2021/7/22計算機組成原理陳偉婷辦公室：理科大樓B223C課程說明2021/7/222課程必修課，36學(xué)時，2學(xué)分教材白中英.計算機組成原理（第四版）.科學(xué)出版社,2007.參考資料張晨曦等.計算機體系結(jié)構(gòu).北京:高等教育出版社,2000.蔣本珊編著.計算機組成原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.成績平時成績：40%期末考試：60%。作業(yè)必須手寫，上課之前交上一次作業(yè)實驗與本課程對應(yīng)的實驗：“計算機組成實驗”期中考試后開始2021/7/223主要內(nèi)容2021/7/224

計算機系統(tǒng)概論

運算方法和運算器

存儲系統(tǒng)

指令系統(tǒng)

中央處理器

總線系統(tǒng)

外圍設(shè)備

輸入/輸出系統(tǒng)第1章

計算機系統(tǒng)概論2021/7/225

計算機的分類和應(yīng)用

計算機硬件

計算機軟件

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計算機發(fā)展簡史1.1

計算機的分類2021/7/226電子計算機從總體上來說分為兩大類：電子模擬計算機特點:數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是 連續(xù)的。電子數(shù)字計算機特點:按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。數(shù)字計算機分類2021/7/227數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分：專用計算機：-專為某些特定問題設(shè)計的功能單一的計算機。是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。通用計算機：－功能齊全，適應(yīng)性很強，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。通用計算機分類通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可分為：超級計算機大型機服務(wù)器工作站微型機單片機2021/7/228全球超級計算機前十位（

2011年11月）2021/7/229名稱 運行速度（千萬億次/秒）日本“京”10.512中國“天河一號”2.566美國“美洲豹”1.759中國“星云”1.271日本“燕子2.0”

1.192美國“Cielo”1.1107美國“昴宿星”1.0888美國“Hopper”1.0549法國“Tera-100”1.05010美國“走鵑”1.042全球超級計算機前十位（

2010年11月）2021/7/2210運算速度為持續(xù)速度¤

1中國天河一號（TH—1A），每秒2566萬億次¤

2美國Cray

Jaguar，每秒1759萬億次¤

3中國曙光星云，每秒1271萬億次¤

4日本NEC/HP

TSUBAME，每秒1192萬億次¤

5美國Cray

Hopper，每秒1054萬億次¤

6法國BULL

Tera—100，每秒1050萬億次¤

7美國IBM

Roadrunner，每秒1042萬億次¤

8美國Cray

KrakenXT5，每秒831.7萬億次¤

9美國IBM

JUGENE，每秒825.5萬億次¤

10美國Cray

CieloXE6，每秒816.6萬億次工作站服務(wù)器2021/7/2211112021/7/2212計算機的應(yīng)用2021/7/2213CAD：計算機輔助設(shè)計ComputerAidedDesignCAM：計算機輔助制造ComputerAidedManufacturing科學(xué)計算（運算速度）信息處理（存儲容量）測量與控制（自動化）人工智能領(lǐng)域其它應(yīng)用CAI：計算機輔助教學(xué)

Computing

AssistedInstruction…

…2021/7/2214第1章

計算機系統(tǒng)概論2021/7/2215

計算機的分類和應(yīng)用

計算機硬件

計算機軟件

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計算機發(fā)展簡史馮·諾依曼型計算機2021/7/2216設(shè)計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行使用二進制數(shù)并存儲程序按地址自動執(zhí)行五大部件：控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備1.2

計算機的硬件組成輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備結(jié)果2021/7/2217數(shù)據(jù)存數(shù)

取數(shù)運算器五大部分:運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備實線：控制流

虛線：反饋線

粗線：數(shù)據(jù)流輸入命令

輸出命令控制器數(shù)字計算機的主要組成結(jié)構(gòu)2021/7/2218運算器算術(shù)運算和邏輯運算在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的運算器的長度一般是8、16、32或64位運算電路單元寄存器B累加器A2021/7/2219存儲器2021/7/2220存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）¤

