80x86为处理器的开放式IBM PC机 第四阶段(20世纪80年代后期开始)，RISC技术的
出现使微处理器的体系结构发生了重大改革
1.2冯·诺依曼型计算机的主要特征
1.2.1 计算机的基本组成 冯·诺依曼型计算机的设计思想，即计算机由 五大基本部分组成。
现代计算机的典型结构
随着大规模和超大规模集成电路出现，就把 一台计算机的运算器和控制器集成到了一块 芯片内，称为CPU（Central Processing Unit）
1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair Kilby)、仙 童半导体公司的诺依斯(Robert Noyce)等人研究实现了 集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成 电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发 展的新的标志。
集成电路的分类 与数字集成电路的特点
集成电路分类
1.3 计算机的特点及应用
1.3.2 计算机的应用
1．科学计算 2．数据处理（非数值计算） 3．过程控制 4．人工智能 5．网络应用 6．计算机辅助工程 7．嵌入式应用
1.4 计算机系统的层次结构
1.4.1 计算机系统 的层次结构 为了便于系统的
分析、设计与开 发，通常将计算 机系统划分为五 级。
数字逻辑与计算机组成原理
2015年春季学期
主讲：傅 游 教授 于建志博士
计算机硬件系列课程结构
计机系统结构
计算机系统的 软硬件功能分配
计算机组成原理 数字逻辑
计算机系统的 逻辑实现 计算机组成的 物理实现
数字逻辑与计算机组成原理 的关系
数字逻辑是计算机组成原理的先修课程
计算机组成原理课程中经常出现的译码器、 编码器、数据选择器、数据分配器、队列、 堆栈、锁存器、寄存器等术语，必须在数字 逻辑课程中牢固掌握基本概念。
天河二号
天河二号
采用自主研制的CPU
天河二号
按规模及性能分类
(2)大型机(Main-frame) (3)小型机(Minicomputer) (6)工作站(Workstation) (7)微型机(Microcomputer)
第一阶段(1971—1977年) 第二阶段(1978—1981年) 第三阶段(20世纪80年代初至中期)，IBM推出了以
1.1.2 计算机的分类
1、按处理对象的表示形式分类 按计算机所处理对象的表示形式不同可以分成 模拟计算机与数字计算机两类。 2、按用途分类 计算机按其用途来分可以分成专用计算机和通 用计算机两类。 3、按规模及性能分类 通用计算机按其规模及性能来分，又可分为巨 型机、大型机、小型机、工作站和微型机五种 类型。
这样，现代计算机可认为由CPU、主存与I/O 设备组成。
冯·诺依曼型计算机的三大特征
冯·诺依曼型计算机除了硬件由五大部分组 成的主要特征外，还具有“存储程序”和“ 采用二进制”两大主要特征。
要实现机器的自动计算，必须先将计算程序 与用到的数据存入计算机的存储器中，称为 “存储程序”。
在计算机中，计算程序及数据是用二进制代 码表示的，称为“采用二进制”。
Theoretical Peak (Rpeak)：54,902.4 TFlop/s
第一名：天河2号
Site:
Manufacturer: Cores:
Linpack Performance (Rmax)
Theoretical Peak (Rpeak) Nmax Power: Memory:
Processor:
四（五） 1978－现在
硬件技术
电子管
晶体管
中小规模 集成电路
大规模 集成电路
超大规模 集成电路
速度 /（次/秒） 40 000 200 000
1 000 000
10 000 000 100 000 000
齿轮式加减计算器
1871Lucasian Professor of Mathematics, Cambridge University, 1827-1839
1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
2.9 万个晶体管 13.4 万个晶体管 27.5 万个晶体管 120.0 万个晶体管 310.0 万个晶体管 550.0 万个晶体管 750.0 万个晶体管 950.0 万个晶体管 4 200.0 万个晶体管
按规模及性能分类
(1)巨型机(Super Computer) 2012年6月18日，国际超级电脑组织公布的全球 超级电脑500强名单中，“天河一号”排名全球 第五。
