計算機組成原理

白中英主編

科學出版社

計算機核心專業課程

2011年7月9日2時12分

天搬硒勤!!

?許德剛

?信息學院計算機工程系

?TEL:67789848,66677513

?Email:xulaoshi@

?xu_laoshi@

?

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主要參考書

主教材：

?計算機組成原理白中英主編科學出版社

參考教材：

?1.計算機組織與結構WilliamStallings

高等教育出版社

?2.計算機組成與結構王愛英主編清華

大學出版社

?3.薛勝軍華中科技大學出版社計算機組成

原理

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目錄

第一章計算機系統概論

第二章運算方法和運算器

第三章存儲系統

第四章指令系統.

第五章中央處理器

第六章總線系統

第七章外圍設備

第八章輸入輸出系統

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第一章計算機系統結構

□簡介

口計算機的發展

口計算機體系結構和組織

口計算機的硬件結構

口計算機軟件

口計算機的層次結構

口計算機的功能

口計算機的技術指標

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概述

機械計算機

電子模擬計算機:數值由連續的量來表示。

電子數字計算機：計算機中的數值由不連續的數字來表示。

專用機：經濟，有效，快速，適應性差

通用機：適應性強

巨型機大型機中型機小型機微型機單片機

低簡易性.高

!體積，功耗，性能，價格低

「一

49日2時］2分DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

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V/lICII202

1642BlaisePascal1822差分機

1833分析機ENIACMARKI

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簡介

■電子數字計算機是一種能夠自動、快捷，準確地

實現信息存放數值計算、數據處理過程控制等多

種功能的電子機器，其基本功能是進行數字化信

息處理。

■世界上第一臺計算機ENIAC(Electronic

NumericalIntegratorAndCalculator)誕生于

1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學摩爾理

工學院的摩切利和埃卡特發明的。

■計算機應用于科學計算、數據處理、工業控制、

實時控制、人工智能、虛擬現實、遠程教育、電

子商務等多種領域。

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計算機的發展——一第一臺電子計算機（ENIAC）

5000次加法/秒

體重28噸

占地170M2

18800只電子管

1500個繼電器

7000個電阻

10000個電容

耗電150KW

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最早的計算機模型

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計算機的發篌

類型時期主要器件重要特征

第一代1946-1957電子管機器語言，匯編語言

速度低，體積大，價格昂貴

可靠性差，用于科學計算。

第二代1958-1964晶體管算法語言，操作系統

體積縮小，可靠性提高

從科學計算擴大到數據處理。

第三代1965-1971中、小規模體積小，可靠性大大提高，速度

集成電路達兒百萬IPS,軟件技術和外設

發展迅速應用領域不斷擴大。

第四代1972-中、大及超速度提高至GIPS乃至TIPS水平

大規模集成多機并行處理和計算機網絡迅速

電路發展。

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漪/-71■■卜.■尸

_l/T1

r時代機型產地

--ENIAC1946美.賓州大學

各時代EDSAC1949英?劍橋大學

1031953

代表機型--IBM70901958IBM

DJS-21,108^X-2,441B中國

..▲IBM360/370系列IBM

CDC6000/7600,STAR-100,CDC

NOVA,PDP-11

DJS-130/200中國

四微型機APPLE,IBM-PC

VAX系列

長城0520,....................

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年代邏輯元件主存輔存語言處理速度代表機種

第一代194619電子管磁芯、磁磁帶機器語言1萬匆秒ENICA

57鼓匯編語言IBM650

IBM709

第二代1958晶體管磁芯、磁磁帶、磁高級語言幾萬次IBM7094

1964鼓盤編譯語言幾百萬次DTS-121

操作系統/秒X-2

第三代1965集成電路半導體存磁帶、磁多道程序百萬次IBM360

1971.和大規模儲器盤實時處理千萬次DJS-100

集成電路

第四代1972--超大規模半導體存高速磁盤數據庫系千萬次VAM1

集成電路儲器統1億初秒INTEL系

網絡結構列

.1--一.1.TL

ng.X-u,Z~9\hungzknology.

