第1章计算机概论2011.ppt

1、计 算 机 组 成 原 理,2011年2月6日,第1章 计算机系统概述,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 150kw 5000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 ( Electronic Numerical Integrator And Computer ),1.1 计算机的发展简史,1946-1959 第一代电子管计算机时代,UNIVAC 埃克特和莫克利 第一个进行批量生产的计算机。 1951年，电脑开始走出实验室服务于社会与公众。1952年，UNIVAC因准确地预测美国总统大选

2、结果而名声大噪。 EDVAC 冯诺依曼 1950问世的第一台并行计算机EDVAC，首次实现了冯诺依曼的两个重要设想：存储程序和采用二进制。 IBM 701 1952年IBM公司推出的IBM 701在商战中击败UNIVAC，不仅使IBM实现了全面的转型，更奠定了IBM产业霸主地位,4,现代真空电子管,ENIAC,ENIAC,Vacuum tube in ENIAC,Input Pannel (42),Cable,Programing,Debug(线路检查),ENIAC & Von Neumann,存储器的出现,1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。,高级

3、语言的出现,1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一个高级程序语言FORTRAN，它被广泛用于科学计算。,1959-1964晶体管造就第二代计算机,1947年，贝尔实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明点触型晶体管；1950年又发明了面结型晶体管。 晶体管体积小、重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路结构大大改观，运算速度大幅提高。 肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。, 1955年，在美国原子能委员会的支持下，IBM和生产UNIVAC的兰德公司分别开始实施 Stretch计划和LARC计划，希望设计更快速的计算机。 美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使

4、用晶体管的第二代计算机TRADIC。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。 IBM公司于1958年制成的1401及后续的1410/1440系列计算机，是第二代计算机中的代表。,计算机商务处理的开始 第二代计算机除了大量用于科学计算，还逐渐被工商企业用来进行商务处理，高级语言FORTRAN和COBOL因此也得到了广泛应用。,1964-1970 第三代计算机, 1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。 集成电路的出现使得计算机脱胎换骨,世纪豪赌 IBM S/360, S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有360度”全方位的

5、特点，因此得名。 IBM投入了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。,1970至今 第四代计算机,从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。 随着技术的进展，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、中型机、小型机和微型机、单片机,计算机的分代-硬件技术对计算机更新换代的影响,SGI Cray T3E IBM xServer Sun E10000,可扩展并行与分布处理,指令级并行、SMP、MP、MPP、网络,高性能微处理器、大规模高密度电路,第五代 (1991-),Cray-1、IBM 3090、DEC VAX9000、Co

6、nvax-1,并行与分布处理,向量处理、分布式存储器,LSI和VLSI、半导体存储器,第四代 (1974-1990),IBM360/370CDC6600/7600、DEC PDP-8,多道程序和分时操作系统,流水线、Cache、先行处理、系列计算机,SSI和MSI、多层印刷电路、微程序,第三代 (1965-1974),Univac LARC CDC1604 IBM7030,高级语言和编译、批处理监控系统,浮点数据表示、寻址技术、中断、I/O处理机,晶体管、磁芯、印刷电路,第二代 (1955-1964),普林斯顿ISA、ENIAC IBM701,机器语言和汇编语言,存储程序计算机、程序控制I/O

7、,电子管和继电器,第一代 (1946-1954),典型机器,软件技术,体系结构技术,器件,分代,计算机的分代,技术和性能的“下移”。新型体系结构的设计一方面是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例。另一方面则是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性。,Moore 定律,Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出,微处理器的发展,4004(2300/50m)/8008 8080/8085、8086/8088 80286/80386/80486 Pentium/Pentium Pro/Pentium Pentium /Pentium (4200万/0.13m) 集成电路技术的发展

8、是基础 高性能、低能耗、高速度、低成本,计算机的发展日新月异,从CPU的发展来看 40048008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4-Core 从计算机的规模，运算速度上看， 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机,26,计算机的发展日新月异,History of Intel CPU,1978 8086/8088 5-10 MHz 1982 80286 6-12 MHz 1985 Intel386 16-33 MHz 1989 Intel486DX 25-50 MHz 1993 Pentium 60-23

