計算機原理與操作系統(tǒng)

計算機原理與操作系統(tǒng)第一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二教學(xué)目的與要求

本課程包括計算機(微機）組成原理和操作系統(tǒng)（UNIX和LINUX)兩大部分，通過本課程的學(xué)習，使大家了解計算機系統(tǒng)的組成、原理和內(nèi)部運行機制，準確理解和掌握操作系統(tǒng)如何管理和控制計算機系統(tǒng)軟、硬件資源等知識點，熟悉地球物理學(xué)中廣泛使用的Unix和Linux操作系統(tǒng)，培養(yǎng)良好的程序設(shè)計思維和使用計算機的能力，為將來的地球物理軟件的研制與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。第二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二課程的主要內(nèi)容

計算機系統(tǒng)概述數(shù)制與碼制計算機主機的工作原理8086指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計計算機外圍設(shè)備簡介操作系統(tǒng)的基本原理

第三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二主要參考書1、周佩玲16位微型計算機原理接口及其應(yīng)用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社20022、蔣本珊電子計算機組成原理（3版）北京理工大學(xué)出版社20043、白中榮計算機組成原理科學(xué)出版社20054、湯子瀛計算機操作系統(tǒng)西安電子科技大學(xué)出版社20025、程麗芳操作系統(tǒng)原理教程電子工業(yè)出版社20046、UNIX、LINUX及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)教程7、計算機文化基礎(chǔ)石油大學(xué)出版社2000第四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二課程要求以課件內(nèi)容為主重視練習授課內(nèi)容有側(cè)重考查方式閉卷考試卷面成績70％，平時成績30％（作業(yè)和上機）第五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二計算機（Computer）：

計算機是一種以電子器件為基礎(chǔ)的，不需人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息，進行算術(shù)和邏輯運算的快速工具。第一章概論第六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二計算機發(fā)展中的關(guān)鍵人物維納的現(xiàn)代計算機設(shè)計五原則

1940年，美國科學(xué)家維納闡述了自己對現(xiàn)代計算機的五點設(shè)計原則：數(shù)字式而不是模擬式；以電子元件構(gòu)成并盡量減少機械裝置；采用二進制而不是十進制；內(nèi)部存放計算表；內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)。

維納在1948年完成了著作《控制論》，這不僅使維納成為控制論的創(chuàng)始人，而且對計算機后來的發(fā)展和人工智能的研究產(chǎn)生了深刻的影響。第七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二現(xiàn)代電子計算機之父

1944~1945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾伊曼(VonNeumann)在第一臺現(xiàn)代計算機ENIAC尚未問世時注意到其弱點，并提出一個新機型EDVAC的設(shè)計方案，其中提到了兩個設(shè)想：采用"二進制"和“存儲程序”的通用電子計算機體系結(jié)構(gòu)原理，確立了計算機的五個基本部件：I/O設(shè)備、運算器、存儲器和控制器，從而奠定了當代電子數(shù)字計算機體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也使馮·諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計算機之父”，現(xiàn)在的微型計算機就是采用這種結(jié)構(gòu)。第八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二計算機開關(guān)電路

1938年，信息論的創(chuàng)始人、美國科學(xué)家仙農(nóng)發(fā)表論文《繼電器和開關(guān)電路的符號分析》，首次闡述了如何將布爾代數(shù)運用于邏輯電路，奠定了現(xiàn)代電子計算機開關(guān)電路的理論基礎(chǔ)。第九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二圖林機：

1936年，24歲的英國數(shù)學(xué)家圖林發(fā)表著名論文《論可計算數(shù)及其在密碼問題的應(yīng)用》，提出了“理想計算機”，后人稱之為“圖林機”。圖林通過數(shù)學(xué)證明得出理論上存在“通用圖林機”，這為可計算性的概念提供了嚴格的數(shù)學(xué)定義，圖林機成為現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)模型，它證明通用數(shù)字計算機是可以制造出來的。第十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1．科學(xué)計算在大型的系統(tǒng)工程中，往往需要大量的計算。比如天氣預(yù)報：全國甚至全世界各個地域的溫度、濕度、各個不同高度的大氣數(shù)據(jù)、地域地理數(shù)據(jù)，反正是驚人的數(shù)據(jù)量集中到大型計算中心，進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)運算，得出今后不同時期的天氣概率。2．過程控制這里往往用在生產(chǎn)、軍事領(lǐng)域。這樣的計算機實時采集外界的數(shù)據(jù)，并且盡量快的加以處理，用事先定義好的應(yīng)對方式加以響應(yīng)和控制相關(guān)部件。比如化工生產(chǎn)當中的各個管道的壓力、溫度、流量必須在一定的范圍內(nèi)，這是各個探頭實時采集以上數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不對時立刻控制相關(guān)閥門加以處理。計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域第十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二3．信息處理計算機不僅能處理數(shù)值數(shù)據(jù)和字符信息，還能處理圖形、圖象、聲音、動畫等各種信息。在業(yè)務(wù)處理、情報處理、辦公自動化、管理和決策方面，計算機都得到了廣泛的應(yīng)用，如管理信息系統(tǒng)（MIS），決策支持系統(tǒng)（DSS）等。4．計算機輔助設(shè)計、輔助制造和輔助教學(xué)計算機輔助設(shè)計（CAD），計算機輔助制造（CAM），計算機輔助教學(xué)（CAI），這些都是新興的行業(yè)，利用計算機在這些傳統(tǒng)領(lǐng)域的拓展，大大縮短了制造業(yè)的設(shè)計制造周期。5．人工智能（AI）用計算機代替人類的某些腦力勞動。第十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1.1計算機的發(fā)展簡史一、第一代電子管計算機（1946-1957）