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凰園署周潺僧規

年份型號管數年份型號管數

1971400423001993PENTIUM310萬

1972800835001995P-PRO550萬

1974808060001997P-MMX450萬

19788086290001997P-II750萬

19828028613萬1998Celeron750萬

1985386DX27.5萬1999P-III950萬

1989486DX120萬1999.10P-III-COP2800萬

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?第五代計算機

?通信、存儲、信息處理和人工智能相結

合的超巨能計算機。

?第六代計算機

?利用光電子元件、超導電子元件或生物

電子元件作為計算機的核心元件。

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二分類

通用機：通用性強，綜合能力強，解決各種問題

按用途分類

專用機：特殊配置，功能單一，解決特定問題

巨型機：速度最快、處理能力最強

已達十幾萬億次浮點運算

“銀河in”達每秒130億次

大型機：大型、通用、較快、較強

作“客戶機/服務器”的服務器

作“終端/主機”的主機

小型機：規模小，結構簡單，設計試制周期短

按綜合性能

工藝先進、使用維護簡單

指標分類

工作站：介于PC與小型機之間

高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強

微型計算機：小、巧、輕、使用方便、價格便宜

中央處理器：一個芯片

網絡計算機：基于Java技術的瘦客戶機系統

低高

體積弱

功能-易

數據存儲量/

箱令系院/微型機\性

價格

/I小型機

大型機

巨型機悔

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.計算機的應用

計算機的主要應用領域計算機的應用類型

1.工商：電子商務、CAD/CAM1.科學計算

2.教育：多媒體教育、遠程教育2.過程控制

3.醫藥：CAT、MRL遠程醫療3.CAD/CAM/CAT

4.政府：電子政府4.數據處理

5.娛樂：虛擬現實、電影特技5.電子商務

6.科研：數據采集、計算分析6.多媒體技術

7.家庭：家庭信息化7.人工智能

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計算機體系結構和組織

硬件

計算機體系結構概念的實質是計算機系統中軟硬件界

面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬

件和固件的功能。

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電子計算機的設計思想

?存儲程序控制

?“存儲程序”是把指令以代碼的形式事先輸入

到計算機的主存儲器中，即用記憶數據的同一

裝置存儲執行運算的命令，這些指令按一定的

規則組成程序；

?“程序控制”是當計算機啟動后，程序就會控

制計算機按規定的順序逐條執行指令，自動完

成預定的信息處理任務。

?馮諾依曼駕計算機的設計思想：存儲程序并

按地址順序執行。

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一.硬件系統

存儲黑運留器控制器輸入設備輸出設備

系統總線

運

算

器

二.軟件系統

系統軟件：OS,語言處理，服務程序，數據庫管理系統

用來提高使用效率，發揮和擴大計算機功能和用途的

程序。

應用軟件：工程設計，數據處理，自動控制，企業管理

用戶用來解決某些問題而編制的程序。

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?運算器：計算機中進行算術運算和邏輯運算的部件。

?存儲器：存放程序和數據的部件(R/W)。

■控制器：控制計算機有條不紊地執行程序的部件。

程序控制

■輸入設備：能將人們所熟悉的信息形式變換為計算機

內部能接收和識別的二進制信息的設備。

?輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其它設備

所能接收和識別的信息形式的設備。

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器運算器

輸第一單元

入

高速緩存輸

出輸入

主存儲器接

口

和輸出

外存設備總

第三單元線第四單元

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

運算器

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

運算器部件是計算機中進行數據加工的部件,

其主要功能包括：

1.執行數值數據的算術加減乘除等運算，

執行邏輯數據的與或非等邏輯運算，

由一個被稱為ALU的線路完成。

2.暫時存放參加運算的數據和中間結果，

由多個通用寄存器來承擔。

3.運算器通常也是數據傳輸的通路。

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計算機硬件系統

控制器

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器I

控制器是計算機中控制執行指令的部件：

一.正確執行每條指令

1.首先是取來一條指令，

2.接著分析這條指令，

3.再按指令格式和功能執行這條指令

二.保證指令按規定序列自動連續地執行。

三.對各種異常情況和請求及時響應和處理。

說到底，控制器要向計算機各功能部件提供

每一時刻協同運行所需要的控制信號

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計算機系統結構二一計算機的硬件結構

控制器

高速緩存

主存儲器

外存設備

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器

由高速緩沖存儲器，主存儲器，

高速緩存外存儲器所組成的多級（層）存儲器

，系統，是計算機中用于存儲程序和數

主存儲器

據的子系統。這三級存儲器所用的

外存設備存儲介質的工作原理和特性各不相同。

將作為三個部分分別講解

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計算機系統結構計算機的硬件結構

|3

控制器運vT器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設備

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器運算器

高速緩存

一.|輸入設備

主存儲器輸入設霰口計算機中送入程序和數

據的有一定獨立功能的設備，通過接

外存設備口和總線與計算機主機連通，用于

人一機交互聯系，如計算機鍵盤和鼠標

等。

Degang

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器運算器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設備輸出

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設備輸出

輸出設備是計算機中用于送出計算機

內部信息的設備，例如打印機,顯示器等。

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計算機系統結構-一計算機的硬件結構

控制器

高速緩存

輸入

主存儲器

外存設備輸出

這些部件和設備通過總線和接口連接在

初牽一起，構成計算機整機系統，協同運行.