9、3 MHz 1997 Pentium II 233-450 MHz 1999 Pentium III 450M-1G Hz 2000 Pentium 4 1.4-3.2 GHz 2006 Core 2.0GHz,计算机实现技术的发展,4004,8080,8086,8008,Pentium Processor,486 DX Processor,386 Processor,286,Pentium II Processor,Pentium III Processor,Pentium 4Processor,Itanium 2 Processor,1,000,10,000,100,000,1,000,0

10、00,10,000,000,100,000,000,1,000,000,000,1970,1980,1990,2000,2010,微处理器中可以集成的晶体管数目：20071季度3亿 CMOS技术提高情况： 线宽每7年降低一半。 逻辑电路：单芯片上的晶体管数量以每年60%-80%的速率增长。,微处理器晶体管数,1.2.1 计算机系统的层次结构,计算机语言可以说是一种虚拟的计算机系统 计算机语言由低级向高级发展，高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。 对于用某一层语言编写程序的程序员来说，似乎有了一种新的机器，该机器能执行用该层语言写的全部程序。,计算机系统中

11、的层次概念,微程序机器级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序一般是直接由硬件解释实现的。,计算机系统中的层次概念,传统机器级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令集编写的程序可以由微程序进行解释（仿真)。 针对不同的指令集，可以有多个解释程序，可以通过仿真在一台机器上实现多种指令集。 可以没有微程序机器级。,计算机系统中的层次概念,操作系统虚拟机： 直接管理传统机器中的软硬件资源； 是传统机器的引伸。提供了传统机器所没有的某些基本操作和数据结构（文件系统、虚拟存储系统、多道程序系统和多线程管理等）。,计算机系统中的层次概念,汇编语言虚拟机的机器语言是汇编语言。 用汇编语言编写的

12、程序，首先翻译或解释成第3级和第2级语言，然后再由相应的机器执行。完成汇编语言翻译的程序就叫做汇编程序。,计算机系统中的层次概念,高级语言虚拟机的机器语言就是各种高级语言。 用这些语言所编写的程序一般是由称为编译程序的翻译程序翻译到第级或第3级上，个别的高级语言也用解释的方法实现。,计算机系统中的层次概念,应用语言虚拟机是为使计算机满足某种用途而专门设计的（人工智能、教育、行政管理、计算机设计）。 应用语言编写的程序一般是由应用程序包翻译到第5级上。,程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性,实现计算机体系结构所体现的属性,有无乘法指令,如何实现乘法指令,（指令系统、数据类型、寻

13、址技术、I/O机理）,（具体指令的实现）,1.2.2 计算机体系结构和计算机组成,计算机系统结构、组成及其实现,计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定,指令系统体系结构（ISA）,硬件,软件,软件硬件界面分配,软件和硬件的逻辑等效性 由软件实现的功能在原理上可以由硬/固件实现。同样，由硬件实现的功能原理上也可以由软件的模拟方法来实现。 软件和硬件的性能价格比是不等效的。 对于计算机系统软硬件功能分配应保证在满足应用的前提下，充分利用硬件、器件、软件技术，使系统达到较高的性能价格比。,外特性: 指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集,性能成本评价: 运算速度、存储容量、I/O带

14、宽,系统结构的研究范围,新型系统结构设计: 并行性、数据流、推理机、神经网,界面设计: 确定硬件功能, 确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术,结构、组成和实现,计算机系统的组成是指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：, 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等,计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：,相互关系,应用程序,操作系统,指 令 系 统,组 成,实

15、 现,编译,外特性设计,逻辑设计,器件,封装机箱,电源,冷却设计, 实现指令集中所有指令功能的具体电路、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。,系统结构、组成、实现三者之间的区别, 指令的实现，如取指令、取操作数、运算、送结果等具体操作及其排序方式属 于计算机组成。,例 机器指令集的确定属于计算机系统结构。,1.3 计算机组成 1.3.1 数字计算机硬件系统由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备。各部分相互连接框图为：,图 1-1,计算机各部件间需要大量而高速地交换信息，才能实现总体功能。例如：, CPU从存储器读取指令、数据，经过运算以后又将结果存入存储器； CPU与I

