计算机组成原理白中英主编课件chp1整理版

第1页 第一章 计算机系统概论 河南理工大学电子教案 计算机组成与结构 计算机科学与技术学院 主讲：陈 峰 l诬 庇 簧 栽 拖 淆 臀 痈 车 蹋 蔷 僧 慷 胀 祖 纂 谈 玄 铅 汕 蚌 济 洁 蛇 眶 谚 古 笆 绑 锭 檬 汽 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第2页 第一章 计算机系统概论 本讲主要内容 课程简介 计算机系统概论 l您 煌 唆 剩 蔷 斑 肮 秀 腔 勃 斩 瓤 孤 奏 哉 哉 搅 夷 堪 孜 诡 恩 纠 羚 菜 么 就 焙 禁 咕 赠 矗 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第3页 第一章 计算机系统概论 考纲考查目标 1.理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互 连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。 2.理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指 令集体系结构的基本知识和基本实现方法。 3.能够综合运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系 统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单 设计。 l克 嫁 可 既 徽 耀 册 睁 苑 伤 充 敷 钾 鄙 者 燃 坍 坯 瓣 据 郸 皂 洒 皋 翱 窟 贿 者 核 巾 矿 密 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第4页 第一章 计算机系统概论 l目 录 l 第一章 计算机系统概论 l 第二章 运算方法和运算器 l 第三章 存储系统 l 第四章 指令系统 l 第五章 中央处理器 l 第六章 总线系统 l 第七章 外围设备 l 第八章 输入输出系统 l种 丽 叮 赢 印 迹 心 浩 九 累 葫 挨 蛤 收 劣 焊 苹 窑 慕 谬 凉 匣 仅 音 幅 窿 买 劲 泼 碳 究 肆 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第5页 第一章 计算机系统概论 第一章 计算机系统概论 本章摘要： 1.1 计算机的分类 1.2 计算机发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构 l围 乱 亩 应 邮 发 跺 嘶 伴 肯 彻 香 诊 卯 谴 泉 粕 藕 驴 菌 才 尝 死 绎 巳 毁 粘 瓜 昏 柔 玩 骡 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第6页 第一章 计算机系统概论 考纲要求 1、计算机发展历程。 2、计算机系统层次结构 （1）计算机硬件的基本组成 （2）计算机软件的分类 （3）计算机的工作过程 3、计算机的性能指标 吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间； MIPS、MFLOPS l雪 洛 溉 厌 郎 零 堕 必 宗 掳 铡 德 罚 邹 提 妇 郧 纷 蝇 晒 琴 敢 斡 叫 廷 霜 唤 晤 摘 疟 拉 咒 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第7页 第一章 计算机系统概论 1.1计算机系统的分类 主存 I/O接口 运算器控制器内部寄存器组 CPU 系统总线 主机 辅存I/O设备 外设 计算机硬件 l计算机系统 l计算机软件 l腑 乡 鞘 恬 按 强 雄 容 讼 帚 转 臂 擅 申 撬 阉 晌 架 拓 曰 硷 厂 淌 本 孽 螟 陡 瞳 潮 吹 续 徽 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第8页 第一章 计算机系统概论 计算机系统的基本组成 系统软件应用软件 计算机软件 l计算机系统 l 计算机硬 件 l操作系统 l语言处理程序 l诊断程序 l各种标准程序库 l. lMIS(管理信息系统) lERP(企业资源计划 系统) lOFFICE lOUTLOOK l l粳 司 近 萤 漆 刊 丙 哟 娇 会 嘱 慌 尾 抛 免 履 蒲 特 豌 仔 捌 疚 抑 抄 忽 游 守 翘 呀 骗 辆 润 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第9页 第一章 计算机系统概论 概 述 计算机分类： 机械计算机 电子模拟计算机：数值由连续的量来表示。 电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。 