中国海洋大学计算机组成原理课件(第1章)

ForStudentsofLab2010(ComputerOrganizationPrinciples)主讲教师蒋永国(jiangyg@)

(信息学院南楼,B313室)实验教师

徐惠敏(yziping@)

计算机硬件系统组成(章节分配)运算器控制器主存储器输入设备输出设备总线和I/O接口高速缓存虚拟存储器(磁盘设备)第一部分(2,3章)第二部分(5,6章)第三部分(4,7,8章)第四部分(9,10章)第1章计算机系统概论(目录部分)1.1计算机的语言

1.2计算机的硬件1.3计算机系统的层次结构1.4电子计算机的发展简史1.5计算机的应用1.6

计算机网络1.7习题与作业第1章计算机系统概论(计算机的语言)计算机语言分为低级语言(机器语言、汇编语言)和高级语言两类。也可分为机器语言、通用的编程语言(汇编语言、高级语言)第1章计算机系统概论(计算机的语言)计算机的语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言。高级语言：和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。

BASIC,PASCAL,C,JAVA….机器语言：由二进制代码表示的指令组成，计算机能直接执行的语言，这种语言被称为机器语言.

1000101111000011汇编语言：符号式(助记符mnemonicsymbol）程序设计语言。

MOVAX,BX第1章计算机系统概论(计算机的语言)需要进一步说明的地方：机器语言:计算机所能识别的语言只有机器语言，即由0和1构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它非常难于记忆和识别。汇编语言:实质和机器语言是相同的，都是对硬件操作，只不过指令采用英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。高级语言:指更接近于人们日常使用的书面语言、用来编制程序的语言,高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的VB、VC、Delphi等，这些语言的语法、命令格式都各不相同。(经过编译和解释两种方式“翻译”成目标代码(机器语言),才能被计算机识别)第1章计算机系统概论(计算机的语言)1、指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。2、指令格式操作码地址码机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）

3、工作原理

不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。例如：ADDAX,BXBASIC语言语句：LETd=b*b-4*a*c机器语言：1.MULBB;b2送B2.MULAE;4a送入A3.MULAC;4ac送A4.SUBBA;b2–4ac送B5.MOVDB;b2–4ac从B送到DAaBbCcDdE4将指令存放在相邻的存储单元中：nMULn+7n+7;b2送Bn+1MULn+6n+10;4a送入An+2MULn+6n+8;4ac送An+3SUBn+7n+6;b2–4ac送Bn+4MOVn+9n+7;b2–4ac从B送到Dn+5HLT;停机指令n+6an+7bn+8cn+9dn+104计算机的硬件（Hardware）组成(计算机的硬件系统是指构成计算机的所有物理部件的集合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等物理部件组成)算盘运算器纸存储器笔输入/输出设备大脑控制器第1章计算机系统概论(计算机的硬件)运算存储（记录）控制（协调）CPU(中央处理器)第1章计算机系统概论(计算机的硬件)运算器存储器I/O设备地址总线数据总线控制总线控制器CPUI/O接口I/O设备I/O接口组成计算机的基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存储器和输入、输出设备。运算控制部件（CPU)存储器输入/输出输入/输出地址总线AB数据总线DB控制总线CB……第1章计算机系统概论(计算机的硬件)图1.1以总线连接的计算机框图第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线分类:单向总线双向总线传送方向数据总线控制总线信息种类地址总线单总线三总线总线数目双总线内总线外总线物理位置单向总线双向总线传送方式芯片级总线:接口总线:三个层次系统总线:一个功能部件内部的总线，CPU内

单机系统各功能部件间的总线

连接不同系统的总线

第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:1.面向CPU的双总线结构优点：简单，对总线传输速率要求低缺点：I/O设备与内存交换信息需经CPU，CPU效率低第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:2.单总线结构优点：设备扩充、增删方便、灵活缺点：分时使用总线第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:3.面向存储器的双总线结构优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂

第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:4.PC机常用总线结构⑴按相对于CPU或其它芯片的位置可分为