16、/O设备交换数据； CPU从接口中读取设备的状态信息，以了解设备工作的现状； CPU向接口输出命令启动和控制设备工作；等等,现代电子计算机之父,19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想： 采用二进制和“存储程序”。这两个 设想对于现代计算机至关重要，也使冯 诺伊曼成为“现代电子计算机之父” ，冯诺伊曼机体系延续至今。,现代计算机理论基础,布尔代数 计算机三原则 图林机 维纳现代计算机五大原则 计算机开关电路 冯诺依曼计算机原理,布尔代数, 1847和1854年，英国数学家布尔发表了

17、两部重要著作逻辑的数学分析和思维规律的研究，创立了逻辑代数。 逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。,阿塔纳索夫计算机三原则,阿塔纳索夫三原则； 采用二进制进行运算； 采用电子技术来实现控制和运算； 采用把计算功能和存储功能相分离的结构。 1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。其设计方案启发了ENIAC开发小组的莫克利，并直接影响到ENIAC的诞生。 1972年美国法院判决ENIAC的专利权无效，阿塔纳索夫拥有作为第一个电子计算机方案提出者的优先权。,图林机, 1936年，24岁的英国数学家图林发表著名论文论可计算数及其在密码问题的

18、应用，提出了“理想计算机”，后人称之为“图林机”。图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明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。 图林发表于1940年的另一篇著名论文计算机 能思考吗？，对计算机的人工智能进行了探索， 并设计了著名的“图林测验”。1954年图林英年 早逝，年仅42岁。,1940年维纳现代计算机五原则,1940年美国科学家维纳阐述了对现代计算机的五点设计原则 数字式而不是模拟式； 以电子元件构成并尽量减少机械装置； 采用二进制而不是十进制； 内部存放计算表； 内部

19、存储数据。 维纳在1948年完成了著作控制论，这不仅使维纳成为控制论的创始人，而且对计算机后来的发展和人工智能的研究产生了深刻的影响。,计算机开关电路,1938年，信息论的创始人、美国科学家香农发表论文继电器和开关电路的符号分析 首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。,1.3.2 冯诺依曼体系结构,计算机组成原理讨论的基础就是冯诺依曼体系结构的计算机，其基本设计思想就是存储程序和程序控制，具有以下特点： (1) 采用二进制形式表示数据和指令在存储程序的计算机中，数据和指令都是以二进制形式存储在存储器中的。从存储器存储的内容来看两者并无区别都是由0和1组

20、成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。计算机在读取指令时，把从计算机读到的信息看作是指令；而在读取数据时，把从计算机读到的信息看作是操作数。数据和指令在软件编制中就已加以区分，所以正常情况下两者不会产生混乱。有时我们也把存储在存储器中的数据和指令统称为数据，因为程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。,(2) 采用存储程序方式 这是冯诺依曼思想的核心内容。如前所述，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。这是计算机能高速自动运行的基础

21、。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能 。 如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移的目标地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区的不同区域内。,(3) 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备

22、五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。 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这一体制，即冯诺依曼型计算机体制。,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,冯诺依曼计算机硬件框图,输出设备,输入设备,运算器,控制器,存储器,计算结果,程序和数据,计算机的组成部件,计算机硬件系统的基本构成,1.3.3 计算机硬件框图,1. 以存储器为中心的计算机硬件框图,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,计算机硬件系统的一种构成形式,存储器,运