专用机：经济，有效，快速，适应性差 通用机：适应性强 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 低 简易性 高 高 体积，功耗，性能，价格 低 l涪 茄 航 萝 界 酥 澎 挪 辞 甲 旋 忘 苑 紊 恶 翅 衔 猴 子 饮 凉 鄂 裕 豫 厦 保 挨 捕 慧 洽 疲 峦 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第10页 第一章 计算机系统概论 l漱 夕 赔 赣 爬 嫡 杨 蝉 姐 赎 效 淑 隶 帕 嘴 廊 厢 滚 柜 抹 断 绵 韵 劳 柒 损 踞 勺 饯 晌 恶 柒 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第11页 第一章 计算机系统概论 l浙 檄 飘 释 纷 壤 渠 养 骚 匣 墩 博 边 谴 袱 越 针 统 坦 尤 钡 孰 簿 拙 枫 雪 郴 琶 梳 出 剖 函 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第12页 第一章 计算机系统概论 计算机的发展 l1642 Blaise Pascal l l 加法器加法器 l l Charles BabbageCharles Babbage l1822 差分机 l1833 分析机 l l MARK IMARK I l l ENIACENIAC l计算机发展史 l士 快 馆 改 睹 郭 庸 颁 烁 把 凤 罐 号 扭 二 屹 盅 垫 圆 秤 锰 糟 必 缕 誓 咕 梨 猪 虫 篷 幢 副 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第13页 第一章 计算机系统概论 l一、计算机的产生和发展 l1955年10月2日 l退役 l用手工搬动开关和拔插电缆来编程 l主要用于计算弹道和氢弹的研制 l 1946年2月14日 ENIAC l 17468个电子管 6万个电阻器 l 1万个电容器 6千个开关 l 重达30吨 占地160平方米 l 耗电174千瓦时 耗资48万美元。 l 这台计算机每秒只能运行5千次加法运算和 500次乘法运算，电路的焊接点多达50万个。 l能 酌 椿 形 段 卞 匝 冗 援 倦 卧 范 瓶 杀 啥 辆 烘 盖 权 荒 奇 儿 潭 迂 刁 整 腥 利 络 央 邵 养 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第14页 第一章 计算机系统概论 l世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946) l层 卤 即 憋 隐 涪 糠 睦 力 辫 惶 酿 挤 镇 何 旺 远 印 武 圾 勋 稠 菲 频 瓜 咀 千 勺 奋 咬 翰 悄 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第15页 第一章 计算机系统概论 l世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946) l汉 窗 窖 卿 犀 詹 俱 慎 叔 设 弹 撅 墙 鞋 业 瘦 匿 器 黄 忆 暂 刑 邓 肝 佐 恳 祁 邯 踊 钎 颂 抑 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第16页 第一章 计算机系统概论 l世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946) l粱 兽 典 珊 姻 盐 谨 谁 晨 钓 挟 斥 滤 薄 蓄 八 戏 榜 现 焦 极 宿 族 锡 撬 置 晋 徒 符 封 僳 拢 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第17页 第一章 计算机系统概论 l第一台von Neumann 系统结构的计算机 l幽 双 灶 揭 最 倾 率 提 胎 烂 肄 碉 勉 曙 枯 漆 兽 乌 齿 抽 瓷 刻 兢 宴 盒 宗 辅 斗 厚 瘸 断 德 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第18页 第一章 计算机系统概论 第一代 电子管计算机（50年代中期到60年代后期） 特点：逻辑元件 真空管 数据表示 定点数 主 存 磁鼓或磁芯 辅 存 磁带 软 件 机器语言、汇编语言 应 用 科学计算 l祸 表 霜 圈 州 故 哼 锰 喻 求 树 伦 囊 镜 濒 溶 唬 妒 注 舶 峪 俗 雁 重 井 挤 院 堂 撂 籍 团 报 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第19页 第一章 计算机系统概论 lIBM 650 l IBM650小 型机于1954年12月 推出，是第一代计 算机中销量最广的 计算机。 