大学计算机之 计算机组成原理 PPT

1、2022-3-153计算机学院师庆玲第一代第一代（19461957）电子管电子管5千千4万（次万（次/秒）秒）第二代第二代（19581963）晶体管晶体管几十万几十万百万（次百万（次/秒）秒）第三代第三代（19641970）集成电路集成电路百万百万几百万（次几百万（次/秒）秒）第四代第四代（1971至今）至今）大规模集成电路大规模集成电路几百万几百万几亿（次几亿（次/秒）秒）依据计算机采用的依据计算机采用的主要元器件主要元器件和性能和性能，一般将计算机的发，一般将计算机的发展分为四个阶段或时代展分为四个阶段或时代。电子管计算机电子管计算机埃尼亚克（埃尼亚克（ENIVAC） 电子管作基础元件，体

2、积大，耗电量大，运行电子管作基础元件，体积大，耗电量大，运行时产生大量的热量，可靠性较差，价格昂贵。时产生大量的热量，可靠性较差，价格昂贵。输入、输出设备输入、输出设备穿孔卡片穿孔卡片二进制机器语言二进制机器语言 计算机体积不断缩小，功能不断增计算机体积不断缩小，功能不断增强。强。 19571957年，计算机年，计算机高级程序语言高级程序语言FORTRANFORTRAN和和COBOLCOBOL相继面世，并被应相继面世，并被应用于第二代电子计算机编程。用于第二代电子计算机编程。 晶体管计算机晶体管计算机采用中、小规模集成电路制造的电子计算机采用中、小规模集成电路制造的电子计算机集成电路集成电路百

3、万百万几百万（次几百万（次/秒）秒）第四代计算机是指从第四代计算机是指从19701970年以后采用年以后采用大规模集成电路大规模集成电路（LSILSI）和和超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSIVLSI）为主要电子器件为主要电子器件制成的计算机。制成的计算机。大规模集成电路大规模集成电路LSILSI通常指集成度通常指集成度-1-1千和千和1 1万之间的集成电路万之间的集成电路超大规模集成电路是指超大规模集成电路是指集成度在集成度在1 1万到万到100100万万之间之间微处理器（微处理器（Micro Process UnitMicro Process Unit，MPUMPU）。微处理器具）

4、。微处理器具有计算机有计算机中央处理器（中央处理器（Central Process UnitCentral Process Unit，CPUCPU）的计算和控制单元的计算和控制单元 个人计算机时代的来临个人计算机时代的来临 进入进入2020世纪世纪9090年代以来，很多国家积极研究支持年代以来，很多国家积极研究支持逻辑推理和知识库的逻辑推理和知识库的智能计算机、神经网络计算机和智能计算机、神经网络计算机和生物计算机生物计算机等新一代计算机。等新一代计算机。新一代计算机主要是把信息采集、存储、处理、通信新一代计算机主要是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机，它将突破当前和

5、人工智能结合在一起的智能计算机，它将突破当前计算机的结构模式，更加着重逻辑推理或模拟的计算机的结构模式，更加着重逻辑推理或模拟的“智智能能”，即具有对知识进行处理和模拟功能。，即具有对知识进行处理和模拟功能。未来：量子计算机，神经网络计算机，化学生物未来：量子计算机，神经网络计算机，化学生物DNADNA计计算机，光计算机，超导计算机，纳米计算机等。算机，光计算机，超导计算机，纳米计算机等。 年代名称元件语言应用第一代第一代19461946年年19571957电子管计算机电子管计算机电子管电子管 机器语言机器语言 汇编语言汇编语言 科学计算科学计算 第二代第二代1958195819641964晶

6、体管计算机晶体管计算机 晶体管晶体管 高级程序高级程序设计语言设计语言 数据处理数据处理 第三代第三代1965196519701970集成电路计算机集成电路计算机 中小规模中小规模集成电路集成电路 高级程序高级程序设计语言设计语言 广泛应用到各个广泛应用到各个领域领域 第四代第四代 19701970年现在年现在 集成电路计算机集成电路计算机 集成电路集成电路 面向对象的高面向对象的高级语言级语言网络时代网络时代 第五代第五代 未来计算机未来计算机 光量子、光量子、DNA等等2022-3-1511计算机学院师庆玲1 1按计算机处理数据的方式分类按计算机处理数据的方式分类 可分为可分为3 3 大类