位(bit)1位二進制信息（0或1）數(shù)字計算機的最小信息單位¤

字節(jié)（Byte）1Byte=8bit¤

字（Word）計算機一次所能處理的一組二進制數(shù),至少由一個以上的字節(jié)組成通常把組成一個字的二進制位數(shù)叫做字長¤

存儲器容量即存儲器所有存儲單元的總數(shù)，常用KB、MB、GB、TB等來表示1KB＝1024B＝210Byte，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB＝1024GB2021/7/2221手工計算y=ax+b-c存儲器的三大指標容量(C)+價格(P)+速度(S)容量大 速度

,

速度 成本 容量采用分級存儲方式來解決上述矛盾輔存CPU主存輔存輔助軟硬件主輔存兩級存儲系統(tǒng)cache主輔存三級存儲系統(tǒng)輔存主存

cache

主存2021/7/2222控制器2021/7/2223指揮和控制計算機中各部件使其協(xié)調(diào)一致工作。指令：操作碼+地址碼程序：指令的有序集合指令系統(tǒng)：一臺計算機所擁有的全部指令存儲程序的概念¤

指令和數(shù)據(jù)都以二進制的形式存放在存儲器中（二進制原理）¤

機器自動順序取出每條指令進行分析，執(zhí)行其規(guī)定的操作（程序控制原理）計算機執(zhí)行模擬過程控制器的基本任務(wù)控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。－取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器；－執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。2021/7/2224I/O設(shè)備、適配器與總線2021/7/2225輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式適配器：相當于一轉(zhuǎn)換器，以使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路第1章

計算機系統(tǒng)概論2021/7/2226計算機的分類和應(yīng)用計算機硬件計算機軟件計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機發(fā)展簡史計算機軟件的組成與分類2021/7/2227計算機硬件是載體，軟件是靈魂。凡是用于一臺計算機的各種程序，統(tǒng)稱為這臺計算機的程序或軟件系統(tǒng)。計算機軟件的分類：系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。包括：1）各種服務(wù)性程序2）語言程序3）操作系統(tǒng)

4)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用程序是用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序。軟件的發(fā)展演變2021/7/2228手編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編高級程序：算法語言/高級語言，機器編譯程序/解釋程序操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)軟件高級語言的出現(xiàn)1954年美國商業(yè)機器公司(IBM)的J.W.巴克斯等人發(fā)表第一個高級程序語言FORTRAN文本,1956年在IBM704型電子計算機上實現(xiàn)了第一個FORTRAN編譯程序。2021/7/2229第1章

計算機系統(tǒng)概論2021/7/2230計算機的分類和應(yīng)用計算機硬件計算機軟件計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機發(fā)展簡史1.4計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機層次結(jié)構(gòu)2021/7/22312021/7/2232軟、硬件的邏輯等價性2021/7/2233隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)的軟、硬件界限變得模糊，實體硬件機的功能范圍不斷擴大。固件：從功能看是軟件，從形態(tài)看是硬件。第1章

計算機系統(tǒng)概論2021/7/2234計算機的分類和應(yīng)用計算機硬件計算機軟件計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機發(fā)展簡史計算機進展時序表2021/7/22351904年1939年1940年1943年弗來明發(fā)明真空管和二極管；阿塔納索夫(John

Atanasoff)和拜利(CliffordBerry)在衣阿華大學(xué)發(fā)明第一臺計算機。1973年關(guān)于一項專利侵權(quán)訴訟案裁定，該項研究是現(xiàn)代計算機的思想起源；德國的祖斯(KonradZuse)利用二進位數(shù)和布爾邏輯(Booleanlogic)開發(fā)出第一臺可編程計算器，他的程序是在紙帶上編輯的；世界上第一臺電子管可編程邏輯計算器“克羅蘇斯”在英國建成，用于破譯德國納粹的密碼。

“克羅蘇斯“平均兩小時破譯一份密碼電報；1904年，英國人弗萊明發(fā)明真空電子二極管。1906年，美國人德弗雷斯特發(fā)明電子三極管。2021/7/2236Konrad

