计算机组成原理资料

1、1. 计算机的发展简史类型类型时期时期主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第一代第一代1946-1958电子管电子管机器语言，汇编语言，速度低，体机器语言，汇编语言，速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算科学计算第二代第二代1958-1964晶体管晶体管算法语言，操作系统，体积缩小，算法语言，操作系统，体积缩小，可靠性提高，从科学计算扩大到数可靠性提高，从科学计算扩大到数据处理据处理第三代第三代1964-1971中、小规模中、小规模集成电路集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达体积小，可靠性大大提高，速度达几几MIPS，软件技术和外设发展迅软件技术和外

2、设发展迅速应用领域不断扩大速应用领域不断扩大第四代第四代1971-中、大及超中、大及超大规模集成大规模集成电路电路速度提高至速度提高至GIPS乃至乃至TIPS水平，多水平，多机并行处理和计算机网络迅速发展。机并行处理和计算机网络迅速发展。 “微型计算机微型计算机” 出现出现2 各时代代表机型各时代代表机型时代机型产地产地一ENIAC 1946 十进制EDSAC 1949 二进制和“存储程序”103（M-3） 195759美美.宾州大学宾州大学英英.剑桥大学剑桥大学中科院计算所中科院计算所二IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441B IBM中国中国三IBM360/370系列

3、CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1NOVA,PDP-11DJS-130/200IBMCDC美美中国中国四微型机微型机 APPLE, IBM-PCVAX系列系列长城长城0520, .APPLE ， IBMDEC长城计算机长城计算机3456第四代计算机中微处理器的发展：Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）

4、74004 880081972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 9 1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。 10Intel 8086 第三代微处理器 1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位数据总线和

5、29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。 11第一台第一台微型计算机微型计算机：Altair 8800 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 Altair定位在青年电脑迷市场 Paul Allen和Bill Gates在三周内为Altair开发出BASIC语言，MITS成为两个未来富翁的第一个客户 121981-PC元年早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发后来被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日，IBM公司在纽约宣布

6、第一台IBM PC诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻。第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088操作系统是Microsoft提供的MS-DOSIBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）13计算机的发展日新月异 1415我国计算机技术的发展1953年开始研究，年开始研究，1958年研究出第一台计算机，年研究出第一台计算机，103型型通用计算机通用计算机50年来相继研究出了第二代，第三代计算机。年来相继研究出了第二代，第三代计算机。80年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河I,II,其他如曙其他如曙光天演光天演(清华清华

7、BBS,学校高性能计算中心学校高性能计算中心)。1985年年6月，月，中国第一台自行研制的微机长城中国第一台自行研制的微机长城0520研制成功，其广告研制成功，其广告词是：词是：“一台我们自己制造的能够处理中文的电脑一台我们自己制造的能够处理中文的电脑”。 在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部件算机的核心部件CPU技术还远远落后。技术还远远落后。中科院研究开发的龙芯中科院研究开发的龙芯GODSON16计算机发展的趋势1、微型计算机已迈入、微型计算机已迈入64位的新时代位的新时代2、精减指令计算机（、精减指令计算机（RISC

8、）正在逐步取代复杂指令计算机）正在逐步取代复杂指令计算机（CISC）3、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用4、大规模并行处理系统（、大规模并行处理系统（MPP）的处理速度已达到）的处理速度已达到TFLOPS（每秒（每秒1012条浮点指令条浮点指令,万亿）级万亿）级5、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在加紧研究、试制之中。加紧研究、试制之中。 随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新时代计算机的研究时代计算机的研究 17二十一世纪的计算机

9、二十一世纪的计算机 光计算机：光计算机： 光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并光学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计算成为可能。行计算成为可能。 生物计算机：生物计算机： 生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来算不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解问题。生物计算的主要形式是学习

10、和记忆求解问题。生物计算的主要形式是学习和记忆 。生物系统在解决复杂。生物系统在解决复杂图形和多重模式判定方面有独特的优势。图形和多重模式判定方面有独特的优势。 量子计算机：量子计算机： 量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大的革命潜力大的革命潜力 。 信息存储器信息存储器 目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约7平方纳米大小的平方纳米大小的位元上，位元上，每一平方纳米就能存储每一平方纳米就能存储250GB的信息的信息。 18计算机电子模拟计算机电子数字计算机通用计算机专用

11、计算机巨型机大型机中型机小型机微型机单片机2、计算机的分类 19对计算机硬件的理解 硬件：硬件：对数字操作的机器系统对数字操作的机器系统 数字硬件：数字硬件： 对数字进行处理、传输、和存储的硬件对数字进行处理、传输、和存储的硬件 转换硬件转换硬件： 将各种形式的信息转换为数字信息，或者将数将各种形式的信息转换为数字信息，或者将数字信息转换为各种形式的硬件（图像、声音、字信息转换为各种形式的硬件（图像、声音、文字输入输出设备，目前重要的设备是显示器）文字输入输出设备，目前重要的设备是显示器）20计算机硬件系统的组成 运算器运算器（完成算术运算，逻辑运算）（完成算术运算，逻辑运算） 主存储器主存储

12、器（存放程序以及数据）（存放程序以及数据） 控制器控制器（控制指令的执行序列，根据指令的功能（控制指令的执行序列，根据指令的功能给出实现指令功能所需要的控制信号）给出实现指令功能所需要的控制信号） 输入设备输入设备，能将人能够识别的信息形式转换为机，能将人能够识别的信息形式转换为机器能够识别的形式器能够识别的形式 输出设备输出设备21计算机硬件组成框图主机外围设备CPU运算器控制器存储器接口输入设备接口输出设备系统总线22计算机软件系统计算机软件系统 软件系统，计算机硬件是载体，软件系统，计算机硬件是载体， 软件是灵魂。软件是灵魂。 系统软件系统软件 、 应用软件应用软件 一切程序的集合一切程

