计算机组成技术ch1

1、1.12022-6-25计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院硬件教研室硬件教研室刘松波刘松波1.22022-6-25第一部分第一部分 计算机原理计算机原理第二部分第二部分 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第三部分第三部分 微型计算机接口技术微型计算机接口技术1.32022-6-251. 上课出勤，并认真听课，遵守课堂纪律。上课出勤，并认真听课，遵守课堂纪律。2. 按时、按量、认真地完成作业。按时、按量、认真地完成作业。3. 预习实验、撰写实验报告，方可参加实验。预习实验、撰写实验报告，方可参加实验。4. 课后要阅读相关参考书。课后要阅读相关参考书。1.42022-6-25 课程成绩通过三方

2、面考核：课程成绩通过三方面考核： 考试成绩占：考试成绩占： 80% 平时成绩占：平时成绩占： 10% 实验课成绩占：实验课成绩占： 10% 总计满分为总计满分为100分。分。 但是没有平时成绩或实验课成绩，考但是没有平时成绩或实验课成绩，考试成绩无效。试成绩无效。 1.52022-6-25n建议在课堂上提问建议在课堂上提问n每周答疑每周答疑n期末安排集中答疑。期末安排集中答疑。1.62022-6-251. 1 电子计算机的产生与发展电子计算机的产生与发展1. 2 微型电子计算机的发展微型电子计算机的发展1. 3 我国电子计算机的发展我国电子计算机的发展1. 4 电子计算机的基本组成与结构电子计

3、算机的基本组成与结构1. 5 电子计算机的分类与性能评价电子计算机的分类与性能评价1. 6 电子计算机的特点及应用电子计算机的特点及应用1. 7 电子计算机的新进展电子计算机的新进展1.72022-6-25课程简介指令系统指令系统指令系统指令系统指令系统指令系统软件硬件指令系统指令系统1.82022-6-25课程简介结构、组成、实现三者关系结构、组成、实现三者关系H软、硬件分界面软、硬件分界面逻辑实现逻辑实现物理实物理实现现H相互联系相互影响：结构决定组成，相互联系相互影响：结构决定组成，组成决定实现，反之又影响前者组成决定实现，反之又影响前者H互相渗透：微程序控制，软件思想进互相渗透：微程序

4、控制，软件思想进入硬件设计入硬件设计；1.92022-6-25课程简介例：乘法指令例：乘法指令H是否包含乘法指令；（结构是否包含乘法指令；（结构H如何实现乘法指令；（组成如何实现乘法指令；（组成H乘法器的物理实现；（实现乘法器的物理实现；（实现1.102022-6-25课程简介软件类软件类硬件类硬件类 高级语言程序设计高级语言程序设计 汇编语言程序设计汇编语言程序设计( (清清华华) )数字逻辑数字逻辑 数据结构数据结构 计算计算机组成原理（高教机组成原理（高教） 编译原理编译原理操作系统操作系统 接口技术（华中）接口技术（华中）1.112022-6-25计算工具扩展并延伸了人脑的功能计算工具

5、扩展并延伸了人脑的功能n手动计算工具：算盘，算筹。手动计算工具：算盘，算筹。n机械式计算工具：手摇台式计算机机械式计算工具：手摇台式计算机1.1642年，法数学家年，法数学家Pascal 始创始创2.1674年，德数学家年，德数学家Leibnitz 改进改进3.1812年，英数学家年，英数学家Babbage 分析机分析机n机电式计算工具：机电式计算工具：1944年艾肯研制成功年艾肯研制成功MARK- I (电动、齿轮、继电器构成电动、齿轮、继电器构成)1.122022-6-25第一代计算机：电子管计算机第一代计算机：电子管计算机第二代计算机：晶体管计算机第二代计算机：晶体管计算机第三代计算机：

6、集成电路计算机第三代计算机：集成电路计算机第四代计算机：大规模集成电路计算第四代计算机：大规模集成电路计算机机1.132022-6-25 图图 灵灵（Alan Turing）冯冯诺依曼诺依曼（John Von Neuman）1.142022-6-25“图灵机图灵机”：19371937年提出，现代计算机的理论模型；（理想计算机年提出，现代计算机的理论模型；（理想计算机的数学模型、可计算性）的数学模型、可计算性） ；图灵测试1.152022-6-25最简单的来说 冯氏的精髓贡献是2点：二进制思想与存储程序思想1.162022-6-25 第一代计算机（第一代计算机（1946-1958）：电子管时代）

7、：电子管时代 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）运算速度：每秒几千次。运算速度：每秒几千次。1954年，第年，第1个高级程序设计语言个高级程序设计语言Fortran问问世。世。1.172022-6-25世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)1.182022-6-25ENIAC:电子管：180005000次/秒140kW1.192022-6-25 第二代计算机第二代计算机（1958-19

