第1章 平面设计基本

1、计计 算算 机机 组组 成成 原原 理理 主讲主讲 卢青华卢青华2 / 42计算机组成原理自我介绍自我介绍姓姓 名：卢青华名：卢青华办公地点：软件工程系办公地点：软件工程系答疑时间：星期二答疑时间：星期二15:0015:0017:0017:00星期四星期四15:0015:0017:00 17:00 E - mail： 3 / 42计算机组成原理课程介绍课程介绍课程名称：课程名称：计算机组成原理计算机组成原理课程代码：课程代码：LM1001LM1001课程学时：课程学时：6868学学 分：分：4 4课程性质：专业基础课程性质：专业基础4 / 42计算机组成原理本课程的性质、地位和作用本课程的性质

2、、地位和作用 计算机组成原理计算机组成原理课程是计算机相关专业课程是计算机相关专业学生的必修课程，是一门理论和实践都很强的课学生的必修课程，是一门理论和实践都很强的课程。理解计算机的体系结构，从计算机系统的角程。理解计算机的体系结构，从计算机系统的角度进一步加强对计算机整机概念的理解，为后续度进一步加强对计算机整机概念的理解，为后续的专业课程的学习以及日后的求职做好铺垫。的专业课程的学习以及日后的求职做好铺垫。5 / 42计算机组成原理教学目的和要求教学目的和要求 通过课程的学习，了解计算机的组成、工通过课程的学习，了解计算机的组成、工作原理及应用，掌握各组成部分之间的联系，作原理及应用，掌握

3、各组成部分之间的联系，包含总线、存储器和输入输出系统以及包含总线、存储器和输入输出系统以及CPUCPU的内的内部结构和功能。部结构和功能。 对计算机的体系结构有较好的理解，具有一对计算机的体系结构有较好的理解，具有一定的灵活分析问题、解决问题的能力。定的灵活分析问题、解决问题的能力。 6 / 42计算机组成原理课程内容课程内容n第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论n第第2章章 运算方法和运算器运算方法和运算器 n第第3章章 多层次的存储器多层次的存储器 n第第4章章 指令系统指令系统n第第5章章 中央处理机中央处理机n第第6章章 总线系统总线系统n第第7章章 外围设备外围设备n第第8章章

4、输入输出系统输入输出系统（ 第第9章了解章了解 ）7 / 42计算机组成原理课程考核标准课程考核标准考核内容考核内容分数分数百分比百分比平平时时成成绩绩作业作业101010%10%实验及课程设计实验及课程设计101010%10%考勤考勤101010%10%期末考试期末考试707070%70%本门课程的最终成绩为各项成绩之和。本门课程的最终成绩为各项成绩之和。 8 / 42计算机组成原理课程采用的教材、参考书课程采用的教材、参考书教材：教材：计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构，白中英，白中英 主编，主编， 科学出版社，科学出版社，2011.12参考书：参考书：计算机组成原理计算机组成原理

5、，唐硕飞主编，高等教育出版社，唐硕飞主编，高等教育出版社，2008.12008.1计算机组成技术教程计算机组成技术教程，李，李 东、黄庆成东、黄庆成 编著，电子工业出版社，编著，电子工业出版社，2011.62011.69 / 42计算机组成原理下载课件下载课件ftp:/ :kjdownkjdown找到软件工程系找到软件工程系 在目录在目录“卢青华卢青华”下载相应的课件下载相应的课件10 / 42计算机组成原理11 / 42计算机组成原理1. 1 计算机的分类计算机的分类1. 2 计算机的发展简史计算机的发展简史1. 3 计算机的硬件计算机的硬件 1. 4 计算机的软件计算机的软件1. 5 计算