•片内总线:在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。

•片外总线:是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。⑵按总线的功能可分为

•地址总线(ABus),数据总线(DBus),控制总线(CBus)⑶按总线的层次结构可分为

•CPU总线:包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCB)，它用来连接CPU和控制芯片。

•存贮总线:包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCB)，用来连接存储控制器和DRAM。

•系统总线:也称为I/O通道总线，包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB)，用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。

•外部总线：用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:4.PC机常用总线结构注意:

•CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采用不同的芯片集。这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。•系统总线是与I/O扩充插槽相连的，I/O插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。

•我们要讨论的总线就是系统总线，各种总线标准也主要是指系统总线的标准(PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多种标准)。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:4.PC机常用总线结构⑷按总线在微机系统中的位置可分为：

•机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。

•机外总线(PeripheralBus—外设总线):指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。说明:目前PC机上流行的接口标准：IDE、SCSI、USB和IEEE1394，前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:4.PC机常用总线结构(5)局部总线在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:4.PC机常用总线结构(5)局部总线

•局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。

•从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。

•局部总线可分为三种：专用局部总线:如NEC、Dell、HP等,为自己系统开发的专用总线,用于图形处理、网络传输等.它们是非标准的,不能通用，也不被广大兼容机采用。

☆

VL总线(VESALocalBus)☆PCI总线

VL总线和PCI总线都是通用总线，但VL总线只是适用于486的一种过渡标准，目前已经淘汰。586以上档次的微机普遍采用PCI总线。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)总线结构:4.PC机常用总线结构CPU(微处理器)介绍微处理器主流厂家大型机IBM、SUN微机Intel、AMD嵌入式ARM、MIPS中国芯：龙芯MIPS公司:MicroprocessorwithoutinterlockedpipedstagesARM公司:AdvancedRISCMachine微处理器发展简史微处理器IBMIntelAMD(AdvancedMicroDevices)(超微)微处理器的发展(机械时代)第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展(进入机电时代)第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)”晶体管之父”的肖克利（W.Shockley）博士诺宜斯（N.Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆仙童半导体公司FairChild集成电路之父杰克·基尔比微处理器的发展----英特尔Intel(Integrated/Electronics)的元老第1章计算机系统概论(计算机的硬件)摩尔诺宜斯葛洛夫Intel微处理器发展历史－4004第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1971年11月Intel面世了微处理器4004。这款芯片的架构为4bit。4004

是英特尔推出的第一款微处理器。这一突破性的发明最先应用于Busicom

计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。晶体管数量：2,300速度：108KHzIntel的第一款微处理器是给日本人做计算器用的Intel微处理器发展历史－8008第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1972

年：8008

微处理器诞生8008的性能是4004

的两倍。1974

年，RadioElectronics发表的一篇文章指出一款名为Mark-8

的设备采用了

8008。Mark-8

是第一批家用计算机之一，而以今天的标准来看该产品很难进行构建、维护和操作。晶体管数量：3,500速度：200KHzIntel微处理器发展历史－8080第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1974

年：8080

微处理器8080

有幸成为了第一款个人计算机Altair

的大脑。Altair

这个名称是源《星际旅行》电视节目中一个星际飞行计划（StarshipEnterprise）的目的地名称。计算机爱好者花费395

美元即可购得Altair

套件。数月内，Altair

的销售量达到数万台，造成了电脑销售历史上第一次缺货现象。晶体管数量：6,000速度：2MHzIntel微处理器发展历史－808*第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1978

年：8086-8088微处理器英特尔成功将8088

销售给IBM全新的个人计算机部门，使得8088

成为了IBM

全新热销产品-IBMPC

的大脑。8088

的大获成功使英特尔顺利跻身财富500

强之列，《财富》杂志将该公司评为“七十大商业奇迹之一（BusinessTriumphsoftheSeventies）”。晶体管数量：29,000速度：5MHz,8MHz,10MHzIntel微处理器发展历史－286第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1982