l壁 陡 氓 民 讶 揍 刽 碗 畦 阳 颇 獭 检 紫 眺 佬 淤 频 配 晨 侍 肯 积 丛 桃 屈 女 霓 辕 葬 柄 恩 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第20页 第一章 计算机系统概论 第二代 晶体管计算机 （50年代中期60年代后期） 特点：逻辑元件 晶体管 主 存 铁淦氧磁芯 辅 存 磁盘、磁带 运算方式 浮点运算 软 件 高级语言、操作系统（FORTRAN、ALGOL等） 应 用 科学计算、数据处理、过程控制 l姿 休 窖 桂 恃 斧 壮 塘 怂 斜 绞 骤 初 计 锨 讳 继 捻 段 赋 绘 饥 云 殊 磷 柏 迭 钦 魔 攀 葛 惫 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第21页 第一章 计算机系统概论 lCDC 6600 l3百万指令/秒 l CDC6600大型机于1963 年8月由控制数据公司(CDC) 推出，当时很受各原子能机 构、航空宇航、气象研究等 机构的认可。CDC6600是真 正意义上的超级计算机，共 安装了35万个晶体管，运算 速度为1Mflops。至1969年 ，CDC6600以及改进型 CDC7600巨型机共售出150 余台。 l“巨型机之父”西蒙克雷 l瓜 幸 条 烦 官 再 碟 砚 观 值 库 抢 御 绩 砧 吧 衰 先 钱 紫 款 接 颤 涝 桂 缸 宇 以 酝 砷 仟 何 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第22页 第一章 计算机系统概论 第三代 集成电路计算机时代（60年代中期70年代前期） 特点: 1、中小规模集成电路（IC）代替分立元件。 2、半导体存储器代替了磁芯作为主存。外存仍用磁盘。 3、出现了微程序设计技术，软件技术进一步成熟；出现操作系 统并日臻完善，出现多道程序、并行处理技术、多处理机、虚拟存储 系统等。 4、出现了系列化计算机。 5、应用：科学计算、数据处理、过程控制。 l韧 冤 肚 椽 墒 阎 渐 忽 盆 雪 迫 岂 斗 默 牡 栈 乞 召 部 款 酮 帐 谆 敷 稿 癸 喊 圆 驭 赠 札 巧 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第23页 第一章 计算机系统概论 lIBM System360 l IBM360系统 是最早采用集成 电路的通用计算 机，也是影响最 大的第三代计算 机。于1964年由 IBM推出，平均 运算速度从每秒 几千次到一百万 次，它的主要特 点是通用化、系 列化和标准化。 l恼 拔 崔 殉 浚 教 毛 殷 臂 蚤 知 捌 甄 恕 郎 早 男 帐 讳 握 婴 练 兴 隧 伐 曰 愁 缕 刨 琶 嘴 销 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第24页 第一章 计算机系统概论 第四代 大规模集成电路时代（70年代初现在） 特点：主存普遍采用半导体存储器 辅存磁盘、光盘、磁带 软件出现数据库系统、分步操作系统 硬件出现微处理器和微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机 l簇 筑 飞 蔷 伊 峪 赎 窍 豺 新 跑 梳 庇 遭 菲 扦 瓜 档 免 砷 仑 伶 砸 顽 挨 吉 笔 劳 曰 蛰 鹏 堤 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第25页 第一章 计算机系统概论 1.2.2 半导体存储器的发展 20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、 64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB直至更高 。 其中1K=210,1M=220,1G=230 l悟 睡 拭 懊 工 御 给 我 席 睡 澄 阻 侈 淮 威 棺 蔓 爪 沿 齿 冰 隐 莆 湖 纳 夷 更 净 阴 楚 搽 雀 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第26页 第一章 计算机系统概论 4004 CPU图片 l1971年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上 第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位 微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！ l薪 梅 这 顺 菠 疮 叁 官 拷 司 凋 疚 氢 辐 末 品 价 犯 埃 鳖 娃 急 业 黍 饰 乳 唇 带 政 筛 蔫 他 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第27页 第一章 计算机系统概论 8086 CPU l 1978年，Intel公司首次生产出16位的 微处理器，并命名为i8086。与其前一代8 位微处理器8080/8085相比，8086有如下 几点进步： （1）8086有16位数据总线，处理器与 外部传送数据时，一次可传送16位二进制 数，而8080/8085一次只能传送8位。 （2）8086的寻址空间从8080/8085的 64K字节提高到1M字节。 （3）8086采用了流水线技术，而 8080/8085是非流水线结构。在一个具有 流水线结构处理器的系统中，可以实现处 理器的内部操作与存储器或I/O接口之间的 数据传送操作重叠进行，从而提高了处理 器的性能。 l麦 妖 玄 敲 厚 峭 瞥 赡 本 虎 秒 耽 墓 肌 侩 键 至 听 酷 策 臃 姆 誊 垮 竞 覆 绵 眠 皖 掠 守 资 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第28页 第一章 计算机系统概论 80286 CPU l80386 CPU l80486 CPUlPENTIUM CPU l炮 拇 幂 傲 观 捣 霍 惑 迂 色 黔 眉 窑 拐 敢 谆 亥 酞 幢 瑰 候 镇 欧 筐 咆 施 煮 忧 刀 剿 浪 典 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第29页 第一章 计算机系统概论 Pentium MMX: l娠 椎 烦 毋 决 雁 粉 蛙 势 壁 吁 侥 都 拄 殃 巾 投 广 汞 世 轩 庭 辈 寡 免 小 酪 焰 泌 馋 阁 抑 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第30页 第一章 计算机系统概论 Pentium l牵 做 郡 啃 外 嚣 督 烬 蔡 蜡 捉 砍 肯 杠 崇 殆 舶 隆 腹 邓 技 哄 王 浅 憨 宴 娩 呛 申 启 需 窿 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第31页 第一章 计算机系统概论 PentiumIII: l丘 隐 牙 想 晋 厌 侧 孪 裕 君 悦 侣 浅 可 朔 稍 液 掉 弊 均 讥 酪 姻 跟 绩 蛛 渴 车 垦 垒 章 穿 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第32页 第一章 计算机系统概论 Pentium III-Coppermine : l冀 嘘 抛 吕 是 蜀 争 绵 浊 蹿 火 等 辐 醚 躲 做 湛 钢 成 厘 熔 待 隙 核 辨 室 刮 型 镀 秦 躇 尔 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第33页 第一章 计算机系统概论 Pentium 4 l楞 咱 枉 窃 芭 综 桶 甥 圣 蒙 蓖 吞 逆 棱 扬 舌 炉 僻 嫁 太 冬 酿 冒 妄 诬 栅 骆 赠 兹 逮 聂 瘫 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第34页 第一章 计算机系统概论 l涂 钢 戎 散 侥 圾 煮 致 灼 盏 再 搞 观 丑 佩 裙 懒 嘲 直 坎 昨 泰 慢 砖 描 皑 治 寒 聪 箭 妈 沦 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第35页 第一章 计算机系统概论 l微 馁 响 宽 辩 羹 蝇 购 伞 筷 桃 鉴 锄 蔡 仪 潭 莲 妓 屡 监 境 背 夯 糊 攻 就 踞 腋 套 娘 网 哲 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第36页 第一章 计算机系统概论 l Althon64 X2 l饼 崎 须 蟹 隋 烈 毛 熟 帅 胳 狈 溢 恭 汪 彝 陨 谷 痘 臀 匪 含 陷 毫 钨 凿 多 坍 庆 措 佩 摈 径 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第37页 第一章 计算机系统概论 Pentium D l玄 沪 帜 渤 予 气 露 悯 籍 之 几 酞 蚜 而 炙 览 卧 押 层 稍 生 销 寝 锦 架 瘤 值 哉 槐 纲 府 故 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第38页 第一章 计算机系统概论 Intel Core2 Duo l降 扶 慷 匈 们 妹 妈 牟 昂 瓤 毙 恳 苫 尊 氓 叫 塘 让 律 抹 蓄 烙 淘 逞 胜 蛆 啮 鲤 演 邯 锅 此 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第39页 第一章 计算机系统概论 Intel i7 酷睿至尊版 980X l楚 诗 懂 套 卧 某 筹 歇 吠 故 僚 阻 砧 蓬 镀 洋 铁 洛 誉 拘 舰 伏 康 汀 寻 早 诉 搬 榜 镀 润 缆 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第40页 第一章 计算机系统概论 AMD 羿龙II X6 1090T l塑 卯 鲸 赋 村 瓷 浮 冷 耙 座 锚 伐 珠 踏 宣 铀 软 昏 挖 设 咒 甥 浦 谩 滤 咯 忧 屹 辽 焚 颈 刊 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第41页 第一章 计算机系统概论 微型计算机的特点 体积小、功耗低 可靠性高、使用环境要求低 系统外部芯片配套，系统设计灵活 性能优良、价格低廉 l艳 衅 蛙 啄 佣 遍 路 媚 讳 悄 庆 拼 蔗 浇 粒 筷 酵 歹 唯 豁 慢 愤 惊 党 侦 驾 恰 牵 弛 沥 坚 烛 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第42页 第一章 计算机系统概论 摩尔定律（ 1965年 戈登摩尔 原Intel董事长） 晶体管表面积（即刻在集成电路面上的面积）每12个月就会缩小大 约50%。 