Zuse

（1910-1995）1939至1941年Zuse完成了世界上第1臺機電式、程序控制的數(shù)字計算機Z32021/7/22371945年圖靈在《萬用機器》(UniversalMachine)雜志上發(fā)表論文，闡述現(xiàn)代計算機原理1950年圖靈發(fā)表論文“計算機與智能”，奠定了人工智能的基礎(chǔ)2021/7/22381945年馮·諾依曼寫出描述存儲程序計算機的文件，奠定了計算機工業(yè)的基礎(chǔ)。他的工作與圖靈相對獨立；馮·諾依曼是成就卓著的科學(xué)家，在現(xiàn)代數(shù)學(xué)、量子物理學(xué)、邏輯學(xué)、氣象學(xué)、軍事學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、決策論、博弈論以及計算機等學(xué)科都做出了重大貢獻。John

Louis

von

Neumann（1903-1957）2021/7/22391946年第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC在賓夕法尼亞大學(xué)誕生2021/7/2240Vacuum

tube

in

ENIAC2021/7/2241Input

Pannel2021/7/2242Cable2021/7/2243Programing2021/7/2244Debug(線路檢查)2021/7/22451947年1949年貝爾電話實驗室的巴頓、布拉泰因和肖克利發(fā)明晶體管;貝爾實驗室公布香農(nóng)(Shannon)的中繼邏輯理論；1876年貝爾發(fā)明電話貝爾實驗室2021/7/22461951年1952年“尤尼瓦克”（UNIVAC）成為第一臺商用計算機；第一個數(shù)據(jù)庫在美國無線電公司的“俾斯麥”(Bizmac）計算機使用；1952年海軍上將霍伯研制出計算機程序編譯器，導(dǎo)引了用戶友好語言的創(chuàng)造，打開了通向更大規(guī)模計算機應(yīng)用和用戶的大門；Grace

M.

Hopper美國前總統(tǒng)里根在白宮給霍普頒獎2021/7/22471954年1955年1957年1958年1958年1958年阿姆代爾(GeneAmdahl)為IBM704型機開發(fā)出第一套計算機操作系統(tǒng)；約翰遜(ReynoldJohnson）開發(fā)出第一個磁盤驅(qū)動器；FORTRAN語言成為商用語言；德克薩斯儀器公司的基爾比發(fā)明集成電路；控制數(shù)據(jù)公司的克雷(SeymourCray)開發(fā)出第一臺晶體管化的計算機；ALGOL計算機語言，一種專門為編程科學(xué)計算而設(shè)計的高層次語言投入使用；2021/7/22481959年1961年1962年1963年1964年1964年COBOL計算機語言創(chuàng)造出來；硅芯片首次出現(xiàn)；第一臺小型機投入使用；SRI公司的英格利巴特(DouglasEnglebart)獲得計算機鼠標概念的專利；IBM公司推出360型計算機，該型機在其生命周期內(nèi)的銷售額將達1000億美元；凱邁尼(JohnKemeny)和庫爾茲(ThomasKurtz)開發(fā)出BASIC計算機語言；2021/7/22491965年1965年英特爾公司總裁摩爾提出，集成電路的復(fù)雜性每18個月翻一番。在這后來成為著名的“摩爾定律”，并被應(yīng)用到微處理器速度上；數(shù)字設(shè)備公司(DEC)推出PDP-8小型計算機；Moore2021/7/22501969年

開發(fā)出PASCAL計算機語言；1971年

英特爾冷巴的4004通用型

4比特微處理器,開始向英特爾公司著

名的386、486系列計算機以及“奔騰”處理器過渡;1973年

施樂(Xerox)首次開發(fā)出以太網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LAN)技術(shù)；1975年

比爾·蓋茨和保爾·艾倫創(chuàng)建微軟公司；2021/7/2251+2021/7/2252=MicrosoftAltair8800+Bill

Gates=Microsoft牽牛星8800+比爾.蓋茨=微軟微軟(Microsoft)的誕生（1975）1976年1976年1979年1980年1981年1982年1983年1983年史蒂夫·喬布斯(Steve

