計(jì)算機(jī)組成原理：第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1、2021-11-231計(jì)算機(jī)組成原理2021-11-232課程說明課程必修課，36學(xué)時(shí)，2學(xué)分教材白中英. 計(jì)算機(jī)組成原理（第4版）. 科學(xué)出版社, 2000.參考資料張晨曦等. 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu). 北京: 高等教育出版社, 2000.蔣本珊編著. 計(jì)算機(jī)組成原理M.北京：清華大學(xué)出版社，2004. 2021-11-233成績平時(shí)成績： 40%，期末考試： 60%。作業(yè)必須手寫，上課之前交上一次作業(yè)實(shí)驗(yàn) 與本課程對應(yīng)的“計(jì)算機(jī)組成實(shí)踐”課程18學(xué)時(shí)，0.5學(xué)分 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求交紙質(zhì)版紙質(zhì)版實(shí)驗(yàn)時(shí)間按照實(shí)驗(yàn)室安排另行通知2021-11-234主要內(nèi)容1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論2.運(yùn)算方法和運(yùn)算器3.存儲(chǔ)系統(tǒng)

2、4.指令系統(tǒng)5.中央處理器6.總線系統(tǒng)7.外圍設(shè)備8.輸入/輸出系統(tǒng)2021-11-235第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論n計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用n計(jì)算機(jī)硬件n計(jì)算機(jī)軟件n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2021-11-2361.1 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用n什么是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)？n計(jì)算機(jī)有些類別？n計(jì)算機(jī)能干什么？2021-11-237電子計(jì)算機(jī)概念n機(jī)械式計(jì)算與電子式計(jì)算n模擬計(jì)算機(jī)與數(shù)字計(jì)算機(jī)n計(jì)算機(jī)與計(jì)算器n計(jì)算機(jī)的基本特征l自動(dòng)、高速、精確n計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算l算術(shù)運(yùn)算l邏輯運(yùn)算2021-11-238計(jì)算機(jī)分類n按用途分l通用計(jì)算機(jī)l專用計(jì)算機(jī)n按規(guī)模分l巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)2021-11-

3、239計(jì)算機(jī)的應(yīng)用n科學(xué)計(jì)算（運(yùn)算速度）n信息處理（存儲(chǔ)容量）n測量與控制（自動(dòng)化）n其它應(yīng)用lCAD、CAM、CAICAD：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) Computer Aided Design CAM：計(jì)算機(jī)輔助制造 Computer Aided Manufacturing CAI：計(jì)算機(jī)輔助教學(xué) Computing Assisted Instructionl人工智能領(lǐng)域2021-11-23101.2 計(jì)算機(jī)硬件n計(jì)算機(jī)的硬件組成n計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展2021-11-2311計(jì)算機(jī)的硬件組成 五大部分五大部分:運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備 說明說明:

4、細(xì)實(shí)線：控制線細(xì)實(shí)線：控制線 虛線：反饋線虛線：反饋線 粗線：數(shù)據(jù)線粗線：數(shù)據(jù)線控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器結(jié)果結(jié)果數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)取數(shù)取數(shù)存數(shù)存數(shù)輸入命令輸入命令輸出命令輸出命令2021-11-2312計(jì)算機(jī)的硬件組成（續(xù)）1. I/O設(shè)備設(shè)備:2. CPU:CPU=控制器（控制器（Controller）+運(yùn)算器（運(yùn)算器（ALU+Regs）(1)控制器控制器:功能功能(2) ALU(Arithmetic Logical Unit):算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件,是直接進(jìn)行數(shù)據(jù)變換與運(yùn)算的部件是直接進(jìn)行數(shù)據(jù)變換與運(yùn)算的部件. ALU的最基本的最基本操作是加法和邏輯運(yùn)算操作是加法和邏輯運(yùn)算.例例:A-

5、B=A+-B補(bǔ)補(bǔ) ,(3)寄存器組寄存器組:暫存運(yùn)算中間結(jié)果暫存運(yùn)算中間結(jié)果 m*n=m+m+mm/n=m-n-n按時(shí)鐘提供統(tǒng)一節(jié)拍按時(shí)鐘提供統(tǒng)一節(jié)拍對指令所含操作做時(shí)序分配對指令所含操作做時(shí)序分配按時(shí)序發(fā)出控制信號(hào)按時(shí)序發(fā)出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)各部件協(xié)調(diào)工作驅(qū)動(dòng)各部件協(xié)調(diào)工作 通用寄存器組通用寄存器組:存放操作數(shù)存放操作數(shù) 專用寄存器組專用寄存器組:存儲(chǔ)特定信息存儲(chǔ)特定信息2021-11-2313計(jì)算機(jī)的基本組成（續(xù)）計(jì)算機(jī)的基本組成（續(xù)） 算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件(ALU)工作示意圖工作示意圖狀態(tài)標(biāo)志寄存器通用寄存器累加器ALUBA結(jié)果C=A+B標(biāo)志每位對應(yīng)一個(gè)特征2021-11-2314計(jì)算機(jī)