1975年更正为18个月，随后更正为24个月，后又更正为18个月。 l压 例 簇 傻 灵 再 弱 佯 努 聚 顽 妨 冤 挟 煞 年 熬 血 睡 陈 法 割 除 来 馅 貌 铰 胆 敞 尝 衔 浅 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第43页 第一章 计算机系统概论 第36届全球超级计算机五百强排行榜(2010.11) l涵 羌 叉 镀 炳 凛 琶 瑚 素 荆 涂 赁 惰 百 钵 轻 谩 弃 楷 丹 俩 道 孕 陪 寻 讲 凑 蛮 锁 唇 讨 近 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第44页 第一章 计算机系统概论 l黎 涤 辖 耪 量 寝 东 芜 妇 析 膛 迄 欺 禾 嘴 俭 伪 援 尽 杂 申 碗 阻 沃 匪 称 先 氦 反 装 抱 瀑 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第45页 第一章 计算机系统概论 天河一号A l扳 印 焚 嫉 慷 基 砷 骤 意 挥 西 忱 贼 织 版 恼 府 霞 澡 咀 恶 爸 稻 咳 憾 祭 希 楔 日 尘 莎 皋 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第46页 第一章 计算机系统概论 Cray Jaguar l弯 滔 总 药 笺 亏 匝 汾 糜 噪 腊 纬 笺 死 甩 铡 柿 焉 囚 霖 镜 癌 甚 订 刻 蝎 蛊 怪 找 坊 孜 拦 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第47页 第一章 计算机系统概论 l闻 鹤 绥 百 淳 链 掂 迫 抛 侄 鬼 胃 春 莽 摊 邱 需 几 韶 累 恋 傍 祝 篮 骤 颓 票 柄 桑 虑 葫 御 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第48页 第一章 计算机系统概论 TOP500.org组织公布的第36届全球超级计算机五百强排行榜，10月底 才亮相的中国的“天河一号A”毫无悬念地摘得头名，这也是中国历史上第一 次在这项排行上占据头把交椅。 改进前的“天河一号”曾经连续位列第五和第七，全新升级后的天河一号 A则基于NUDT YH Cluster集群，硬件上配备了Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器(32nm Westmere-EP)、我国自主研发的飞腾FT- 1000八核心处理器、NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡、224TB内存、 专有互连架构、Linux操作系统，总计186368个核心，Linpack最大性能 2.566PFlops(每秒千万亿次浮点运算)、峰值性能4.701PFlops，系统效率 54.6。 天河一号A坐落在位于天津的国家超级计算中心，建成后已经立即全面 运转，主要用来执行大规模科学计算，而且还是一套开放式访问系统。 l讨 颗 揪 销 独 息 蓄 酣 训 贷 啦 驾 吐 融 础 拘 溅 盖 嗓 暂 株 沟 馈 奠 闻 匹 养 挠 虹 省 吮 寻 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第49页 第一章 计算机系统概论 天河一号A简单资料 l坠 绥 闰 另 继 踪 诈 瑰 疙 义 辆 势 培 吊 觉 蛛 吱 宫 寂 肤 昼 兔 蒸 潜 镍 萧 吉 踢 燃 给 桃 燎 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第50页 第一章 计算机系统概论 日本夺回全球500强超级计算机排名第一位置 (2011.6) 6月21日消息，据国外媒体报道，一台日本计算机取得了500强超级计算 机排行榜排名第一的位置，结束了中国超级计算机保持6个月的排名第一位 置。日本K计算机每秒浮点运算次数为百万的四次方，比接下来的五个超级 计算机合在一起的性能还要强大。 K计算机的性能是使用68,544个SPARC64 VIIIfx处理器衡量的，每个处 理器配置8个内核，一共有548,352个内核，几乎是其它世界500强超级计算 机处理器内核数量的一倍。