7、：大类：模拟计算机（模拟计算机（Analog ComputerAnalog Computer）数字计算机（数字计算机（Digital ComputerDigital Computer）混合计算机（混合计算机（Hybrid ComputerHybrid Computer）。）。2 2按计算机的使用范围分类按计算机的使用范围分类专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机 2022-3-1512计算机学院师庆玲3 3按计算机的类型与用途按计算机的类型与用途巨型机巨型机大型主机大型主机小型主机小型主机PCPC机（机（Personal ComputerPersonal Computer个人计算机，微型计算

8、机）个人计算机，微型计算机）以微处理器为中央以微处理器为中央处理单元处理单元工作站工作站 一种主要面向特定专业应用领域，具备强大的数据运算一种主要面向特定专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力的高性能计算机。与图形、图像处理能力的高性能计算机。超级计算机或称巨型机：超级计算机或称巨型机： 计算机计算机的运算速度平均每秒的运算速度平均每秒10001000万次以上万次以上； 存贮存贮容量在容量在10001000万位以上万位以上。 如如美国的美国的ILLIAC-ILLIAC-，日本的，日本的NECNEC，欧洲的尤金，中国的，欧洲的尤金，中国的“天河天河”计算机，就属于巨型计算机。计算机

9、，就属于巨型计算机。大型主机：大型主机：通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出现之前最主要的计算模式现之前最主要的计算模式。高性能计算机2022-3-1514计算机学院微型化微型化计算机发展趋势计算机发展趋势巨型化巨型化网络化网络化智能化智能化ENIAC2022-3-1515计算机学院Altair 8800指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。计算机发展趋势计算机发展趋势2022-3-1516计算机学院运算速度可达运算速度可达每秒几百亿次运算的每秒几百亿次运算的1975年世界上第一台超级计算机年世界上第一台超

10、级计算机“Cray-I”中国超级计算机：中国超级计算机：国防科技大学研制的国防科技大学研制的“银河银河1号号”、 “银河银河2号号”和和“银河银河3号号”国家智能计算机中心推出的国家智能计算机中心推出的“曙光曙光1000”和和“曙光曙光200I”计算机发展趋势计算机发展趋势速度更快的、存储量更大的和功能更强大速度更快的、存储量更大的和功能更强大。主要应用于天文、。主要应用于天文、气象、地质和核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技气象、地质和核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域，术领域，研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和

11、工业发展水平的重要标志和工业发展水平的重要标志。2022-3-1517计算机学院天河一号天河一号天河一号”是我国首台千万亿次超级计算机。 2022-3-1518计算机学院曙光星云曙光星云2022-3-1519计算机学院计算机技术与通信技术结合计算机技术与通信技术结合的产物。的产物。使用远程资源，共享程序、使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。的通讯和合作。计算机发展趋势计算机发展趋势计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享2022-3-1520计算机学院“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的总有一天，人类会造出一些举

12、止跟人一样的没有灵魂的机械没有灵魂的机械来来”。 笛卡尔（笛卡尔（1637）人类第一个人类第一个“工业机器人工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的一头在纺织机上挑纱的“驴驴”（1742年）年）第一代机器人第一代机器人机械手（机械手（1962年出现）年出现）第二代机器人第二代机器人具有具有“感觉感觉”的机器人的机器人第三代机器人第三代机器人装有启发式计算机的装有启发式计算机的“智能机器人智能机器人”计算机发展趋势计算机发展趋势图灵及其贡献图灵及其贡献u图灵图灵(Alan Turing, 19121954)，出生于英国伦敦，19 岁入剑桥皇家学院，22 岁当选为皇家学会会员。u1937 年，发表了论文

13、论可计算数及其在判定问题中的应用，提出了图灵机模型图灵机模型，后来，冯诺依曼根据这个模型设计出历史上第一台电子计算机。u1950 年，发表了划时代的文章：机器能思考吗?,成为了人工智能的开山之作。图灵与图灵机图灵与图灵机你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？因为什么贡献而获奖呢？因为什么贡献而获奖呢？u计算机界于1966年设立了最高荣誉奖： ACM图灵奖图灵奖。1 1、图灵机图灵机的基本结构的基本结构19361936年年，2424岁的岁的图灵构造图灵构造了一台抽象了一台抽象的的“计算机计算机”，称为，称为“图灵机图灵机”。图灵机图灵机由由控制器、读写头和控制器、读

14、写头和存储存储带组成。带组成。存储带存储带：无限长，可左右无限长，可左右移动移动，每个，每个单元格中包含一单元格中包含一个符号。个符号。控制器控制器：包含控制包含控制规则规则和状态和状态寄存器，控制规则寄存器，控制规则就是图灵机就是图灵机程序，状态程序，状态寄存器记寄存器记录机器当前的录机器当前的状态，以及下一个新状态状态，以及下一个新状态。读写头读写头：负责负责读出和写入存储带上的符号。读出和写入存储带上的符号。u计算机界于1966年设立了最高荣誉奖：ACM图灵奖图灵奖。仿制的“图灵机”模型 f f（x x）= =（X+1X+1）函数函数运算的图灵机工作运算的图灵机工作过程过程。假定假定x1