2013年6月-2014年11月
中国的天河二号四次蝉联全球超级计算机排行 榜第一
Linpack Performance (Rmax) ： 33,862.7 TFlop/s
天河2由16000个浪潮的节点组成 每个节点有2颗基于Ive Bridge-E Xeon
E5 2692处理器和3个Xeon Phi 累 计 共 有 32000 颗 Ive Bridge 处 理 器 和
48000个Xeon Phi 总计有312万个计算核心
天河二号
※每个Xeon Phi使用其中的57个核心，而不是使用全部的61 个，因为使用61个在运算周期协调方面会有问题，而使用 57个核心能够加速4个执行线程，并且在每个线程单周期可 以达成4flops的运算量，运行在1.1GHz的Xeon Phi可以生 产1003 Tflops的双精度运算能力。
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位
路）
摩尔定律
集成度每18个月翻一番
数字逻辑的内容
数字逻辑的基本理论：逻辑代数 无记忆的逻辑电路：组合逻辑电路 有记忆的逻辑电路：触发器及时序逻辑电路
（同步和异步） 可编程逻辑器件和数字系统：软件实验、后
续课程学习
第一章 计算机系统概论
主要内容
1.1 计算机的发展与分类 1.2 冯·诺依曼型计算机的主要特征 1.3 计算机的特点及应用 1.4 计算机系统的层次结构 1.5 计算机系统的硬件组成 1.6 计算机的软件系统 1.7 计算机系统主要性能指标
※每个运算节点有64GB主存、而每个Xeon Phi板载8GB内存 ，因此每个节点共有88GB内存，总计16000个节点一共有 1.404 PB内存，而外部存储器容量方面更是高达12.4PB.
天河二号
天河二号
天河二号超级计算机系统由170个机柜组 成（包括125个计算机柜、8个服务机柜 、13个通信机柜和24个存储机柜），占 地面积720平方米，内存总容量1400万亿 字节，存储总容量12400万亿字节，最大 运行功耗17.8兆瓦。
※如果考虑CPU,2 Ivy Bridge * 0.2112 Tflop/s + 3 Xeon Phi * 1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2个Ive Bridge+3个 Xeon Phi单个节点可以有3.431 Tflops运算能力，16000 个节点总计可达54.9PFlops性能。
1.2.2 存储程序工作方式
1．根据求解问题事先编制程序 2．将程序存入计算机中 3．计算机自动、连续地执行程序
首先，将指令和数据分开存放。 其次，在CPU中设置 一个程序计数器(PC)， 用它存放即将执行 指令所在的存储单元 的地址。
1.3 计算机的特点及应用
1.3.1 计算机的特点
（1）自动、连续地执行程序。 （2）运算速度快。 （3）运算精度高。 （4）存储能力强。 （5）通用性好。
Intel Xeon E5-2692v2 12C 2.2GHz
TH Express-2 Kylin Linux icc Intel MKL-11.0.0
MPICH2 with a customized GLEX channel
国防项目、预测地震、进行气候建模以及帮助国内汽车产业 的发展。
天河二号
“天河二号”由280人历时两年多研制完 成，耗资约1亿美元
计算机组成原理课程的实践教学，需要用到 FPGA、ISP 一类高密度可编程器件和VHDL 硬件描述语言
数字逻辑
数字逻辑——
进入数字化世界的基础知识 计算机硬件系列课第一门 计算机组成的物理实现
数字集成电路—— 研究数值的逻辑加工和运算的电路
数字逻辑与数字电路的历史
逻辑代数的历史
1849 年 ， 爱 尔 兰 数 学 家 乔 治 ·布 尔 (George Boole)创立布尔代数。
Interconnect: Operating System: Compiler: Math Library:
MPI:
National Super Computer Center in Guangzhou
NUDT 3,120,000
33,862.7 TFlop/s
54,902.4 TFlop/s 9,960,000 17,808.00 kW 1,024,000 GB
1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性
硬件是计算机系统发挥其功能的物质基础。 软件是根据所要完成的特定任务对硬件的功