8、65）：晶体管时代：晶体管时代计算机的应用从科学计算，扩展到：数据处计算机的应用从科学计算，扩展到：数据处理和过程控制。理和过程控制。Algol 60 高级程序设计语言问世高级程序设计语言问世计算机的运算速度达到：几万到几十万次每计算机的运算速度达到：几万到几十万次每秒。秒。1.202022-6-25 第三代计算机第三代计算机（1965-1970）：集成电路时代：集成电路时代集成电路集成电路(Integrated Circuits, IC)代替分立元件。代替分立元件。IBM System 360 系列机问世。系列机问世。操作系统操作系统( OS, Operating System )日益成熟。

9、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。1.212022-6-25第四代计算机（第四代计算机（1971- ）：大规模集成电路时代）：大规模集成电路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应用。泛的应用。基于向量并行处理技术的基于向量并行处理技术的Cray-1使人类首次获使人类首次获得每秒得每秒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异军突起。微处理器和微型计算机异军突起。1.2

10、22022-6-25最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2014.06）1. .天河二号天河二号 (国防科大，广州中心国防科大，广州中心CPU: 3120000个个;速度速度: 33862Tflop1.232022-6-252、美国能源部国家实验室的、美国能源部国家实验室的“泰坦泰坦”最快的超级计算机最快的超级计算机（截止到（截止到 2014.06）CPU: 560640个；速度个；速度: 17590TFlops1.242022-6-25最快超级计算机最快超级计算机其他参考：其他参考：最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址http:/www.top500

11、.org1.252022-6-251.262022-6-251.272022-6-25第五代计算机第五代计算机？1.282022-6-25第一代（第一代（1971-1972）4位的微处理器位的微处理器 开山之作：开山之作：Intel 4004 通用微处理器：通用微处理器：Intel 40401.292022-6-25第二代（第二代（1972-1977）8位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机代表机型：代表机型： Intel 8008 ， 8080Motorola M6800 ， M6809 Zilog Z801.302022-6-25第三代（第三代（1978-1983）16位

12、的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机代表机型：代表机型： Intel 8086 , 80286Motorola MC 68000 , MC 68010 Zilog Z80001.312022-6-25第四代（第四代（1984- ）32位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机代表机型：代表机型： Motorola MC68020 Intel 80386, 80486, Pentium X IBM PowerPC1.322022-6-25Moores Law 每每18个月微处理器内部的晶体管数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，量扩大一倍，

13、计算机的性能将翻一番，而芯片的价格保持不变。而芯片的价格保持不变。1.332022-6-25每每1818个月微处理器内部的晶体管数量扩大一倍，计个月微处理器内部的晶体管数量扩大一倍，计算性能翻一番，而价格保持不变。算性能翻一番，而价格保持不变。1.342022-6-25微处理器的发展趋势1.352022-6-25处理器、DRAM1.362022-6-251956年，年，“12年科技发展规划年科技发展规划”。同年，。同年，哈工大、清华大学创建哈工大、清华大学创建“计算机专业计算机专业”（1957年年1月，制成我国第一台比较完整的结构式电子模拟计算机。月，制成我国第一台比较完整的结构式电子模拟计算

14、机。 1973年，中国第一台百万次集成电路电子年，中国第一台百万次集成电路电子计算机计算机“150机机”研制成功。研制成功。1983年，银河年，银河I号巨型计算机研制成功，运号巨型计算机研制成功，运算次数达到每秒算次数达到每秒1亿次。亿次。1984年，第一台国产年，第一台国产16位微机位微机-长城长城0520正式推出。正式推出。1.372022-6-251993年，第一台年，第一台10亿次巨型银河计算机亿次巨型银河计算机II型型通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正式运行式运行1995年，曙光年，曙光1000型大型机通过鉴定，其峰型大型机通过鉴定，其峰值可以达

15、到每秒值可以达到每秒25亿次亿次1997年，银河年，银河III并行巨型机研制成功并行巨型机研制成功1999年，银河四代巨型机研制成功年，银河四代巨型机研制成功2000年，年， “神威神威”高性能计算机研制成功高性能计算机研制成功1.382022-6-25由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成。的信息（程序）组成。计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、计算机的实体，如主机、外部设备（外设）等。外部设备（外设）等。1.4.1 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成 （1）硬件硬件软件软件1.392022-6-25主主 机机中央处理单元中央处理单元CPU1.4.1 计算机系统的