15、01字母表字母表= 0, 1, * 存储带M* 1 0 1 * 读写头读写头指令 当前状态M当前值M新值M移动新状态0初始*不动启动1启动*右移加法2加法01左移返回3加法10右移进位4加法*左移停机5进位01左移返回6进位10右移进位7进位*1右移溢出8溢出空*左移返回9返回11左移返回10返回00左移返回11返回*不动停机图灵机程序u所谓计算计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长的纸带上的一串0或1，执行指令一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程变换过程。什么是计算什么是计算100011101100110101100010110

16、101由“程序”控制，一步步将输入“转换”为输出输入输出程序通用机器通用机器图灵认为什么是计算图灵认为什么是计算?u图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。100011101100110101100010110101由“程序”控制，一步步将输入“转换”为输出输入输出程序通用机器通用机器图灵机的思想图灵机的思想是关于

17、数据、指令、程序及程序是关于数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思想。指令自动执行的基本思想。u 输入被制成一串0和1的纸带，送入机器中-数据数据。如00010000100011u 机器可对输入纸带执行的基本动作基本动作包括：“翻转0为1”，或 “翻转1为0”, “前移一位”, “停止”。u 对基本动作的控制-指令指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以用0和1来表示：01表示“翻转0为1”(当输入为1时不变)，10表示“翻转1为0”(当输入0时不变), 11表示“前移一位”, 00表示“停止”。u 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序程序来完成, 如: 0111

18、10110111011100u 机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，读一条指令执行执行一条指令。由此实现自动计算自动计算。图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一，图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一，为计算机设计指明了方向，也是算法分析和程序为计算机设计指明了方向，也是算法分析和程序语言设计的基础理论。语言设计的基础理论。通用图灵机能根据输入编码的不同而改变，进一通用图灵机能根据输入编码的不同而改变，进一步展示了存储程序和程序控制思想（程序和其输步展示了存储程序和程序控制思想（程序和其输入可以先保存到存储带上，按和谐一步步运行直入可以先保存到存储带上，按和谐一步步运行直到给出结

19、果，并且结果也保存在存储带上）。到给出结果，并且结果也保存在存储带上）。计算机系统应该有：计算机系统应该有：存储器（相当于存储带）存储器（相当于存储带）中央处理器（控制器及其状态），并且字母表可以仅有中央处理器（控制器及其状态），并且字母表可以仅有和两个符号；和两个符号；为了能将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送出为了能将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送出来展示给用户，计算机系统还应该有输入出设备；来展示给用户，计算机系统还应该有输入出设备；结论：结论：u图灵机模型图灵机模型被认为是计算机的基本理论模型-计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种离散的、有穷的、构造性

20、的构造性的问题求解思路，一个问题的求解一个问题的求解可以通过构造其图灵机可以通过构造其图灵机(即程序即程序)来解决来解决。u图灵认为：凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决决; 凡是图灵机解决不了的问题任何算法也解决不了凡是图灵机解决不了的问题任何算法也解决不了-图灵可计算性问题。图灵机是什么图灵机是什么? 计算机系统 主机 外部设备 硬件系统 软件系统 中央处理器 运算器 主存储器 控制器 随机存储器 只读存储器 输入设备 输出设备 辅助存储器 操作系统 程序设计语言 应用软件包 应用程序 系统软件 应用软件 2022-3-1531计算机学

21、院师庆玲（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流地地 址址控制流控制流运算器运算器计算机工作原理计算机工作原理2022-3-1532计算机学院师庆玲存储器分类 存储器分为两大类：存储器分为两大类：内存储器和外存储器，简称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。存储器内存储器外存储器ROM（Read Only Memory）RAM（Random Access Memory）Cache磁盘（硬盘、软盘）光盘（CD-ROM、CD-RW、DVD、MO）闪存（CF卡、MMC卡、SD卡）磁带 计算机硬件由五个基本部分组成：计算机硬件由五个基本部分组成：运算器、运算器