6、的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成(續(xù)續(xù))3.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(Memory，記憶裝置，記憶裝置)(1)功能:保存程序、原始數(shù)據(jù)及中間結(jié)果。(2)特點(diǎn): 取之不盡，新來舊去。存 寫, 取 讀.采用線性地址存取方式采用線性地址存取方式 地址地址 單元內(nèi)容單元內(nèi)容 可按位(b),字節(jié)(B),半字、 字(W),雙字(DW)編址。 以字節(jié)(B)編址居多，即1個(gè) 存儲(chǔ)單元存1個(gè)字節(jié)的信息。 存儲(chǔ)器容量:即存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的數(shù)量。信息m-1信息m信息m+1n-1nn+12021-11-2315計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成(續(xù)續(xù))(3)存儲(chǔ)器的三大指標(biāo)存儲(chǔ)器的三大指標(biāo)容量容量(C)+價(jià)格價(jià)格(P)+速度速度(S)容

7、量大容量大 速度速度 , 速度速度 成本成本 容量容量采用分級存儲(chǔ)方式來解決上述矛盾采用分級存儲(chǔ)方式來解決上述矛盾主存輔存cacheCPU主存輔存輔助軟硬件主輔存兩級存儲(chǔ)系統(tǒng)主輔存兩級存儲(chǔ)系統(tǒng)cache主輔存三級存儲(chǔ)系統(tǒng)主輔存三級存儲(chǔ)系統(tǒng)輔存主存2021-11-2316計(jì)算機(jī)工作流程n馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想： 存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行n工作流程l根據(jù)算法編寫程序l存儲(chǔ)程序l執(zhí)行程序2021-11-2317Von Neumann 型計(jì)算機(jī)特點(diǎn)n以ALU為中心，I/O與M之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過ALU。ALU、M、I/O的聯(lián)系由CPU集中控制。n程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)主存中，無

8、區(qū)分的信息位。n存儲(chǔ)器按地址訪問（線性編址的一維空間）。n指令在存儲(chǔ)器中是順序存儲(chǔ)的。n指令由操作碼和地址碼組成。n數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示。2021-11-2318控制器的基本任務(wù) 按照計(jì)算程序所排的指令序列，先從存儲(chǔ)器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別，執(zhí)行這條指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。接著從存儲(chǔ)器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令；依此類推。2021-11-2319程序?qū)τ?jì)算機(jī)的控制程序?qū)τ?jì)算機(jī)的控制n 舉例舉例: a+|b|=n解題步驟解題步驟:nstep1:取a nstep2:取bnstep3:判斷nstep4:執(zhí)行執(zhí)行a+bnstep5:轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)step7nstep6

9、:執(zhí)行執(zhí)行a-bnstep7:結(jié)束結(jié)束n 條件轉(zhuǎn)移類指令條件轉(zhuǎn)移類指令:對對step3類似的操類似的操作可用條件轉(zhuǎn)移類指令實(shí)現(xiàn)作可用條件轉(zhuǎn)移類指令實(shí)現(xiàn). a+b ,b0 a- b , b0若b0,執(zhí)行step4若b系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序劃分n機(jī)器語言=匯編語言=高級語言n批處理=交互式操作系統(tǒng)n文件系統(tǒng)=數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2021-11-23291.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)n數(shù)據(jù)流與指令流l指令流=控制器l數(shù)據(jù)流=運(yùn)算器n計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)l第一級 微程序設(shè)計(jì)級l第二級 一般機(jī)器級l第三級 操作系統(tǒng)級l第四級 匯編語言級l第五級 高級語言級n軟、硬件的邏輯等價(jià)性2021-11-2330計(jì)算機(jī)的發(fā)展 1946:

10、 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer): 第一臺(tái)真正意義上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。開始研制于1943年，完成于1946年。負(fù)責(zé)人是John W. Mauchly和J. Presper Eckert。重30噸，18000個(gè)電子管，功率25千瓦。主要用于計(jì)算彈道和氫彈的研制。 參考資料參考資料2021-11-2331計(jì)算機(jī)的史前文明n機(jī)械計(jì)算機(jī)l算盤（公元前）l計(jì)算尺（1621年，William Oughtred）l第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)器Pascaline（1642年）l差分機(jī)（1822年）2021-11-2332Pascalinen164

11、2年，Blaise Pascal發(fā)明n功能：加法和減法運(yùn)算（手搖）n1670年改進(jìn)，能計(jì)算乘除法和平方根2021-11-2333差分機(jī)n1822年，Charles Babbage發(fā)明n1890年，Herman Hollerith發(fā)明機(jī)械式穿孔卡片制表系統(tǒng)，應(yīng)用于美國人口統(tǒng)計(jì)n1896年，Herman Hollerith組建Tabulating Machine公司（IBM公司前身）2021-11-2334計(jì)算機(jī)的史前文明（續(xù)）n 重要事件l1848: 英國數(shù)學(xué)家George Boole創(chuàng)立二進(jìn)制代數(shù)學(xué)l1906: 美國的Lee De Forest發(fā)明了電子管 l1924年:IBM公司成立l193

