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第一章 计算机组成原理本讲稿第一页，共三十九页 计计算算机机组组成成原原理理是是计计算算机机类类学学科科本本科科教教学学中中的的一一门门重重要要专专业业基基础础课课。在在专专业业教教学学计计划划中中占占有有重重要要地地位位和和作作用用。它它主主要要阐阐述述构构成成一一台台计计算算机机的的基基本本原原理理，包包括括计计算算机机的的结结构构组组成成、各各个个功功能能部部件件的的作作用用、工工作作原原理理及及设设计计方方法法。学学习习本本课课程程旨旨在在建建立立计计算算机机系系统统的的整整体体概概念念，对对培培养养设设计计开开发发计计算算机机系系统统的的能能力力有有重重要要作作用用。该该课课程程为为今今后后学学习习计计算算机机体体系系结结构构、计计算算机机网网络络、计计算算机机容容错错技技术术、计计算算机机并并行行处处理理、计计算算机机分分布布式式处处理理技技术术等等课程打好基础。课程打好基础。计计算算机机组组成成原原理理的的先先修修课课程程为为信信息息论论导导论论、数数字字逻逻辑辑设设计计；后继课程为微机系统与接口、单片机应用技术等系列课程。后继课程为微机系统与接口、单片机应用技术等系列课程。谭乐婷谭乐婷 2010 2010年年9 9月月 本讲稿第二页，共三十九页组成原理的地位和对象组成原理的地位和对象l1.1.地位：地位：l核心课程（与系统结构、操作系统构成核心课程（与系统结构、操作系统构成3 3门专门专业核心课程）业核心课程）l2.2.对象：对象：l计算机专业（科学与技术、软件工程、网络计算机专业（科学与技术、软件工程、网络工程）工程）l高年级课程高年级课程本讲稿第三页，共三十九页概论概论知识结构知识结构计算机计算机本讲稿第四页，共三十九页知识结构知识结构计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器运算器运算器控制器控制器本讲稿第五页，共三十九页知识结构知识结构运算器运算器内部互连内部互连ALU寄存器寄存器CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器运算器运算器控制器控制器本讲稿第六页，共三十九页组成原理的主要内容组成原理的主要内容l1.1.计算机信息表示（数据、指令）计算机信息表示（数据、指令）l2.2.运算器的算法运算器的算法l3.3.存储器的结构及设计存储器的结构及设计l4.4.控制器的原理及设计控制器的原理及设计l5.I/O5.I/O设备原理设备原理l6.6.总线的原理与设计总线的原理与设计本讲稿第七页，共三十九页第第章章 概论概论1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史1.4 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构1.3 计算机的软件系统计算机的软件系统1.2 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成1.5 计算机的特点和性能指标本讲稿第八页，共三十九页约翰冯诺依曼 John Von Neuman（19031957）美藉匈牙利人 开创了现代计算机理论，于开创了现代计算机理论，于19451945年提出了年提出了“程序内存式程序内存式”计算机的设计思想。这一卓越的计算机的设计思想。这一卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则。已成为计算机设计的基本原则。1946 1946年，冯年，冯诺依曼开始研究程序编制问题，诺依曼开始研究程序编制问题，他是现代数值分析他是现代数值分析计算数学的缔造者之一，他计算数学的缔造者之一，他首先研究线性代数和算术的数值计算，首先研究线性代数和算术的数值计算，冯冯诺依曼逝世后，未完成的手稿于诺依曼逝世后，未完成的手稿于19581958年年以计算机与人脑为名出版他的主要著作收以计算机与人脑为名出版他的主要著作收集在六卷冯集在六卷冯诺依曼全集中，诺依曼全集中，19611961年出版年出版 本讲稿第九页，共三十九页阿兰阿兰麦席森麦席森图灵图灵Alan Mathison TuringAlan Mathison Turing（1912.6.231912.6.231954.6.71954.6.7）英国数学家、逻辑学家英国数学家、逻辑学家被视为计算机之父被视为计算机之父 在他短暂的生涯中，图灵在量子力学、数理在他短暂的生涯中，图灵在量子力学、数理逻辑、生物学、化学方面都有深入的研究，在晚逻辑、生物学、化学方面都有深入的研究，在晚年还开创了一门新学科年还开创了一门新学科 非线性力学。非线性力学。24岁提出图灵机理论，岁提出图灵机理论，31岁参与岁参与COLOSSUS的研制，的研制，33岁设想仿真系统，岁设想仿真系统，35岁岁提出自动程序设计概念，提出自动程序设计概念，38岁设计岁设计“图灵测验图灵测验”。这一朵朵灵感浪花无不闪耀着他在计算机发展史这一朵朵灵感浪花无不闪耀着他在计算机发展史上的预见性。上的预见性。“图灵机图灵机”与与“冯冯诺伊曼机诺伊曼机”齐名，被永远载齐名，被永远载入计算机的发展史中入计算机的发展史中。为表彰他的贡献，专门设有一个一年一度的为表彰他的贡献，专门设有一个一年一度的“图灵奖图灵奖”，颁发给最优秀的电脑科学家。，颁发给最优秀的电脑科学家。本讲稿第十页，共三十九页1.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程本讲稿第十一页，共三十九页世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)1.1本讲稿第十二页，共三十九页硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一1.1本讲稿第十三页，共三十九页 电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路本讲稿第十四页，共三十九页 1.IBM:BlueGene/L-eServer Blue Gene Solution212 992 个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1.1本讲稿第十五页，共三十九页2.IBM:JUGENE-Blue Gene/P Solution 65 536个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 167 300 GFLOPS 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1.1本讲稿第十六页，共三十九页3.SGI:SGI Altix ICE 820014 336个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 126 900 GFLOPS 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1.1本讲稿第十七页，共三十九页4.HP:EKA-Cluster Platform 3000 BL460c14 240个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 117 900 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）1.1本讲稿第十八页，共三十九页最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）5.HP:Cluster