上海海事大学-计算机组成原理-第一章.ppt

1、上海海事大学计算机系 L 黄晓霞,计算机原理与系统,计算机原理与系统,2,课程简介,课程邮箱 课程特点 课程教学计划 课程学习过程要求 教学内容安排,计算机原理与系统,3,课程邮件,xinx_ xinx13,计算机原理与系统,4,课程特点,专业必修的核心课程 计算机专业硕士研究生入学必考课程 教学内容 计算机硬件系统的基本组成及运行原理 各功能部件的构成原理和运行原理 计算机硬件系统及功能部件的设计简介,计算机原理与系统,5,计算机组成原理与先修后继课程的关系,先修 数字电子技术 汇编语言程序设计,本课程位置与作用 专业主干课程之一 专业基础课与专业课的重要纽带，承上启下的作用,后继 操作系统

2、 计算机网络 计算机接口技术 嵌入式系统 单片机原理、可编程逻辑器件等,计算机原理与系统,6,课程教学计划 教材,主教材: 计算机组成与结构王爱英 主编 清华大学出版社。 参考教材： 数字电子技术基础 阎石主编 实验教材：计算机原理与系统实验指导书 上海海事大学,计算机原理与系统,7,学 时: 上课学时:71 实验学时:10,课程教学计划 学时,学 分: 4.5,计算机原理与系统,8,计算机组成原理: 期末考试：70 平时成绩: 30（包括作业、考勤、课堂小测验及期中考查，期中考试时间暂定在10.28（第八周）,课程教学计划 成绩构成,计算机原理与系统,9,课程学习过程要求,上课:听课投入 上

3、课不迟到、不无故缺勤 作业:作业本（封面写上学号和姓名） 认真复习相关内容 相互探讨，独立完成 按时按质交作业，难题集中讲解 实验: 预习操作报告,计算机原理与系统,10,教学内容安排,教材总目录 第一章计算机系统概论 第二章 （数字电路基础）计算机的逻辑器件 第三章 （数据表示）运算算法和运算部件 第四章主存储器 第五章 指令系统（汇编语言程序设计简介） 第六章 中央控制器 第七章 存储系统 第八章 辅助存储器 第九章 输入输出设备 第十章 输入输出系统 第十一章 计算机系统,计算机原理与系统,11,Chapter 1 计算机系统概论,计算机的发展简史 计算机硬件 计算机的语言 计算机的应用

4、 （计算机网络） 计算机的性能指标,生活中的计算机系统,Product:Vendo Vue 40 vending machine. Microprocessor: Two 16-bit Hitachi H8/300H Processors A robot hand dispenses items,Product: Cannon EOS 30D Digital Camera Microprocessor: DIGIC II Image Processor,Product: NASAs Twin Mars Rovers.Microprocessor: Radiation Hardened20Mhz

5、 PowerPCCommercial Real-time OSSoftware and OS was developed during multi-year flight to Mars and downloaded using a radio link,Photograph courtesy of NASA/JPL CALTECH,Product: Atronic Slot MachineMicroprocessor: X86OS: Windows CESlots are networked to a casinos back office computer system. State Ga

6、ming agencies audit code and payoff odds.,Product: LG VoIP PhoneMicroprocessor: Freescale i.MX21 ARM OS: Windows CE,计算机原理与系统,18,1.1计算机的发展简史,Chapter 1 计算机系统概论,Pascal发明的史上第一台机械式计算机就是一台十进制计算机，它利用齿轮装置来保存十进制数据，并通过齿轮旋转来完成十进制的加法，齿轮传动来完成进位。,计算机原理与系统,19,1.1 计算机的发展简史,一、第一台计算机 ENIAC、时间（1946）、 地点、特点,Chapter 1 计

7、算机系统概论,1946年研制成功的第一台电子计算机ENIAC也沿用了这一惯例即采用十进制，它是由一圈共10个真空管来表示一位十进制数据的，计算实现起来非常复杂。,计算机原理与系统,20,世界第一台电子计算机ENIAC 埃尼阿克 宾夕法尼亚大学摩尔工程学院 莫奇利和埃克特领导的研究小组,1946年2月14日 The Electronic Numerical Integrator And Computer 17468个电子管 60000个电阻器 10000个电容器 6000个开关 30吨 160平方米 174千瓦 5000次加法/秒,缺点： 十进制 人工改接连线,计算机原理与系统,21,1.1计算