22、、控制器、存储器、输入设备和输出设备控制器、存储器、输入设备和输出设备。 计算机内部采用计算机内部采用二进制二进制来表示程序和数据。来表示程序和数据。 采用采用“存储程序存储程序”的方式，将程序和数据放的方式，将程序和数据放入同一个存储器中（内存储器），计算机能够自入同一个存储器中（内存储器），计算机能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。动高速地从存储器中取出指令加以执行。 2022-3-1536计算机学院师庆玲l位（位（bit）：表示：表示存储数据的最小单位存储数据的最小单位，二进制数，二进制数“0”或或“1”就是一位就是一位l字节（字节（Byte）：存储信息的基本单位）：存储信息的基本

23、单位，8位构成一个位构成一个字节，可作为一个单元来处理的一串二进制数位字节，可作为一个单元来处理的一串二进制数位l字（字（word）：）：计算机处理数据时，计算机处理数据时，CPU通过数据总通过数据总线一次存取、加工和传送的数据称为字线一次存取、加工和传送的数据称为字l字长字长：计算机的运算部件能同时处理的二进制数据计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，称为字长。的位数，称为字长。 数据存储常用的基本单位数据存储常用的基本单位2022-3-1537计算机学院师庆玲位位字字位、字节、字位、字节、字字节（字节（8位）位）数数据据存存储储的的组组织织形形式式2022-3-1538计算机学院师

24、庆玲1B1B（字节）（字节）8bit8bit（位）（位）1KB1KB2 21010B B1MB1MB2 21010K=2K=22020B B1GB1GB2 21010M=2M=23030B B1TB=21TB=21010G=2G=24040B B存储器的容量是以字节作为基本计数单位存储器的容量是以字节作为基本计数单位系统软件（如操作系统）系统软件（如操作系统）应用软件（如办公软件）应用软件（如办公软件）认识操作系统认识操作系统NT、9X、2000、XP服务于其他程序的程序服务于其他程序的程序计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类操操作作系系统统各各种种

25、应应用用程程序序管理硬件资源管理硬件资源协调后台工作协调后台工作提供用户与计算提供用户与计算机的交互接口机的交互接口认识操作系统认识操作系统操作系统（OS）是控制计算机硬件和软件资源的一组程序操作系统就是操作计算机的系统软件 处理器（处理器（CPUCPU）管理）管理 文件管理文件管理 存储管理存储管理 设备管理设备管理 用户接口用户接口 从资源管理的观点来看从资源管理的观点来看:1微机的种类2022-3-15计算机文化基础44主板是微型计算机主板是微型计算机系统中最大的一块电路系统中最大的一块电路板，有时又称为母板或板，有时又称为母板或系统板，是一块带有各系统板，是一块带有各种插口的大型印刷电

26、路种插口的大型印刷电路板（板（PCBPCB） 。它将主机。它将主机的的CPUCPU芯片、存储器芯片、芯片、存储器芯片、控制芯片、控制芯片、ROM BIOSROM BIOS芯芯片等结合在一起。片等结合在一起。返 回图6 P55主板（1 1）主板主板 （2 2）中央处理器）中央处理器 （3 3）存储器）存储器 （4 4）显卡）显卡 （5 5）声卡）声卡 （6 6）总线）总线 （7 7）输入设备）输入设备 （8 8）输出设备）输出设备图 P55主板（1 1）主板）主板 （2 2）中央处理器中央处理器 （3 3）存储器）存储器 （4 4）显卡）显卡 （5 5）声卡）声卡 （6 6）总线）总线 （7 7

27、）输入设备）输入设备 （8 8）输出设备）输出设备（1 1）主板）主板 （2 2）中央处理器）中央处理器 （3 3）存储器）存储器 （4 4）显卡）显卡 （5 5）声卡）声卡 （6 6）总线）总线 （7 7）输入设备）输入设备 （8 8）输出设备）输出设备（1 1）主板）主板 （2 2）中央处理器）中央处理器 （3 3）存储器）存储器 （4 4）显卡）显卡 （5 5）声卡）声卡 （6 6）总线）总线 （7 7）输入设备）输入设备 （8 8）输出设备）输出设备（1 1）主板）主板 （2 2）中央处理器）中央处理器 （3 3）存储器）存储器 （4 4）显卡）显卡 （5 5）声卡）声卡 （6 6）总线）总线 （7 7）输入设备）输入设备 （8 8）输出设备）输出设备 1 1、 计算机解决问题的过程计算机解决问题的过程计算计算1 1到到100100的和。的和。（1 1）分析问题：本题目就是一个求和的计算，分析问题：本题目就是一个求和的计算，但有规律，从但有规律，从1 1开始，逐个加开始，逐个加1 1，一直加到，一直加到100100。（2 2）用自然语言描述计算方法：用自然语言描述计算方法：Step1Step1：设计算的结果用：