Platform 3000 BL460c13 728个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 102 800 GFLOPS1.1本讲稿第十九页，共三十九页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.org1.1本讲稿第二十页，共三十九页二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（intel4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位1.1本讲稿第二十一页，共三十九页Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番1.1本讲稿第二十二页，共三十九页Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管本讲稿第二十三页，共三十九页l你可以在一根人类的头发宽度上摆放你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个多个45纳米晶体管。纳米晶体管。l你可以在一个针头上摆放你可以在一个针头上摆放3万多个万多个45纳米晶体管，加起来约合纳米晶体管，加起来约合150万纳米。万纳米。l一个小数点一个小数点(直径约为直径约为0.1毫米或毫米或10万纳米万纳米)可填入可填入2千多个千多个45纳米纳米晶体管。晶体管。l一个一个45纳米晶体管可在纳米晶体管可在1秒钟内切换约秒钟内切换约3千亿次。一个千亿次。一个45纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速(每秒每秒30万公里万公里)穿行穿行0.1英寸所需的时间。英寸所需的时间。2007 2007 年年年年 英特尔采用英特尔采用英特尔采用英特尔采用45nm45nm工艺技术，芯片上可集工艺技术，芯片上可集工艺技术，芯片上可集工艺技术，芯片上可集成成成成 23 23 亿亿亿亿 个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管 本讲稿第二十四页，共三十九页三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展操作系统（操作系统（OSOS）数据库数据库DOSDOS（Disk Operation SystemDisk Operation System：磁盘操作系统）：磁盘操作系统）UNIXUNIX：19711971年贝尔实验室年贝尔实验室Windows 1.0Windows 1.0是在是在19851985年正式推出的。年正式推出的。LINUX:1991LINUX:1991年年第一个数据库管理系统第一个数据库管理系统IDSIDS由通用电气由通用电气(GE)(GE)公司的公司的Charles BachmanCharles Bachman在在19611961开发出。开发出。19791979年年OracleOracle公司引入了第一个商用公司引入了第一个商用SQLSQL关系数据库管理关系数据库管理系统。系统。本讲稿第二十五页，共三十九页例：已知例：已知X=5,Y=3,求求X+Y=？用计算机求解，需要解决：用计算机求解，需要解决：如何表示数据如何表示数据如何对数据进行运算处理如何对数据进行运算处理需设置哪些部件来实现运算需设置哪些部件来实现运算1.2 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成本讲稿第二十六页，共三十九页 计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成 指令和数据用二进制形式表示指令和数据用二进制形式表示一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点 采用采用存储程序存储程序方式方式本讲稿第二十七页，共三十九页算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备本讲稿第二十八页，共三十九页ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存本讲稿第二十九页，共三十九页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1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件1.3 计算机的软件系统计算机的软件系统本讲稿第三十页，共三十九页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标准程序库标准程序库本讲稿第三十一页，共三十九页系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件 对网络资源进行组织和管理对网络资源进行组织和管理 标准程序库标准程序库 求解初等函数、线性方程组等求解初等函数、线性方程组等 计算程序计算程序本讲稿第三十二页，共三十九页语言处理程序（编译程序、解释程序）语言处理程序（编译程序、解释程序）解释解释将源程序逐段地转换为具有相同功能的指令序将源程序逐段地转换为具有相同功能的指令序列。列。编译编译将整个源程序全部转换为指令序列将整个源程序全部转换为指令序列。（边翻译、边执行边翻译、边执行）（先翻译、后执行先翻译、后执行）1.什么是机器语言什么是机器语言?2.什么是汇编语言？什么是汇编语言？3.什么是高级语言？什么是高级语言？本讲稿第三十三页，共三十九页机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境 各种语言处理程序各种语言处理程序本讲稿第三十四页，共三十九页计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行2.计算机的解题过程计算机的解题过程本讲稿第三十五页，共三十九页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 M01.4 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构本讲稿第三十六页，共三十九页1.5 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.基本字长基本字长2.数据通路宽度数据通路宽度3.运算速度运算速度4.主存储器容量主存储器容量5.外存容量外存容量6.配置的外围设备及其性能配置的外围设备及其性能7.系统软件配置系统软件配置本讲稿第三十七页，共三十九页1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关=ni=1fi tiTM 吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS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CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS本讲稿第三十八页，共三十九页221 =256 KB213 =1 KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1K=210 1B=23b1GB=230b1 K 8位位64 K 32位位本讲稿第三十九页，共三十九页