年：286

微处理器286

也称为

80286，是英特尔第一款具有完全兼容性的处理器，即可以运行所有针对其前代处理器编写的软件。这一软件兼容性也成为了英特尔处理器家族一个恒久不变的特点。该产品发布后的6

年内，全世界基于286

处理器的个人计算机便达到了大约1,500万台。晶体管数量：

134,000速度：6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHzIntel微处理器发展历史－386第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1985

年：英特尔®386™

微处理器英特尔®386™

微处理器采用275,000个晶体管——约是最初的4004

处理器的100

多倍。它是一个32

位的“多任务”芯片——即可以同时运行多个程序。每秒可以处理500万条指令，并且可以运行所有流行的操作系统包括Windows*

晶体管数量：275,000速度：16MHz、20MHz、25MHz、33MHzIntel微处理器发展历史－486第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1989

年：英特尔®486™DXCPU

微处理器下一代处理器英特尔®486™

处理器真正意味着您从命令形式的进入到了point-and-click的计算时代。英特尔®486™

处理器首次采用内建的数学协处理器，将负载的数学运算功能从中央处理器中分离出来，从而显著加快了计算速度。晶体管数量：120

万速度：25MHz,33MHz,50MHzIntel微处理器发展历史－奔腾第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1993

年：英特尔奔腾处理器英特尔

奔腾处理器支持计算机更轻松的集成“现实世界”数据，如语音、声音、手写体和图片等。晶体管数量：310

万速度：60MHz、66MHzIntel微处理器发展历史－奔腾II第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1997年：英特尔奔腾II

处理器汇集750万个晶体管的英特尔®

奔腾®

II

处理器采用了英特尔®MMX™

技术。该技术专门设计用于高效处理视频、音频和图形数据。它采用创新的单边接触（S.E.C.）卡盒推出，同时还集成了高速的高速缓存内存芯片。晶体管数量：750

万速度：200MHz、233MHz、266MHz、300MHz微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)Intel微处理器发展历史－奔腾III第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1999年：英特尔奔腾III处理器英特尔

奔腾

III

处理器采用了70条新指令——互联网SIMD

流指令扩展，显著增强了高级图像、3D、音频流、视频和语音识别应用的性能。处理器采用0.25

微米技术制造。晶体管数量：950

万速度：650MHz

至1.2GHzIntel微处理器发展历史－奔腾4第1章计算机系统概论(计算机的硬件)2000

年：英特尔®奔腾®4

处理器处理器首次采用4,200万个晶体管和0.18

微米的电路线。晶体管数量：4,200

万速度：1.30、1.40、1.50、1.70、1.802001

年8月:英特尔®奔腾®4

处理器——达到2GHz

里程碑2002

年11月：含超线程（HT）技术的英特尔®奔腾®4处理器英特尔在全新英特尔®奔腾®4处理器3.06GHz上推出其创新超线程（HT）技术。1998年英特尔发布了PentiumIIXeon处理器。第一代Xeon采用了同PentiumII一样的SECC封装，但是使用了Slot2接口。Xeon将处理器的二级缓存放在了处理器板上，、使用的是1MB甚至2MB的全速二级缓存（PentiumII的二级缓存是以处理器主频的二分之一工作的），而且采用的是Intel自行开发的静态缓存（其原理还是不大清楚）能够提升缓存的工作效率。另外提升了SMP能力，配合450NX芯片组可以支持最大8个处理器共同工作。另外Intel还为工作站推出了450GX芯片组，支持双至强工作和2GBECC内存！Intel服务器级芯片—Xeon(至强)第1章计算机系统概论(计算机的硬件)Intel服务器级芯片—安腾第1章计算机系统概论(计算机的硬件)2001年英特尔发布了ItaniumItanium处理器是英特尔第一款64位元的产品.在Itanium处理器中体现了一种全新的设计思想，完全是基于平行并发计算而设计（EPIC）.2002年英特尔发布了Itanium2处理器Itanium2处理器是以Itanium架构为基础所建立与扩充的产品，通过模拟运行可以兼容32位运算.Itanium2具有6.4GB/sec的系统总线带宽、最高达到16MB的L3缓存。微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)2005：IntelPentiumD处理器