8、机的发展史,二、冯 诺依曼计算机设计思想 计算机的工作方式-存储程序的工作方式 提出：1946 冯 诺依曼提出计算机的若干设计思想 要点： 计算机采用二进制表示数据和指令 存储程序的工作方式 计算机硬件组成及各部件功能 EDVAC,采用存储程序方案 EDVAC (Electronic Discrete variable Automatic Computer)。离散变量自动电子计算机。,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,22,冯诺依曼计算机结构,以运算器为核心、以存储程序原理为基础,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令驱动,指令流,控制命令,数据流,人们将编好的程

9、序和原始数据存入主存储器中，然后启动计算机工作，计算机在不需要人工干预的情况下，自动完成逐条取出指令并执行指令的任务。,计算机原理与系统,23,程序的执行过程,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n, ,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,计算机原理与系统,24,1.1 计算机的发展史,三、以器件划分计算机的发展史 1第一代 电子管计算机 1947-1957 2第二代 晶体管计算机 1958-1964 3第三代 集成电路计算机 1964-1972 4第四代 大规模集成电路计算机 1972-至今 （第五代，1981）,Chapter 1 计算机系统

10、概论,计算机原理与系统,25,真空电子管诞生,李德弗雷斯特 (Lee deForest 18731961) “电子管之父” “无线电之父”、“电视始祖” 1899（26岁）发明了电解检波器和交流发射机。 1906（33岁）年他发明了三极真空管（检波、产生振荡、放大电信号、改变电信号频率等）,真空电子管的诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。计算机历史由此跨进了电子的纪元。,计算机原理与系统,26,李德福雷斯特,13岁便“发明”了好几种小机器，一生获得了多达300余项专利。 20岁那年他考取了耶鲁大学谢菲尔德理学院的奖学金，班上的同学都叫他“学校里最平庸、最神经质的学生”。 成功的原因

11、1.对于电学、特别是电磁波传播有着近乎痴迷的兴趣。 2.耶鲁精神和美国精神,耶鲁精神和美国精神,耶鲁的精神-“我们需要接收这种观点，即希望的大门为我们打开，充沛的精力需要我们展现，伟大的思想和目标由之而激励，对未来的信念必然会在我们心中生根，这就是耶鲁的生活所带给你们的，这就是耶鲁的精神。 在耶鲁，大家都是为梦想而来，每个人都可以为自己的理想而努力奋斗 。 不仅是耶鲁人，那时的美国人都相信，即将到来的二十世纪将成为“美国的世纪”。美国的科技的高速发展，在美西战争中的辉煌胜利，还有人民高涨的爱国热情，都让人相信这个国家前途无限。 美国在20世纪成为世界科技中心。,计算机原理与系统,28,三项发明

12、助力计算机产业腾飞,贝尔实验室肖克利等三人发明的晶体管 诺伊斯和基尔比发明的集成电路。 特德霍夫发明的微处理器。,计算机原理与系统,29,晶体管之父W.Shockley,威廉肖克利（William Bradford Shockley，1910年2月13日1989年8月12日）是一位英国出生的美国物理学家和发明家。 1947年12月（37岁），肖克利与合作者巴丁和布拉顿 共同发明了晶体管，分享了1956年度的诺贝尔物理学奖金。,计算机原理与系统,30,- Robert Noyce 罗伯特诺伊斯 1968年创办英特尔公司 1957年创办仙童半导体公司。 财富、威望和成就 三位一体的圣人,罗伯特诺伊

13、斯(Robert Noyce)和德州仪器公司的杰克基尔比(Jack Kilby)在两年后分别发明了集成电路,计算机原理与系统,31,特德霍夫与4004微处理器,大学期间，每年暑假都到通用铁路信号公司的电子实验室做技师。在那儿，在电子跟踪电路，照明保护设计项目中，获得了专利申请的荣誉。大学毕业后一年，这两项专利被正式批准。 1958年，申请了斯坦福大学，在这里获得了电子工程硕士和博士学位。 在1971年（34岁），发明4004微处理器。 用霍夫的话来说，“计算机这种智能体非常适合市场销售”。 霍夫一直认为微处理器的发明远不如知道这种产品拥有市场的感觉,计算机原理与系统,32,4004微处理器 I