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計算機的硬件結構

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,,

計算機基本工作原理

1.指令:讓計算機完成某個操作發出的命令。（用二進制

代碼來表示）

2.程序操作碼操作數

有序的指令集合。

3.指令的執行

取指周期：

執行周期：

4.程序的執行

CPU不斷地取指令池

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2、計算機軟件

軟件=程序+數堀+文檔操作系統

語言處理程序

-----系統軟件一——診斷程序

——反病毒程序

實用程序------卸載程序

軟件分類一?——備份程序

辦公軟件包文件壓縮程序

數據庫管理系統

應用軟件一網絡軟件

實時控制軟件

圖形圖像處理軟件

其它應用軟件

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⑴操作系統

一管理和控制計算機系統的所有資源（包

括硬件和軟件）

-----裸機+操作系統二虛擬機

目的---------不需了解軟硬件細節，提高工作效率

-----統一管理和調度資源，提高使用效

率和經濟效益

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(2)實用程序

操作系統自己帶一些

第三方開發

診斷程序：SCANDISK

反病毒程序：KV300、金山毒霸

卸載程序：Windows中的添加/刪除程序

備份程序：Windows2000中的備份程序

文件壓縮程序:ARJWinZip

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(3)語言處理程序

機器語言

匯編語言

面向過程：BASIC>Pascal

、FORTRAN>C等

面向對象:C++、Java、Visual

-----面向問題的語言Basic等

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計算機的技術才旨標

字長

運基了器

法器:參與算的本位數,它決定寄存、加

元據的。

精度、存儲單和數總線位數它標志著計算

O

主量儲以的

■存容：存器可容納二進制信息量。

■時行的數

運算速度：單位間內執指令平均條。

、外配功大

■軟硬件配置：部設備的備和能強的操作

統計

系和程序設語言。

價：價衡算綜

?性能格比性能和格之比是量計機的合

指標。

l

DegangXu,ZhengouInefTchnoogy

zhstituOe.

2年2

0117月9日2時1分

X

uoshitm.com

la@o

計算機的技術指標

?以性能/價格比為核心

?性能的衡量標準

-時間、基準程序、硬件測量工具

?價格的因素

-集成電路的工藝、產品的生產過程、銷售過程

?性能價格設計的一些原則

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vt"算機的發展—Pentium和PowerPC發展概述.

,Pentium系列微處理器的發展概況

-8080、8086、80286、80386、80486、

Pentium>PentiumPro>PentiumII>

PentiumIII>PentiumIV>Merced>Prescott

-CISC

?PowerPC系列微處理器的發展概況

—601、603、604、620

-RISC

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計算機的發展一一發展趨勢

?計算機應用的發展趨勢

-程序及數據所使用存儲器容量的不斷增大：程

序所需的存儲器容量平均每年遞增1.5-2%,

也就是說計算機的地址位以每年1/2?1位的速

度遞增。

-編譯器的重要性日益突出。編譯器已逐漸成為

用戶與計算機的主要界面。

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摩東定律

早在1964年,英特爾公司創始人戈登?摩爾(Gordon

Moore)在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路

的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名

的摩爾定律。作為迄今為止半導體發展史上意義最深遠

的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發展歷史準確無

誤地驗證著。

摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計算機

系統性能將會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而

花費的資金不會增加。我們完全有理由相信,這種趨勢

在今后20年還會持續下去，我們還沒有達到物理上造成

計算機性能停滯不前的任何限制。

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計算機的發展發展趨勢

?計算機系統設計技術的發展趨勢

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計算機的發展發展趨勢（資源共享）

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計算機的發展發展趨勢（資源重復）

部件冗余同構型多處理機

多操作部件1，多存儲體//緊密耦合系統

并行處理機/1

多處理機

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