(正式揭开了x86处理器多核心时代)Intel微处理器发展历史－酷睿第1章计算机系统概论(计算机的硬件)2006年：IntelCore2Duo

处理器(其E67002.6GHz型号比先前推出之最强的IntelPentiumD960(3.6GHz)处理器，在性能方面提升了40%，省电效率也增加40%，Core2Duo处理器内含2.91亿颗晶体管。)2006

年7

月：英特尔公司发布了十款全新酷睿™2

双核处理器和酷睿™至尊处理器全新处理器可实现高达40%

的性能提升其能效比最出色的英特尔奔腾处理器高出40%。英特尔

酷睿™2

双核处理器包含2.91

亿个晶体管。微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)2007年：45纳米处理器(英特尔Core2至尊四核处理器QX9650)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)配备80核微处理器的试制主板位于中央的方形封装中安装了80核微处理器。封装连接2根水管，利用水冷技术冷却封装和芯片。通过连接底板部分的红、黑电源线供电。微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)2009年：32纳米处理器?????????微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)1、4位微处理器(Intel4004)

2、8位微处理器

(Intel8080)

3、16位微处理器

(Intel8086/8088,80286)

4、32位微处理器

(Intel80386/80486/Pentium)

5

、

64位微处理器(IntelItanium安腾处理器)微处理器的发展第1章计算机系统概论(计算机的硬件)AMD微处理器发展历史－K5第1章计算机系统概论(计算机的硬件)AMD处理器被人们广泛了解是从AMDK5开始的。AMDK5内建430万晶体管，350nm工艺。K5是AMD

公司第一块自行设计的处理器，时钟频率有90MHz、100MHz、120MHz

等几款。由于推出的时间较晚，因此刚一推出就面临着被Intel

公司淘汰出局的悲惨命运。AMD微处理器发展历史－K6-2第1章计算机系统概论(计算机的硬件)在AMDK6时代最为有名的是AMDK6-2。K6-2是相当成功的产品，主因归于低价电脑的盛行AMDK6-2处理器采用了0.25微米五层金属工艺制造，内含930万个晶体管。AMDK6-2的最大特色是采用了3DNow!技术。采用3DNow!技术的K6－2，具有单指令多数据(SIMD)性能，即用一条指令便可同时处理多个数据，明显加快了CPU的3D处理速度。K6－2/300的性能直逼PⅡ300，而价格却相对便宜.AMD微处理器发展历史－K6-2+第1章计算机系统概论(计算机的硬件)接着AMD推出了K6-2+和K6-3型处理器。这两款产品都可以看作K6-2的升级版，其中K6-3比K6-2+先推出。这两款处理器与K6-2的区别在于二级缓存的不同。K6-2的二级缓存是建立在主板上的，并以外频速度来工作。而K6-3效仿PIII处理器，把二级缓存放进了CPU内部。

AMD微处理器发展历史－K7第1章计算机系统概论(计算机的硬件)接着就到了AMDK7的时代。Duron（毒龙）处理器是K7时代的低端处理器。Duron（毒龙）的L1和L2Cache均采用的是全速Cache，运行速度和处理器核心同速，性能和Thunderbird(雷鸟)一样强大。AthlonXP（速龙）处理器是AMD的一款成功之作。Athlon

XP（速龙）处理器与雷鸟相比较的改进在于支持SSE指令集并且一级缓存中的数据TLB（转换表缓冲区）由32增加到了40个记录，数据与指令的L1和L2TLB可以分别独立运行，而且TLB记录能够推断来预先写入。