14、ntel 4004微处理器是世界上第一款商用计算机微处理器，是“一件划时代的作品”、 人类历史上最具革新性的产品之一。 它片内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108KHz，成本不到100美元。,计算机原理与系统,33,从器件发展而言 电子管、继电器存储 晶体管磁介质存储 集成电路 大规模和超大规模集成电路 从结构的发展而言 单个CPU组成的单机系统 流水线机 多处理机 大规模的并行处理机 从技术的发展上而言 变址技术 中断技术 微程序技术 缓冲技术共享 重用技术 虚拟技术,1.1计算机的发展简史,Chapter 1 计算机

15、系统概论,计算机原理与系统,34,也称为超级计算机，它是一个国家科技水平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值计算和信息处理能力，是每个时代计算机高精尖技术的集中代表。 1983年我国自行研制出了第一台银河巨型机。此后，我国自行研制的银河型巨型机每秒运算可达到120亿次。,（1）巨型机,不同类型计算机简介,计算机原理与系统,35,图1-5 第一台银河巨型机,图1-6 银河巨型机,“天河一号”,每秒计算1206万亿次的研制成功，世界上只有中、美能造, 第一台国产千万亿次超级计算机“天河一号” 2010.11，夺魁,计算机原理与系统,36,计算机原理与系统

16、,37,2014.6年全球超级计算机排行前10强,超级计算机500强排名2015发布 中国“天河二号”五连冠,计算机原理与系统,38,天河二号,天河二号已经是第五次拿到超级电脑运算能力的第一名了。位于中国国防科技大学的天河二号超级电脑，是中科曙光所开发，有312万颗核心处理器，其浮点运算速度达 33.86 petaflop/s，相当于第二快的超级电脑 Titan 的接近二倍。,计算机原理与系统,39,计算机原理与系统,40,位于美国能源部橡树岭国家实验室的Titan，是超级电脑领域知名的克雷电脑公司 (Cray) 打造的，其浮点运算能力为17.59 petaflop/s。,第三名的超级电脑Se

17、quoia同样位于美国的能源部，劳伦斯利福摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL），IBM 所开发，浮点运算能力为17.17petaflop/s。第四名则是位于日本理化学研究所的京 (K computer)，由富士通打造。,计算机原理与系统,41,z13的硬件扩展能力： 41颗可配置处理器、 10TB内存 业务能力：单日能够处理25亿笔交易。 2014年双十一那天，支付宝总交易2.78亿笔，其中移动端完成1.97亿笔，也就是说一台满配的z13几乎能处理10倍于支付宝双十一的交易量,（2）大型计算机,图1-7 IBM大型机Z13,m

18、ainframe computer,它们一般用于大型事务处理系统,计算机原理与系统,42,（Minicomputer）小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于PC服务器和大型主机之间的一种计算机,（3）小型计算机,IBM Power 780,计算机原理与系统,43,微型计算机（Microcomputer）简称微型机或微机，是以微处理器为中央处理器而组成的计算机系统。,（4）微型计算机,它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计算机。近年来，微型机的发展最快、市场占有率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、高性能、多用途发展。,计算机原理与系统,44,

19、微型计算机的分类方法很多。按字长可分为8位、16位、32位、64位微型机计算机;按组装形式可分为非便携式和便携式微型计算机，前者如台式机（如图1-8所示），后者是一种可移动的微型机，如笔记本和掌上计算机（如图1-9所示）。,图1-8台式机,图1-9笔记本,计算机原理与系统,45,Chapter 1 计算机系统概论,1.2 计算机的硬件 软件与硬件 计算机是一种能够自动、高速解决数学问题及逻辑问题的现代化电子装置。 硬件构成了计算机系统的物质基础 软件则是计算机系统的应用基础 硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展。,计算机原理与系统,46,1.2 计算机的硬件,一、硬件系统 CPU（运算

20、器、控制器）核心组合逻辑控制器、微程序控制器 存储器容量、速度、价格主存（内存）、辅存（外存）、高速缓冲存储器（CACHE）、虚拟存储器 I/O设备：I/O接口,计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,47,第10章,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,48,二、 计算机硬件组成及各部件功能,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,程序,结果,数据,结果,地址,指令,命令,状态,请求,命令,请求,命令,计算机：CPU 、存储器、输入输出设备（I/O）+总线 运算器ALU+控制器,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,49,微型计算机的概念结构,AB: Address Bus，DB: Data Bus，CB: Control Bus,各个部件如何连接起来？（p.6图1.1）,计算机原理与系统,50,Chapter 1 计算机系统概论,1.3 计算机软件 计算机语言发展史 机器语言 汇编语言 高级语言,计算机原理与系统,51,一、机器语言 1、计算机采用二进制表示数据和指