6、机系统的层次结构计算机系统的层次结构12 / 42计算机组成原理n掌握计算机分类的主要准则。掌握计算机分类的主要准则。n理解解计算机的发展简史、微处理器的发展历程理解解计算机的发展简史、微处理器的发展历程。n掌握计算机体系结构、计算机组成的概念。掌握计算机体系结构、计算机组成的概念。n掌握冯掌握冯.诺依曼结构，计算机硬件的五个主要部诺依曼结构，计算机硬件的五个主要部分。分。n理解计算机软件的组成与分类。理解计算机软件的组成与分类。13 / 42计算机组成原理一、电子计算机从总体上来说分为两大类。一、电子计算机从总体上来说分为两大类。n电子模拟计算机。模拟计算机的特点是数值由连电子模拟计算机。模

7、拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。续量来表示，运算过程也是连续的。n电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。14 / 42计算机组成原理二、数字计算机分类二、数字计算机分类 n数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：n专用计算机：专用机

8、是最有效、最经济和最快速专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。的计算机，但是它的适应性很差。n通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。牲了效率、速度和经济性。15 / 42计算机组成原理三、通用计算机分类三、通用计算机分类 n通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：价格等可以分为：超级计算机超级计算机大型机大型机服务器服务器工作站工作站微型机微型机单片机单片机16

9、 / 42计算机组成原理帕斯卡的加法机帕斯卡的加法机古老的计算工具古老的计算工具算盘算盘 莱布尼兹的演算机莱布尼兹的演算机 巴贝奇差分机巴贝奇差分机巴贝奇分析机巴贝奇分析机早期的计算机器早期的计算机器17 / 42计算机组成原理图灵（图灵（Turing）冯冯诺依曼诺依曼（John Von Neuman）18 / 42计算机组成原理n第一代为第一代为19461957年，电子管计算机：数据处年，电子管计算机：数据处理理n第二代为第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控年，晶体管计算机：工业控制制n第三代为第三代为19651971年，中小规模集成电路计算年，中小规模集成电路计算机：小型计算机

10、机：小型计算机n第四代为第四代为19721990年，大规模和超大规模集成年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机电路计算机：微型计算机n第五代为第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机年开始，巨大规模集成电路计算机19 / 42计算机组成原理n第一代计算机（第一代计算机（1946-19571946-1957）电子管时代）电子管时代 ENIAC ENIAC（Electronic Numerical Electronic Numerical Integrator and CalculatorIntegrator and Calculator） EDVAC EDVAC（Electroni

11、c Discrete Variable Electronic Discrete Variable Automatic ComputerAutomatic Computer）运算速度：每秒几千次。运算速度：每秒几千次。19541954年，第年，第1 1个高级程序设计语言个高级程序设计语言FortranFortran问问世世20 / 42计算机组成原理世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)ENIAC(1946)21 / 42计算机组成原理n第二代计算机（第二代计算机（1958-19641958-1964）晶体管时代）晶体管时代n计算机的应用从科学计算，扩展到：数据处理

12、和计算机的应用从科学计算，扩展到：数据处理和过程控制。过程控制。n Algol 60 Algol 60 高级程序设计语言问世高级程序设计语言问世n计算机的运算速度达到：几万到几十万次每秒。计算机的运算速度达到：几万到几十万次每秒。22 / 42计算机组成原理n第三代计算机（第三代计算机（1965-19711965-1971）集成电路时代）集成电路时代集成电路集成电路(Integrated Circuits, IC)(Integrated Circuits, IC)代替分立元代替分立元件。件。IBM System 360 IBM System 360 系列机问世。系列机问世。操作系统操作系统(

13、Operating System )( Operating System )日益成熟。日益成熟。半导体存储器半导体存储器 开始替代开始替代 磁芯存储器。磁芯存储器。小型计算机走进市场。小型计算机走进市场。计算机的运算速度最高可达：几千万次每秒计算机的运算速度最高可达：几千万次每秒23 / 42计算机组成原理n第四代计算机（第四代计算机（1972-19901972-1990）大规模集成电路）大规模集成电路时代时代现代计算机技术基本成熟，并行计算机得到广现代计算机技术基本成熟，并行计算机得到广泛的重视。泛的重视。基于向量并行处理技术的基于向量并行处理技术的Cray-1Cray-1是人类首次获是人类