随后Thoroughbred取代了Palomino核心的AthlonXP处理器。在为了应对800MHz前端总线的P4时，AMD又推出了采用512KB二级缓存，333/400MHz前端总线的Barton核心的处理器.AMD微处理器发展历史－K8第1章计算机系统概论(计算机的硬件)自从K7架构取得无比辉煌的成功后，AMD就一直秘密进行着自己的下一代处理器K8的研发工作2003年4月22日面向高端服务器市场代号Opteron的AthlonFX正式发布，紧接着在同年9月23日，代号ClawHammer的Athlon64处理器发布，Athlon64的出现正式宣告PC走向64位运算。AMD为K8增加了一套通用寄存器（General-purposeRegisters，简称“GPR”），使的K8的GPR数量达到16个.IBMPower系列第1章计算机系统概论(计算机的硬件)POWER

是PowerOptimizationWithEnhancedRISC

的缩写，是IBM的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。POWER

芯片起源于801CPU，是第二代RISC

处理器。POWER

芯片在1990年被RS

或RISC

System/6000UNIX

工作站（现在称为

eServer

和pSeries）采用POWER

的产品有POWER1、POWER2、POWER3，POWER4，POWER5等。最新是POWER6.IBMPower系列第1章计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器发展趋势???现实的解决方案一：多核(Mulitcore)频率瓶颈由于晶体管数量倍增，会导致硅芯片所需要的电能、耗费功率大幅提升，甚至成几何级数的增加多核处理器可以解决功耗和性能比的问题目前常见2核、4核、8核、16核68核、80核、2xx核计算能力将>2TFlops多核处理器设计包括核间通讯cache设计片内总线设计总线->NOC（networkonchip）现实的解决方案一：挑战软件怎么利用多核尚未解决操作系统方案一:当作多处理器看待，不能发挥封装在一个核的优点方案二:虚拟化，把多核虚拟为一核，牺牲性能方案三:定制，重写操作系统与编译器，无产品应用软件计算型软件，容易并行信息处理软件，串行的，怎么用多核课程知识更新快速现实的解决方案一：疑惑双核是两个单核焊接在一起么四核是两个双核焊接在一起么处理器中其他器件怎么连接Intel、AMD给出不同的答案真假四核现实的解决方案二：可重构处理器架构系统架构不固定微处理器可以针对不同的应用修改自己的体系结构达到性能最优、功耗更低的目的不增加硬件开销又称软微处理器在MPSOC中，经常有FPGA等可重构器件现实的解决方案二：挑战全新架构，无一定规格硬件设计重构成什么微处理器专用微处理器核有：XML、JAVA、压缩、加密、网络、多媒体软件设计软件架构如何运行软件有没有其他解决方案?产业界主导的技术，而非研究机构最强的研究力量都在业界推出既是标准竞争使得对手越来越少封装与制造工艺——SOCKET、SlotSocket插座安装CPUSocket4、Socket5、Socket7、Socket370(Pentium

时代的

CPU插座从Socket4

开始,它有273个脚，工作电压为5V。正是因为它的工作电压太高，所以它并没有怎么流行就被Socket5

取代了。Socket4

只能支持60－66MHz

的Pentium。)(Socket370从名字就可以看出Socket370

插座有370

个管脚。在

Intel

找到了把处理器内核和

L2

缓存很便宜的做在一起的方法之后，它的CPU

插座从Slot

回到了Socket。Socket370是基于Socket7

的，它不过只是在插座的四边每一边加了一排管脚。首先采用Socket370

的是PPGA

封装的Celeron，接着是

FC-PGA

封装的

PentiumIII

和CeleronII。同样也有Socket370

到Slot1

的转接卡。目前Intel的主流CPU

都是Socket370

类型的。)Slot1一个狭长的242引脚的插槽Slot1、Slot2接口标准、SlotA接口标准运算器运算器是一个数据加工部件，主要完成二进制算术运算及逻辑运算电子计算机中采用二进制数的原因运算规律简单，在电子器件中比较容易实现运算器的位数越多，计算的精度就越高，但是所费的电子器件也越多，成本就高。目前计算机的运算长度一般为8位、16位、32位或64位。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)第1章计算机系统概论(计算机的硬件)控制器