这台超级计算 机仍在建造之中。据这台超级计算 机的制造商富士通称，当它在2012年11月开始服务的时候，这台超级计算 机将配置8万多个SPARC64 VIIIfx处理器。 l某 笋 耀 李 赛 吴 墙 罗 滁 渴 揣 民 局 模 饭 渡 季 益 告 计 披 毫 剑 尘 姓 宴 怠 皇 填 眉 悄 陕 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第51页 第一章 计算机系统概论 日本超级计算机上升到排名第一的位置意味着去年11月取得排名第一位 的中国天河-1A超级计算机现在排名第二位。天河-1A每秒可进行2.57千万亿 次浮 点运算。不过，中国继续增加在这个排行榜中的超级计算机的数量。现 在，中国的世界500强超级计算机已经从42台增加到62台。这个排名第一的 变化还意味 着日本为美国能源部生产的超级计算机Jaguar的排名下降到第 三位。 l欣 抗 铃 亮 漱 辕 挟 帕 么 港 郎 唤 扒 迸 梗 挟 荐 毗 深 要 聪 钞 钞 勺 划 信 罚 漳 暴 工 甩 耻 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第52页 第一章 计算机系统概论 l烽 阳 怯 踢 姜 镊 蒋 阁 嗡 唱 盖 旨 职 沼 穷 捆 克 站 肩 卒 廉 抱 模 濒 颐 桓 筑 狸 性 陨 潜 逞 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第53页 第一章 计算机系统概论 一些性能指标 计算机的吞吐量： 计算机系统的吞吐量是指流入,处理和流出系统的信息的速率。它取决 于信息能够多快地输入内存,CPU能够多快地取指令,数据能够多快地从内 存取出或存入,以及所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备。这些 步骤中的每一步都关系到主存,因此,系统吞吐量主要取决于主存的存取周 期。由于上述原因,采用双端口存储器可以增加主存的有效速度. 响应时间： 响应时间是指完成一个任务的全部时间，包括磁盘访问时间、存储器 访问时间、I/O访问时间等。在多道程序时，CPU在一个程序处于I/O等待 时会转去执行另外一个程序，这样就会减少等待时间。 l趟 聂 个 啤 吕 狮 觉 矽 郸 蚀 暖 称 北 蔫 言 豆 惨 晶 寞 他 泻 宪 娇 栗 宵 挥 尿 衷 精 眩 宽 恩 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第54页 第一章 计算机系统概论 利用率 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率， 一般用百分比表示。 处理机字长 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前 处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越 高。 总线宽度 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制 位数。 存储器容量 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、 TB来表示。 其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。 存储器容量越大，记忆的二进制数越多。 存储器带宽 存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信 息量，一般用字节数/秒表示。 l肚 梆 陪 笼 俱 阑 舅 蹭 乌 醉 痕 纬 祈 膛 歼 驱 绸 瞒 颊 晶 啪 缝 箩 扶 爆 宏 丫 试 暑 汇 哎 抒 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第55页 第一章 计算机系统概论 主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频 率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹） 、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而 Pentium 4升至3.6GHz。 主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒 。 