13、序的集合 固件：具有软件功能，具有硬件固件：具有软件功能，具有硬件形态的部件形态的部件23硬件是相似的，硬件是相似的，软件则各有各的不同软件则各有各的不同 各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（只有各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（只有三个部分：处理、传输、存储）三个部分：处理、传输、存储） 今后的各种信息工具和设备外部虽然千变万化，今后的各种信息工具和设备外部虽然千变万化，内部都是一样的（统一性）内部都是一样的（统一性） 软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己的软件，所以是各不相同的的软件，所以是各不相同的 真正的价值体现在软件真正的价值体现

14、在软件 硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件24计算机软件系统分类软件系统软件系统应用软件应用软件系统软件系统软件数据处理程序情报检索程序科学计算程序自动控制程序工业设计程序语言处理程序标准子程序SIN服务性程序系统操作系统255、计算机系统的层次结构5.应用程序级应用程序级4. 语言处理程序及语言处理程序及其他系统软件级其他系统软件级3.操作系统级操作系统级2.机器指令系统机器指令系统级级1.微程序级微程序级传统机器级传统机器级26计算机系统硬件系统软件系统外设主机应用软件系统软件固件存储器CPU控制器输入设备输出设备运算器综合起来综合起来27外存

15、储器外存储器(软盘、硬盘、光盘、磁带等软盘、硬盘、光盘、磁带等)输入设备输入设备(键盘、鼠标、光笔、图形扫描仪等键盘、鼠标、光笔、图形扫描仪等)输出设备输出设备(显示器、打印机、绘图仪等显示器、打印机、绘图仪等)其他其他(网卡、调制解调器、声卡、显卡、视频卡等网卡、调制解调器、声卡、显卡、视频卡等)控制器控制器运算器运算器寄存器寄存器只读存储器只读存储器(ROM)随机读写存储器随机读写存储器(RAM)高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache)中 央 处 理 器中 央 处 理 器（CPU）内存储器内存储器主机主机外部设备外部设备硬硬件件系系统统操作系统操作系统(DOS、UNIX、Windows、

16、OS/2等等)语言处理程序语言处理程序(编译系统和解释系统编译系统和解释系统)数据库管理系统数据库管理系统(FoxPro、Oracle、Access等等)网络软件网络软件其他其他(编辑程序：编辑程序：EDIT、诊断程序、连接装配程序：、诊断程序、连接装配程序：LINK等等)Office套件套件(字处理、表处理、绘图、网页制作等字处理、表处理、绘图、网页制作等)工具软件工具软件(解压缩程序、杀病毒程序等解压缩程序、杀病毒程序等)用户程序用户程序系统软件系统软件应用软件应用软件软软件件系系统统计计算算机机系系统统 计算机工作过程计算机工作过程（控制器控制器输入输入设备设备输出输出设备设备数据流数据

17、流地地 址址控制流控制流运算器运算器 工作过程工作过程: :输输入入, ,存储存储, ,处理处理, ,输出四个步骤输出四个步骤计算机工作原理计算机工作原理是对计算机进行程序控制的是对计算机进行程序控制的。所有的指令的所有的指令的称为计算机的称为计算机的输入计算机的信息：数据和程序输入计算机的信息：数据和程序计算机通过执行指令来处理各种信息计算机通过执行指令来处理各种信息01100000100000010110000010000001（060201-060201-八进制）八进制）01100110（0606）：是操作码，表示加法操作）：是操作码，表示加法操作02010201：源操作数在：源操作数在

18、0202寄存器，目的操作数寄存器，目的操作数在在0101寄存器寄存器计算机的指令系统计算机的指令系统 程序运行过程程序运行过程指令：指令：计算机能直接识别并执行某种基本操作的命令，由一串二进制数码组成。机器指令格式机器指令格式操作码操作码 操作数操作数机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）执行对象（具体数、存放位置）程序：程序：是由一系列指令组成，它是为解决某一问题而设计的一系列排列有序的指令的集合。1.5.3 1.5.3 微机的主要性能指标与硬件配置微机的主要性能指标与硬件配置微机的主要性能指标有微机的主要性能指标有字长、速度、内存容量字长、速度、内存容量等。等。(1)

19、(1)字长字长CPUCPU能直接处理参与运算寄存器所含有的二进制能直接处理参与运算寄存器所含有的二进制数据的位数叫字长，它代表了机器的精度。数据的位数叫字长，它代表了机器的精度。 (2)(2)速度速度主频：主频：主时钟频率，是时钟周期的倒数，等于主时钟频率，是时钟周期的倒数，等于CPUCPU在在1 1秒钟内能够完成的工作周期数。它在很秒钟内能够完成的工作周期数。它在很大程度上决定了计算机的运行速度用大程度上决定了计算机的运行速度用兆赫兹兆赫兹（MHzMHz）为单位。为单位。主频越高表示主频越高表示CPUCPU的运算速度的运算速度越快。越快。例如例如PentiumPentium（奔腾）机系列目前市场上（奔腾）机系列目前市场上的主频大多在的主频大多在2.0GHz2.0GHz4.0GHz4.0GHz之间。之间。运算速度运算速度衡量计算机性能的一项主要指标，它取决于指令的执行时衡量计算机性能的一项主要指标，它取决于指令的执行时间。常用间。常用单位时间执行多少条指令来表示。直接描述运行单位时间执行多少条指