大学计算机组成原理--第1章、计算机系统

1、1计算机组成原理计算机应用技术系计算机应用技术系 网络技术教研室网络技术教研室2教材及参考资料：教材及参考资料：1 1、高建生等。计算机组成原理。华中科技大学出版社，、高建生等。计算机组成原理。华中科技大学出版社，200420042 2、白中英。计算机组成原理、白中英。计算机组成原理( (第第3 3版版) )。科学出版社，。科学出版社，2000 2000 3 3、莫正坤，邵平凡。计算机组成原理。高等教育、中山大学出、莫正坤，邵平凡。计算机组成原理。高等教育、中山大学出版社，版社，200520054 4、郑纬民等译。计算机组成和设计：硬件、郑纬民等译。计算机组成和设计：硬件/ /软件接口软件接口

2、( (第第2 2版版) )。清华大学出版社，清华大学出版社，200320035 5、张昆藏、张昆藏 译。计算机组织与结构：性能设计。电子工业出版社译。计算机组织与结构：性能设计。电子工业出版社, , 20012001 6 6、冯博琴。微型计算机硬件技术基础。高等教育出版社，、冯博琴。微型计算机硬件技术基础。高等教育出版社，200320033课程要求及说明1 1、遵守课堂纪律、遵守课堂纪律2 2、考试重点（知识点）在课堂和、考试重点（知识点）在课堂和作业作业中体现中体现3 3、闭卷考试、闭卷考试4作用：作用：1 1、更好地理解和用好作为工具的计算机。、更好地理解和用好作为工具的计算机。 （快速、

3、正确理解所使用的系统）（快速、正确理解所使用的系统）2 2、在本职工作中提供新的计算机系统解决方案。、在本职工作中提供新的计算机系统解决方案。 ( (合作合作软硬结合软硬结合系统的开发系统的开发) )为什么要学这门课课程内容：课程内容：计算机计算机硬件硬件技术的基础知识、基本思想技术的基础知识、基本思想 和基本方法和基本方法. . （部件及之间的关系、工作原理与逻辑实现）（部件及之间的关系、工作原理与逻辑实现）第1章 计算机系统概论61. 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

4、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，机种多样化，机种多样化，“小型计算小型计算机机” 出现，出现，软件技术和外设发展迅软件技术和外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

5、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7 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CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1NOVA,PDP-11DJS-130/200

6、IBMCDC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891011第四代计算机中微处理器的发展：Intel 4004 o 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。o 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）124004 1380081972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 80

7、08。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。 14 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。 15Intel 8086 第三代微处理器o 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29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。 16Z80微处理器 o Zilo

8、g公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。17第一台第一台微型计算机微型计算机：Altair 8800 o1975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。 oAltair定位在青年电脑迷市场 oPaul 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 18Appleo 1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微型计算机

9、Apple I，4月1日愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。 o Apple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时，这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。 191981-PC元年o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公司在纽约宣布第一台IBM PC诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻。o第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088o操作系统是Microso

10、ft提供的MS-DOSoIBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）20计算机的发展日新月异 2122我国计算机技术的发展o1953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型通用型通用计算机计算机o50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。o80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,其他如曙光天其他如曙光天演演(清华清华BBS,学校高性能计算中心学校高性能计算中心)。1985年年6月，中国第一月，中国第一台自行研制的微机长城台自行研制的微机长城0520研制

11、成功，其广告词是：研制成功，其广告词是：“一台我一台我们自己制造的能够处理中文的电脑们自己制造的能够处理中文的电脑”。 o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心部件CPU技术还远远落后。技术还远远落后。o中科院研究开发的龙芯中科院研究开发的龙芯GODSON2324计算机发展的理论基础和规律1、逻辑代数、逻辑代数2、图灵机：、图灵机：英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来的。英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来的。现代通用数字计算机的数学模型现代通用数字计算机的数学模型3、冯、冯.诺依