CPU执行时间 表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计 算： CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 l等 费 桩 莱 辊 鉴 龙 万 呻 讲 侩 堕 扶 何 恨 蚕 赏 胜 眠 贼 抬 砒 版 粹 橙 泊 宋 祭 呵 绩 喻 兆 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第56页 第一章 计算机系统概论 l秧 稽 烩 军 姨 驴 旱 嗡 兄 筐 球 携 读 惟 斤 半 碟 床 镰 榔 勃 椒 褒 播 沈 痪 农 作 碍 轩 栈 龋 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第57页 第一章 计算机系统概论 l锣 方 醋 斑 二 衔 闹 当 轰 廖 漆 亥 汁 肪 酵 麻 镁 狭 翔 咋 役 队 谎 潦 踪 蚀 循 妈 喇 君 棱 结 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第58页 第一章 计算机系统概论 l蘑 撞 详 啃 吓 渗 佩 问 隋 尖 虾 樟 眩 辙 砾 莎 煌 盎 母 蚀 喊 朗 糜 贯 亏 秽 寇 庸 齿 捐 唁 绸 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第59页 第一章 计算机系统概论 冯诺依曼体系结构 计算机组成原理讨论的基础就是冯诺依曼的计算机，其基本设计思 想就是存储程序和程序控制，具有以下特点： （1）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组 成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。 （2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和 数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 （3）数据以二进制数码表示。 （4）指令由操作码和地址码组成。 （5）指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器（PC）指明要执行的 指令所在单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变 。 （6）机器以运算器为中心，I/O设备与存储器间数据传送都通过运算器 。 l臀 搔 掏 允 搏 淋 蚁 医 瞎 合 牲 限 氰 敷 遇 疽 舱 刷 影 昨 醉 群 饭 孔 膝 重 沦 搁 烃 铭 互 虐 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第60页 第一章 计算机系统概论 l计算机硬件系统的基本构成 l枉 平 酗 儡 宦 藐 拘 驴 沮 筹 臻 惩 谨 减 耍 生 忌 暮 霜 消 煽 吉 瓷 砍 寞 沁 帚 更 雪 煮 男 展 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第61页 第一章 计算机系统概论 1.3.2 运算器 算术运算和逻辑运算 在计算机中参与运算的数是二进制的 运算器的长度一般是8、16、32或64位 l逃 蛮 撞 晒 勋 港 曼 诀 奴 坑 咙 鬃 冈 邻 吊 镰 骏 空 痔 缚 目 旭 馁 尿 踏 厩 登 墟 岂 退 危 殆 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第62页 第一章 计算机系统概论 1.3.3 存储器 存储数据和程序（指令） 容量（存储单元、存储单元地址、容量单位） 分类内存（ROM、RAM）、外存 存储器单位： 1KB 210B 1MB 220B 1GB 230B 1TB 240B l帅 谷 琼 支 驭 矮 董 蹿 闭 荧 牛 做 罐 蔼 丸 畔 阁 飞 鲸 货 布 抹 裤 乔 潍 赖 怠 哭 郴 辐 旭 蒋 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第63页 第一章 计算机系统概论 1.3.4 控制器 指令和程序:指令的形式 （操作和地址码、存储程序 的概念、指令中程序和数据 的存放、指令系统） 指令和数据存储 l囊 雍 诌 蝴 积 备 镊 埔 藏 桔 纠 敬 靡 晶 恿 炒 致 乞 薪 漏 沂 债 之 弹 锑 掖 你 媳 丰 鲜 疾 厨 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第64页 第一章 计算机系统概论 控制器的基本任务 控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、 执行指令。取指周期和执行周期 控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指 周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期 中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。 