12、7: 英國劍橋大學(xué)的Alan M. Turing (1912-1954)出版了他的論文 ，并提出了被后人稱之為“圖靈機(jī)”的數(shù)學(xué)模型l1938: Claude E. Shannon 發(fā)表了用繼電器進(jìn)行邏輯表示的論文 2021-11-2335計(jì)算機(jī)的史前文明（續(xù)二）n電子計(jì)算機(jī)l1935: IBM推出IBM 601機(jī)。 這是一臺(tái)能在一秒鐘算出乘法的穿孔卡片計(jì)算機(jī) l1937: BELL試驗(yàn)室的George Stibitz展示了用繼電器表示二進(jìn)制的裝置。盡管僅僅是個(gè)展示品，但卻是第一臺(tái)二進(jìn)制電子計(jì)算機(jī)l1939 1月1日: 加利福尼亞的David Hewlet和William Packard 在他們

13、的車庫里造出了Hewlett-Packard計(jì)算機(jī)。名字是兩人用投硬幣的方式?jīng)Q定的。包括兩人名字的一部分2021-11-2336計(jì)算機(jī)的史前文明（續(xù)三）l1939年11月: 美國John V. Atanasoff和他的學(xué)生Clifford Berry 完成了一臺(tái)16位的加法器，這是第一臺(tái)真空管計(jì)算機(jī)l1941年12月: 德國Zuse制作完成了Z3計(jì)算機(jī)的研制。這是第一臺(tái)可編程的電子計(jì)算機(jī)?？商幚?位指數(shù)、14位小數(shù)。使用了大量的真空管。每秒種能作3到4次加法運(yùn)算。一次乘法需要3到5秒。l1943年1月: Mark I，自動(dòng)順序控制計(jì)算機(jī)在美國研制成功。整個(gè)機(jī)器有51英尺長，重5噸，75萬個(gè)零部

14、件，使用了3304個(gè)繼電器，60個(gè)開關(guān)作為機(jī)械只讀存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)在紙帶上，數(shù)據(jù)可以來自紙帶或卡片閱讀器。被用來為美國海軍計(jì)算彈道火力表 2021-11-2337ENIAC以后的計(jì)算機(jī)n晶體管時(shí)代l1947: Bell實(shí)驗(yàn)室的William B. Shockley、 John Bardeen和Walter H. Brattain.發(fā)明了晶體管 l1949: EDVAC (electronic discrete variable computer)：第一臺(tái)使用磁帶的計(jì)算機(jī)l1950: 軟磁盤由東京帝國大學(xué)的Yoshiro Nakamats發(fā)明l1951: UNIVAC-1：第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

15、設(shè)計(jì)者：J. Presper Eckert 和John Mauchly。被美國人口普查部門用于人口普查，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的、商業(yè)應(yīng)用的時(shí)代2021-11-2338ENIAC以后的計(jì)算機(jī)（續(xù)）n集成電路時(shí)代l1958年9月12日: 在Robert Noyce（INTEL公司的創(chuàng)始人）的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)明了集成電路l1963: PDP-8：DEC公司推出第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī) l1970: 第一塊RAM芯片由INTEL推出，容量1K l1971年11月15日: Marcian E. Hoff在INTEL公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004，含2300個(gè)晶體管l1976: Zilog推出Z80處理器

16、。8位微處理器l1976: 6502, 8 位微處理器發(fā)布，專為Apple II計(jì)算機(jī)使用l1979: Motorola公司發(fā)布68000微處理器。主要供應(yīng)Apple公司的Macintosh2021-11-2339 ENIAC以后的計(jì)算機(jī)（續(xù)二）n個(gè)人計(jì)算機(jī)lAltair 8800（1975年）lApple（1976年）lIBM PC（1980年）2021-11-2340Altair 8800n1975年，第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)n8088CPUn256Byte內(nèi)存n面板開關(guān)輸入n面板小紅燈輸出2021-11-2341Applel1976年，帶顯示器和內(nèi)置鍵盤的計(jì)算機(jī)l參與商務(wù)應(yīng)用（Visicalc程

17、序，進(jìn)行電子賬務(wù)表格計(jì)算）2021-11-2342IBM PCn1980年n價(jià)格低廉l直接采購部件n技術(shù)開放l兼容機(jī)的發(fā)展2021-11-23431、按照Neumann原理，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)具備哪些功能？2、 Neumann計(jì)算機(jī)應(yīng)包含哪幾部分？它們的作用各是什么？3、計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器采用分級方式是為了（ ） A 減少主機(jī)箱的體積 B 解決容量、價(jià)格、速度三者之間的矛盾 C 保存大量數(shù)據(jù)方便 D操作方便4、運(yùn)算器由許多部件組成，但核心部件應(yīng)該是（ ） A 數(shù)據(jù)總線 B 數(shù)據(jù)選擇器 C 算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元 D累加器補(bǔ)充習(xí)題補(bǔ)充習(xí)題2021-11-23445、存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，它主要用來（ ） A 存放程序 B 存放數(shù)據(jù) C 存放微程序 D存放程序和數(shù)據(jù)6、計(jì)算機(jī)的主存容量與什么有關(guān)？7、完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括（ ）