14、首次获得每秒得每秒1 1亿次的运算速度。亿次的运算速度。微处理器和微型计算机问世。微处理器和微型计算机问世。24 / 42计算机组成原理n第五代计算机（第五代计算机（1991-1991-至今）巨大规模集成电至今）巨大规模集成电路计算机路计算机每秒每秒1010亿次的运算速度。亿次的运算速度。25 / 42计算机组成原理n半导体存储器的发展半导体存储器的发展存储器容量: 存储器中所有存储单元的总数目。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。n微处理器的发展微处理器的发展处理机字长: 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。字长越长，表示计算的精度越高。26 / 42计算机组成原理n每每18个月

15、微处理器内部的晶体管数量扩大个月微处理器内部的晶体管数量扩大一倍，计算机的性能将翻一番，而芯片的一倍，计算机的性能将翻一番，而芯片的价格保持不变价格保持不变27 / 42计算机组成原理n科学与工程计算（或数值计算）科学与工程计算（或数值计算） n数据处理（或信息处理）数据处理（或信息处理） n过程控制过程控制n辅助技术（辅助技术（ CAD/CAM/CIMS /CAE）n智能模拟智能模拟n网络通信网络通信n图形图形/图像处理图像处理 28 / 42计算机组成原理1、电子计算机的发展经历了哪几代？每一代的特征、电子计算机的发展经历了哪几代？每一代的特征是什么？是什么？2、简述微处理器和微型计算机发

16、展的五个阶段及各、简述微处理器和微型计算机发展的五个阶段及各个阶段的特征。个阶段的特征。29 / 42计算机组成原理一、硬件组成要素一、硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。组成和工作原理。假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算要求我们计算y=ax+b-cy=ax+b-c这样一个题目。这样一个题目。解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。30 / 42计算机组成原理31 / 42计算机组成原理二、数字计算机基本组成二、数字计算机基本

17、组成n控制器：人的大脑的操作控制功能控制器：人的大脑的操作控制功能n运算器：人的大脑的计算功能运算器：人的大脑的计算功能n存储器：人的大脑记忆功能存储器：人的大脑记忆功能n输入设备：交互接口，笔输入设备：交互接口，笔n输出设备：交互接口，纸输出设备：交互接口，纸32 / 42计算机组成原理三、冯三、冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 存储程序存储程序按地址自动执行按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备入设备、输出设备以运算器为中心以运算器为中心33 / 42计算机组成原理冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机存储器输出输入运算器控

18、制器数据信号控制信号地址信号34 / 42计算机组成原理四、运算器四、运算器n算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算n在计算机中参与运算的数是二在计算机中参与运算的数是二进制的进制的n运算器的长度一般是运算器的长度一般是8 8、1616、3232或或6464位位运算电路单元寄存器B累加器A35 / 42计算机组成原理五、存储器五、存储器n存储数据和程序（指令）存储数据和程序（指令）n容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）n分类内存（分类内存（ROMROM、RAMRAM）、外存）、外存n存储器单位：存储器单位：2 21010 1K1K2 21010 K K

19、1M1M2 21010 M M1G1G2 210 10 G G1T1T36 / 42计算机组成原理六、控制器六、控制器n控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期期n控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。字。37 / 42计算机组成原理七、七、I/OI/O设备设备n输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机输入设备：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器内部所能接收和识别

20、的二进制信息形式n输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机输出设备：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器设备所能接收和识别的信息形式n总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之总线：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。间进行数据传送的公共通路。38 / 42计算机组成原理一、软件的组成与分类一、软件的组成与分类n计算机软件主要有两大类：计算机软件主要有两大类：n系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提系统软件：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高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。用途。n它包括以下四类：各种服务性程序、语言程序它包括以下四类：各种服务性程序、语言程序、操作系统、数据库管理系统、操作系统、数据库管理系统n应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。的程序。39 / 42计算机组成原理一、多级计算机系统一、多级计算机系统 计算机