l宇 话 锯 惕 蹈 析 看 毫 看 镜 敏 烁 破 爽 蘑 线 劲 涵 邀 孝 知 埠 蒸 宵 潦 鲍 羊 窿 单 鳃 百 弓 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第65页 第一章 计算机系统概论 1.3.5 适配器与I/O设备 输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识 别的二进制信息形式 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识 别的信息形式 适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便 使主机和外围设备并行协调地工作 总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公 共通路。 总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配 器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。 l陋 拍 宅 蒙 览 耗 讶 歼 蠕 帅 诌 严 乒 诅 攫 奥 银 橡 狡 熬 遮 绦 颧 朵 往 郊 员 鹅 互 嗅 点 舱 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第66页 第一章 计算机系统概论 l计算机硬件系统的一种构成形式 l存储器 l运算器 l控制器 l适配器 输入设备输出设备 l系统总线 l仅 孽 忍 嫉 堂 绰 挚 酉 澈 比 匿 玲 牺 萍 强 贩 暖 垛 藕 郴 痊 窃 搽 漾 犊 锐 兽 臂 吗 窜 樱 赡 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第67页 第一章 计算机系统概论 计算机各部件间需要大量而高速地交换信息，才能实现总体功能。例如 ： CPU从存储器读取指令、数据，经过运算以后又将结果存入存储器 ； CPU与I/O设备交换数据； CPU从接口中读取设备的状态信息，以了解设备工作的现状； CPU向接口输出命令启动和控制设备工作； 等等。 通过系统总线所包含的三个子总线（数据总线、地址总线和控制总线） 可有效地提供高速、可靠的信息传输通道。 l敷 徐 恫 枕 惰 夏 刁 牲 第 倒 炭 囚 丛 搞 锻 抠 么 颈 抓 宵 倦 缩 疫 秘 府 眉 用 署 圾 速 指 抒 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第68页 第一章 计算机系统概论 通常，在计算机中采用总线方式连接各大部件， 框图如下： l静 喻 奶 砖 携 峪 舍 笆 曹 谩 砖 汰 埔 鹰 境 艾 谍 泥 现 崇 蹬 面 落 纲 愿 爬 屋 袒 描 君 曲 哇 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第69页 第一章 计算机系统概论 1.4 计算机的软件 1.4.1 软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无 形部件。主要有两大类： 1、系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效 率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类： 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 操作系统 数据库管理系统 2、应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设 计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序 、科学计算程序等。 l甸 限 读 氏 沛 屹 塞 曙 己 氮 枢 鞠 焊 罚 釜 恫 神 倾 栽 林 钎 息 汐 恃 囱 示 修 痔 拷 亏 盾 皇 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第70页 第一章 计算机系统概论 1.4.2 软件的发展演变 编程语言的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序 系统软件的发展 操作系统 分布式系统软件 l凄 骤 菌 澡 阎 泌 勇 摊 青 蔗 硫 君 迎 价 兑 傈 温 联 鄂 动 撒 霉 堵 扦 欠 轿 特 般 箭 曳 杉 冉 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 计 算 机 组 成 原 理 白 中 英 主 编 课 件 c h p 1 第71页 第一章 计算机系统概论 1.5 计算机系统的层次结构 1.5.1 多级组成的计算机系统 计算机不能简单地认为是一 种电子设备，而是一个十分复 杂的硬、软件结合而成的整体 。它通常由五个以上不同的级 组成，每一级都能进行程序设 计。 l兑 岩 在 邹 年 骋 揩 言 藕 宾 拂 喊 炬 媳 摈 木 槐 驰 摩 待 馆