23、算器,控制器,适配器,输入设备,输出设备,系统总线,1.4 计算机的结构和功能,1功能。从本质上来说,计算机的结构和功能运作都很简单。 基本功能：数据处理、数据存储、数据传送、控制 (1)计算机能处理数据、数据可以有多种形式，处理的要求也是很广泛的。但是我们将会看到，只存在几种数据处理的基本方法或类型。 (2)计算机也必须在某个特定的时刻存储它正在运算的数据值。因此，计算机至少要有短期数据存储功能。 (3)计算机必须能在它自身与外界之间传送数据。计算机操作环境包含了作为数据源或目标设备。当直接与计算机相连的设备接收或发送数据时，这个过程称为I/O，这个设备称外设。当数据传至远处，或从远方设备接

24、收，这个过程称数据通信。 (4)最后，必须对这3种功能进行控制。这种控制功能最终是由给计算机提供指令的人来施加。在计算机系统中，控制器根据这些指令管理计算机的资源，并协调各个功能部件的操作方式。,数据传送装置,控制机构,数据存储装置,数据处理装置,操作环境：数据的源和目标,图1-3 计算机的功能,2结构,上图是对计算机尽可能简单的描述。计算机是 以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说 与外部环境的所有连接可以划分为外围设备和通 信线路。主要有4种结构组件： 中央处理单元（CPU）：控制计算机的操作并完 成数据处理 主存储器：存储数据 I/O：在计算机及其外部环境之间传输数据 系统互连：为C

25、PU、主存和I/O之间提供某些通 信机制,第一篇 概论,第二篇 计算机系统硬件结构,第三篇 CPU,第四篇 CU,其主要结构部件有： 控制器：控制CPU以至于整台计算机的操作 ALU：完成数据处理功能 寄存器：为CPU提供内部存储 CPU内部互连：提供控制器、ALU和寄存器之间的某种通信机制 而实现控制器有多种方法，得迄今为止最普遍采用的还是微程序实现方法。 其结构为：顺序逻辑：向控制地址寄存器装入和发出读命令。 控制器的寄存器和译码器：存有被读取的微地址。 控制存储器：存微指令（微程序）。,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤

26、,1.5 计算机的工作步骤,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,= (ax + b)x + c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax2 + bx + c,编程举例,000001 0000001000,打印 e,停机,取数 a,存数 b,加 c,乘 d,指令格式举例,计算 ax2 + bx + c 程序清单,2.计算机的解题过程,(1)运算器的基本组成及操作过程,被乘数, 加法操作过程, 减法操作过程, 乘法

27、操作过程, 除法操作过程,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访, 存储单元, 存储元件,（0/1）, 房间, 床位,（无人/ 有人）,(2)存储器的基本组成,MAR,MDR,存储器地址寄存器 反映存储单元的个数,存储器数据寄存器 反映存储字长,(2)存储器的基本组成,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,取指,执行,IR 存放当前欲执行的指令,访存,访存,完成 一条 指令,(3)控制器的基本组成,以取数指令为例,(4)主机完成一条指令的过程,以存数指令为例,(4)主机

28、完成一条指令的过程,(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.6计算机分类,单片机,将CPU、部分存储器、部分I/O接口集成在一个芯片上,单板机,将CPU、存储器、I/O接口及部分I/O设备安装在一个印刷线路板上,一、选择题 1. 发明的第一台电子数字计算机是 。 A. ENIAC B. EDVAC C. EDSAC D. UNIVAC,2. 世界上第一台电子数字计算机研制成功的时间是

29、 。 A. 1946年 B. 1947年 C. 1951年 D. 1952年,3. 多媒体计算机是指 。 A. 具有多种外部设备的计算机 B. 能与多种电器连接的计算机 C. 能处理多种媒体信息的计算机 D. 借助多种媒体操作的计算机,4. 电子数字计算机工作最重要的特征是 。 A. 高速度 B. 高精度 C. 存储程序自动控制 D. 记忆力强,A,A,C,C,课堂练习与思考：,5. 通常所说的主机是指 。 A. CPU B. CPU和内存 C. CPU、内存和外存 D. CPU、内存和硬盘,6.CPU处理的数据基本单位为字,一个字的二进制位数为 。 A. 8 B. 16 C. 32 D. 与CPU芯片的型号有关,7. bit的意义是 。 A. 字 B. 字节 C. 字长 D. 二进制位,8. 1MB