12、曼计算机原理：诺依曼计算机原理：二进制二进制存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行(程序控制）程序控制）4、Moore定律：定律：微处理器内晶体管数每微处理器内晶体管数每18个月翻一番个月翻一番5、Bell定律：定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半个月减少一半6、Gilder定律：定律： 未来未来25年（年（1996年预言）里，主干网的带宽将每年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加个月增加一倍一倍7、Metcalfe定律：定律： 网络价值同网络用户数的平方成正比网络价值同网络用户数的平方成正比8、半导体存储器发展规律：、半

13、导体存储器发展规律：DRAM密度每年增加密度每年增加60%，每三年翻四倍，每三年翻四倍9、硬盘存储技术发展规律：、硬盘存储技术发展规律： 硬盘的密度每年增加约一倍硬盘的密度每年增加约一倍25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）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

14、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 26二十一世纪的计算机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，并且光学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行计算成器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计

15、算成为可能。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，生物计算不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求解问题。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和记忆生物计算的主要形式是学习和记忆 。生物系统在解决复杂图形和多重模式。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。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，但却具有更大的量子计算的概念远比光子计算和生物计算出

16、现得晚，但却具有更大的革命潜力革命潜力 。 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平方纳米大小的位元平方纳米大小的位元上，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。 27计算机电子模拟计算机电子数字计算机通用计算机专用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 283、计算机硬件系统o 计算机硬件计算机硬件：一切构成计算机的物理实体一切构成计算机的物理实体 硬件系统构成思想：计算机的基础理论硬件系统构成思想：计算机的基础理论 （冯诺依曼思想：冯诺依曼思想： 存储程序，程序控制等，大部

17、分存储程序，程序控制等，大部分已经有已经有50年）未变年）未变 因此，计算机的关键部件没有大的改变因此，计算机的关键部件没有大的改变 即：即：计算机五大功能部件计算机五大功能部件29计算机硬件系统的组成o 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）o 主存储器主存储器（存放程序以及数据）（存放程序以及数据）o 控制器控制器（控制指令的执行序列，根据指令的功能给（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）出实现指令功能所需要的控制信号）o 输入设备输入设备，能将人能够识别的信息形式转换为机器，能将人能够识别的信息形式转换为机器能够识别的形式能够识别

18、的形式o 输出设备输出设备30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31CPU的组成的组成示意图示意图 1. 控制器控制器 从内存取出一条从内存取出一条指令指令,并指出下条指并指出下条指令的地址令的地址; 对指令进行译码对指令进行译码,产生相应的控制信号产生相应的控制信号; 指挥并控制指挥并控制CPU,内存和内存和I/O设备之间设备之间的数据传送的数据传送. 2.运算器运算器 加工信息加工信息.包括包括:算术运算，算术运算， 逻辑运算逻辑运算注意：注意：寄存器、总线的位宽寄存器、总线的位宽/字长字长32对计算机硬件的理解 硬件：硬件：对数字操作的

19、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，或者将数字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、文字输入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）输出设备，目前重要的设备是显示器） 33数字技术的三分天下数字技术的三分天下处理处理： CPU, DSP, ASIC传输传输： 总线总线(CPU内部、系统总线内部、系统总线, I/O总线总线), 网络（网络（LAN，WAN，INTERNET,无

20、线网）无线网）存储存储： RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，硬盘，光盘， 存储系统（存储系统（RAID ，SAN ，NAS）344 4、计算机软件系统计算机软件系统o 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。o 系统软件系统软件 、 应用软件应用软件o 一切程序的集合一切程序的集合o 固件：具有软件功能，具有硬件形态的部件固件：具有软件功能，具有硬件形态的部件35对软件的理解o 可运行的思想和内容的数字化可运行的思想和内容的数字化 思想：算法、规律、办法思想：算法、规律、办法-程序表达程序表达 内容：图形、图像、数据、声音、文字等内容：图形、图像、数据、声音、文字等o 归结为程序和数据（统称二进制表示的信息）归结为程序和数据（统称二进制表示的信息）o 软件的核心软件的核心: 算法算法 (一个好的算法可以代替大量的硬件一个好的算法可以代替大量的硬件: FFT, MPEG) 36 硬件是相似的