控制器是计算机的决策部件，通过指令译码产生各操作控制信号，控制各部件有条不紊地工作设计目标：容量大、速度快、成本低；同时计算机还应具有响应外部突发事件的能力，控制器能在适当的时刻响应这些外部的请求，并作出处理。将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制存储器

存储器的功能是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤设计目标：容量大、速度快、成本低为解决容量与成本的矛盾：将存储器分为内存储器和外存储器。内存储器：由半导体存储器（RAM、ROM）构成，特点：速度快、但成本高，存放正在运行和处理的程序和数据外存储器：由磁盘、磁带、光盘、移动存储器等构成，特点：容量大、成本低，可脱机保存信息，存放暂时不用的程序和数据第1章计算机系统概论(计算机的硬件)存储器一组基本概念主存储器一般由半导体器件构成，最基本的单元是一个记忆二进制数码（0或1）的记忆元件，它所记忆的是二进制信息中的一个数位（bit），称为存储元若干个存储元组成一个存储单元，微机中的一个存储单元通常为8bit，存放一个“字节”(Byte,简称B)的二进制信息，1Byte=8bit，但一个存储单元也可以是16位、32位、64位等第1章计算机系统概论(计算机的硬件)最小单位：位(Bit)基本单位：字节(Byte)，也是常用单位d0d1d2d3d4d5d6d7位字节存储器(信息的存储单位)第1章计算机系统概论(计算机的硬件)存储器(其它存储单位)(存储器容量常以字节为单位计量)千字节(KB) 1KB=1024Bytes兆字节(MB) 1MB=210KB吉字节(GB) 1GB=210MB太字节(TB) 1TB=210GB第1章计算机系统概论(计算机的硬件)存储器中每个存储单元都有编号，称为地址。向存储器中写数或者从存储器中读数，都是按给定的地址来寻找所选的存储单元。存储器中所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。第1章计算机系统概论(计算机的硬件)存储器(地址与容量)输入设备的作用是把人们熟悉的某种形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式输出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其它机器设备所能接收和识别的信息形式I/O接口(适配器)，相当于一个转换器，它可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息；由于不同的I/O设备在许多方面存在差异，所以适配器的种类很多，有专用的，也有通用的第1章计算机系统概论(计算机的硬件)I/O系统（接口与I/O设备）系统总线是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借助系统总线，计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线第1章计算机系统概论(计算机的硬件)系统总线第1章计算机系统概论(计算机系统的层次结构)用高级语言编写程序翻译成机器语言执行程序人工编写计算机上运行源程序sourceprogram目标程序objectprogram输出结果outcome图1.2计算机的解题过程计算机上运行第1章计算机系统概论(计算机系统的层次结构)高级语言虚拟机器的层次结构虚拟机器M3（高级语言机器）虚拟机器M2实际机器M1汇编语言或中间语言机器翻译程序：编译程序和解释程序第一代语言1GL2GL、3GL、4GL第1章计算机系统概论(计算机系统的层次结构)第1章计算机系统概论(计算机系统的层次结构)高级语言虚拟机器的层次结构翻译程序编译程序:将编写的源程序中全部语句翻译成机器语言程序后，再执行机器语言程序。解释程序:在将源程序的一条语句翻译成机器语言以后立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。它的特点是翻译一次只能执行一次，当第二次重复执行该语句时，要重新翻译，因而效率较低。第1章计算机系统概论(计算机系统的层次结构)计算机系统的多级层次结构虚拟机器M4（高级语言机器）虚拟机器M3（汇编语言或中间语言机器）虚拟机器M2（操作系统语言机器）实际机器M1（机器语言机器）高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言或中间语言机器本级语言程序经编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言一般用机器语言解释操作系统语言由硬件或微程序执行机器语言第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)第一台电子计算机(ENIAC)第一台电子计算机（通用可编程序）18800电子管30吨150平方米140kw5000次十进制加法/秒1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC

(ElectronicNumerical

IntegratorAndComputer)第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)埃克特(右)莫克利(左)ENIACENIACENIAC：永远是光辉的起点ENIAC最初是为了进行弹道计算而设计的专用计算机。1996年2月15日，在ENIAC问世50周年之际，美国副总统戈尔在宾夕法尼亚大学举行的隆重纪念仪式上，再次按动了启动电钮。戈尔在向当年参加ENIAC的研制、如今仍健在科学家发表讲话:“我谨向当年研制这台计算机的先驱者们表示祝贺。”

为了改进程序的输入方式：美国数学家冯·诺依曼，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一个计算机模型EDVAC(Electronic

DiscreteVariableAutomaticComputer,离散变量自动计算机),1952年才调试成功.

ENIAC的特点：十进制表示程序用插线开关实现第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)VonNeumann,EDVAC第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼

(JohnVonNeumann)美籍匈牙利科学家，现代计算机之父，率先奠定了现代计算机的基本结构。冯·诺依曼体系结构是计算机组成原理讨论的基础，其基本设计思想就是存储程序和程序控制，具有以下特点：由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。采用存储程序方式，这是冯·诺依曼思想的核心内容，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用冯·诺依曼体系结构。第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)冯·诺依曼体系结构第一台可操作的存储程序机器---Mark-I1948年，曼彻斯特大学,小型计算机样机第一台全面的、可操作的、存储程序计算机—EDSAC：ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator1949年，EDSAC开始运行1949年5月.英国剑桥大学威尔克斯(M.Wilkes),摘取了1967年度计算机世界最高奖—“ACM图灵奖”。第一台成功的商业化计算机，UNIVAC-I机1951年由埃克特,莫克利研制成功，1952年准确预测美国总统大选。1952年，IBM公司推出了它的第一台机器IBM701。第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)ManchesterMarkI,originpicture第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)TheEDSAC,takenshortlyafteritscompletioninMay1949第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)英国皇家科学院院士、计算技术的先驱莫里斯·威尔克斯(MauriceVincentWilkes)(1967年获得第二届图灵奖)威尔克斯在设计与建造EDSAC过程中，决不是简单地模仿和照搬EDVAC的设计，而是创造和发明了许多新的技术和概念，例如“变址”；“宏指令”；微程序设计；子例程及子例程库；高速缓存Cache等等。所有这些都对现代计算机体系结构和程序设计技术产生了深远的影响。威尔克斯的贡献是多方面的，当之无愧地成为第二届图灵奖获得者。UNIVACI第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)IBM701第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)第1章计算机系统概论(电子计算机的发展简史)电子计算机的发展第一代电子管计算机(1946年—1957年)

第二代晶体管计算机(1958年—1964年)

第三代集成电路计算机(1965年—1971年)

第四代大规模集成电路(1972年—至今)

其实，电子计算机的发展是紧随着电子技术的发展而发展的。

电子技术的发展过程是：Electronictube(电子管)→Transistor(晶体管)→IC(集成电路IntegratingCircuit)→LSI(大规模集成电路LargeScaleIntegration)→VISI(超大规模集成电路VeryLargeScaleIntegration)→SVLSI(超大规模集成电路Super—VLSI)。

PowerSupply,ConsoleUnit,Read-PunchUnit

IBM650小型机

1954年电子管时代IBM709大型机

1958年电子管时代CDC6600

大型机

1964年晶体管时代CDC7600

大型机

1969年晶体管时代集成电路时代IBM360系列

1964年大型机IBM370

IBM370/158大型机IBMS/390

Generation51998年5月硬件技术对计算机更新换代的影响

100000000超大规模集成电路

1978~现在

10000000大规模集成电路

1972~1977

1000000中小规模集成电路

1965~1971

200000晶体管

1958~1964

40000电子管

1946~1957速度（次/秒）硬件技术时间代三四二一Cray-1CrayX-MPCDC–CYBER205PDP–11VAX11/780银河-I巨型计算机：1983年12月,第一台亿次巨型计算机由国防科技大学计算机研究所研制成功银河-II巨型计算机：由国防科技大学计算机研究所于1992年11