16、基本结构（计算机系统的基本结构（2）运算器运算器控制器控制器主存储器主存储器1.402022-6-25外外 设设I/O设备设备1.4.1 计算机系统的基本结构（计算机系统的基本结构（3）输入设备输入设备输出设备输出设备辅助存储器辅助存储器1.412022-6-25按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件1.422022-6-25高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机

17、器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M01.432022-6-25用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M01.442022-6-251.5.1电子计算机电子计算机的分类的分类从电子计算机的内

18、部实现来分从电子计算机的内部实现来分1.模拟式电子计算机模拟式电子计算机2.数字式电子计算机数字式电子计算机按设计目的：按设计目的：1.专用电子计算机专用电子计算机2.通用电子计算机通用电子计算机1.452022-6-25从电子计算机的性能来分从电子计算机的性能来分1.微型电子计算机微型电子计算机2.小型电子计算机小型电子计算机3.中型电子计算机中型电子计算机4.大型电子计算机大型电子计算机5.超级电子计算机超级电子计算机1.462022-6-25从电子计算机的用途来分从电子计算机的用途来分1.个人电子计算机个人电子计算机2.工业控制电子计算机工业控制电子计算机3.军用电子计算机军用电子计算机

19、4.嵌入式电子计算机嵌入式电子计算机5. 等等等等1.472022-6-251.基本字长：基本字长：8位，位，16位，位， 32位，位，64位位2.主存容量：主存容量： 主存容量主存容量 = 存储单元数存储单元数 * 字长字长3.存取周期：存取周期：目前半导体存储器的存取周期约为目前半导体存储器的存取周期约为60ns。4.运算速度：运算速度：1.482022-6-254.4.运算速度运算速度= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPICPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPSFLOPS每秒执行百万条指令每秒执行百万条

20、指令MIPSMIPS1.492022-6-255.系统配置：系统配置：软件配置，外设配置软件配置，外设配置6.CPU主频：主频：主频提高，速度提高，但功耗增加主频提高，速度提高，但功耗增加7.软件兼容性：软件兼容性：向上兼容，向下兼容。向上兼容，向下兼容。8.特性：特性：可靠性，可用性，可维护性，完整性、安可靠性，可用性，可维护性，完整性、安全性全性。9.可伸缩性：可伸缩性：可扩展性可扩展性10. 用户关注的任何指标。用户关注的任何指标。1.502022-6-25 1.6.1 电子计算机的特点电子计算机的特点1.能在程序的控制下自动连续地工作能在程序的控制下自动连续地工作2.具有很强的具有很强

21、的“记忆记忆”功能功能3.运算速度快，计算精度高运算速度快，计算精度高4.具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力5.通用性强通用性强1.512022-6-25l科学计算科学计算l数据处理数据处理l过程控制和实时控制过程控制和实时控制lCAD / CAM / CIMSl智能模拟智能模拟l网络通信网络通信l多媒体技术多媒体技术1.522022-6-25 CAD(Computer Aided Design)计算机辅助设计计算机辅助设计是指按设计任务书的要求，利用计算机进行各种是指按设计任务书的要求，利用计算机进行各种设计方案的比较，确定产品结构、外形尺寸、材设计方案的比较，确定产品结构、外形尺寸、材料选择

22、、模拟组装；再对模拟整机进行各种性能料选择、模拟组装；再对模拟整机进行各种性能测试，包括强度分析、振动分析、运动状态分析测试，包括强度分析、振动分析、运动状态分析等；并任意修正，最后从性能的先进性、经济的等；并任意修正，最后从性能的先进性、经济的合理性、加工的可行性等方面进行论证，获得最合理性、加工的可行性等方面进行论证，获得最终的设计产品，大大降低了产品设计的成本，缩终的设计产品，大大降低了产品设计的成本，缩短了产品的设计周期，最大限度地降低了产品设短了产品的设计周期，最大限度地降低了产品设计的风险。计的风险。1.532022-6-25 CAM（Computer Aided Manufact

23、uring）计计算机辅助制造算机辅助制造是以数控机床为主体，利用存是以数控机床为主体，利用存有全部加工资料的的数据库，如刀具、夹具有全部加工资料的的数据库，如刀具、夹具和各种零件的加工程序，以及在加工过程中和各种零件的加工程序，以及在加工过程中的自动换刀及加工数据的控制。目前人们已的自动换刀及加工数据的控制。目前人们已经将数控、物料流控制及存储、机器人、柔经将数控、物料流控制及存储、机器人、柔性制造、生产过程仿真等计算机相关控制技性制造、生产过程仿真等计算机相关控制技术统称为术统称为计算机辅助制造计算机辅助制造。1.542022-6-25 CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）计算机集成制造系统计算机集成制造系统是信息技术和现是信息技术和现代管理技术改造传