Jobs)和史蒂夫·烏茲尼亞克

(Steve

Wozniak)成立蘋果計算機公司；

IBM公司阿蘭·舒格特(AlanShugart)發(fā)明5.25英寸軟盤；布瑞克林(DanBricklin)推出維西卡爾(Visicalc)制表軟件；IBM公司艾斯特里奇(PhilipEstridge)開發(fā)出個人計算機(PC)機用的第一個硬驅(qū)動器，容量10MB；IBM公司推出PC機；第一臺IBM兼容性PC機由哥倫比亞數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司推出蘋果計算機公司推出“麥金托什”計算機；微軟公司推出微軟窗口1.0軟件。2021/7/2253現(xiàn)代計算機理論基礎(chǔ)2021/7/2254布爾代數(shù)阿塔納索夫計算機三原則圖林機維納現(xiàn)代計算機五大原則香農(nóng)計算機開關(guān)電路馮諾依曼計算機原理電子計算機之父1939年年底，阿塔那索夫教授和貝利組成的團隊發(fā)明了

Atanasoff-Berry計算機。它重700磅，有300多個真空管，以及1英里長的電線。它可以在每15秒鐘完成一個計算操作。使用了電子真空管，采用二進制數(shù)代替十進制數(shù)，將電容器放置在一個旋轉(zhuǎn)的圓筒中充當存儲器，增加一個充電過程以防止因為掉電而引起存儲的數(shù)據(jù)丟失。克利福德·貝利約翰·阿塔那索夫2021/7/2255現(xiàn)代電子計算機之父2021/7/22561944~1945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾伊曼在第一臺現(xiàn)代計算機

ENIAC尚未問世時注意到其弱點，并提出一個新機型EDVAC的設(shè)計方案，其中提到了兩個設(shè)想：采用二進制和“存儲程序”。這兩個設(shè)想對于現(xiàn)代計算機至關(guān)重要，也使馮·諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計算機之父”，馮·諾伊曼機體系延續(xù)至今。馮?諾依曼體制引進存儲程序概念，程序和數(shù)據(jù)一樣放在同一個存儲器中數(shù)據(jù)以二進制碼表示機器以運算器為核心指令由操作碼和地址碼兩部分構(gòu)成計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分構(gòu)成這些理論奠定了現(xiàn)代計算機的基本思想，到目前為止，大多數(shù)計算機沿用這一體制，人們稱其為馮?諾依曼體制2021/7/2257數(shù)字計算機的發(fā)展2021/7/2258計算機發(fā)展的6個規(guī)律2021/7/2259Moore定律：¤

微處理器內(nèi)晶體管數(shù)每十八個月翻一番；Bell定律：¤

如保持計算能力不變，微處理器價格，每十八個月減少一半；Gilder定律：¤

未來25年（1996年預(yù)言），主干網(wǎng)帶寬每6個月增加一倍；Metcalfe定律¤

網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。半導(dǎo)體存儲器發(fā)展規(guī)律：¤

DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍硬盤存儲技術(shù)發(fā)展規(guī)律：¤

硬盤的密度每年增加約一倍Moore’s

Law2021/7/2260新摩爾定理由于國際互聯(lián)網(wǎng)及電子商務(wù)的超高速的發(fā)展，從現(xiàn)在起，每18個月,新增的存儲量等于有史以來存儲量之和!———1998年圖靈獎獲得者Jim

Gray2021/7/2261計算機發(fā)展的趨勢2021/7/2262速度越來越快體積越來越小成本越來越低功耗越來越低計算機系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2021/7/2263計算機網(wǎng)絡(luò)與分布式計算機系統(tǒng) 以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)知識庫與人工智能技術(shù)從數(shù)值計算為主發(fā)展到以知識推理為主，進入知識處理階段多處理機并行計算技術(shù)：模塊化計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多媒體技術(shù)：在微處理器、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信等方面引起一次重大改革我國計算機技術(shù)的發(fā)展1958年：第一臺電子管計算機103機(DJS-1)1965年：第一臺晶體管計算機108機1970年：第一臺集成電路計算機(DJS—100)1985年：銀河－I巨型機1億次/S國防科大1984年：長城0520系列(與IBM－PC兼容)1992.11：銀河－II巨型機10億次/S國防科大1997.6：

銀河－Ⅲ巨型機

130億次/S銀河－II巨型機2021/7/2264計算機體系結(jié)構(gòu)－計算機組成－計算機實現(xiàn)2021/7/2265計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)是確定計算機系統(tǒng)中軟硬件的界面，界面之上是軟件的功能，界面之下是硬件和固件的功能。計算機組成（ComputerOrganization）指的是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括物理機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。它著眼于