1946年2月15日，世界上第一臺通用數(shù)字電子計算機ENIAC研制成功。計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）第十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二第十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二重達30噸，占地170m2,耗電140KW，用了18800多個電子管。據(jù)傳ENIAC每次一開機，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。另外，真空管的損耗率相當高，幾乎每15分鐘就可能燒掉一支真空管，操作人員須花15分鐘以上的時間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。曾有人調(diào)侃道：“只要那部機器可以連續(xù)運轉(zhuǎn)五天，而沒有一只真空管燒掉，發(fā)明人就要額手稱慶了”。第十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二ENIAC的開發(fā)經(jīng)費幾經(jīng)追加，達到48萬美元，相當于現(xiàn)在的1000萬美元以上。

?？颂兀ㄓ遥┖湍死ㄗ螅┮蚬餐兄瞥晒NIAC而名垂青史?？偣こ處煱？颂禺敃r年僅24歲。第十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二二、第二代晶體管計算機（1958-1964）

這一時期主要采用晶體管作為基本器件，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性。晶體管與電子管的比較

第十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1959-1964：晶體管造就第二代計算機晶體管肖克萊（左）、巴丁（中）、布拉頓（右）于1956年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。第十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二第二代計算機TRADIC

美國貝爾實驗室于1954年研制成功第一臺使用晶體管的第二代計算機TRADIC。裝有800只晶體管，僅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。相比采用定點運算的第一代計算機，第二代計算機普遍增加了浮點運算，計算能力實現(xiàn)了一次飛躍。第十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二IBM7090晶體管電腦

第二代電子計算機的典型代表第二十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二三、集成電路計算機（1964-1972）1958年，美國物理學(xué)家基爾比和諾伊斯同時發(fā)明集成電路。1969年，法庭判決基爾比(左)和諾伊斯（右）為集成電路的共同發(fā)明人，他們都因此成為微電子學(xué)創(chuàng)始人并獲得巴倫坦獎?wù)?。第二十一頁，共一百一十二頁，編輯?023年，星期二IBMS/360

S/360極強的通用性適用于各方面的用戶，它具有“360度”全方位的特點，并因此得名。開發(fā)S/360被稱為“世紀豪賭”，IBM為此投入了50億美元的研發(fā)費用，遠遠超過制造原子彈的“曼哈頓計劃”的20億美元。第二十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二四、大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路計算機（1972-）出現(xiàn)集成電路后，唯一的發(fā)展方向是擴大規(guī)模。大規(guī)模集成電路(LSI)可以在一個芯片上容納幾百個元件。到了80年代，超大規(guī)模集成電路(VLSI)在芯片上容納了幾十萬個元件，后來的ULSI將數(shù)字擴充到百萬級。臺式PC微機

筆記本電腦

第二十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二第二十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二格魯夫、諾依斯和摩爾Intel公司成立于1968年，Intel這個字是由“集成/電子(IntegratedElectronics)"兩個英文單詞組合成的，象征新公司將在集成電路市場上飛黃騰達第二十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1.2微處理器和微型計算機的發(fā)展

馮、諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的五大部件中，存儲器又分為內(nèi)存儲器和外存儲器，外存儲器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備統(tǒng)稱為外圍設(shè)備；運算器和控制器合稱主機，這兩部分又稱中央處理器（CPU,CentralProcessingUnit），將主機集成為一塊芯片就是微處理器（p，Microprocessor），又稱微處理機。第二十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二一、微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)

（一）定義

微處理器（p，Microprocessor）

：是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。

微型計算機（c，Microcomputer）：是指以微處理器為基礎(chǔ)，配以內(nèi)存儲器以及輸入/輸出（I/O）接口和相應(yīng)的輔助電路而構(gòu)成的裸機。

微型計算機系統(tǒng)（cs，MicrocomputerSystem）：是指由微型計算機配以相應(yīng)的外圍設(shè)備及其它專用電路、電源、面板、機架及足夠的軟件而構(gòu)成的系統(tǒng)。三者間的關(guān)系如下：第二十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二第二十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1、第一代4位和低檔8位微處理器（1972-1974）

Intel4004,Intel80082、第二代中檔8位微處理（1974-1978）

Intel8080,MotorolaM6800,Zilogz803、第三代16位微處理器（1978-1981）

Intel8086/8088,MotorolaM68000,Zilogz80004、第四代32位微處理器（1981-2001）

Intel80486PentiumI-IV6、第五代64位微處理器（2001-）微處理器發(fā)展歷史第二十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微處理器飛速發(fā)展8038680486奔騰奔騰2代奔騰4代802868086奔騰3代IA-64(安騰)40041971年1978年1983年1985年1989年1993年1997年1999年2000年Moore(摩爾)定律:“微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番”雙核2006年2001年第三十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二摩爾定律

摩爾預(yù)言，晶體管的密度每過18個月就會翻一番，這就是著名的摩爾定律。這個趨勢一直延續(xù)至今。在26年的時間里，芯片上的晶體管數(shù)量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個增加到奔騰?II處理器的750萬個。第三十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1971：微處理器時代的開端1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國《經(jīng)濟學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的7位科學(xué)家”之一。第三十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二4004的樣子很像小蟲子4004的集成度只有2300個晶體管，功能其實比較弱，且計算速度較慢，以致只能用在Busicom計算器上，更不用說進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算了。不過比起第一臺電子計算機ENIAC來說，它已經(jīng)輕巧太多太多了。而且最大的歷史意義是，它是第一個通用型處理器第三十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel8008。

I

第三十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel8080

主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。第三十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二80861978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標志著第三代微處理器問世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線和29000個3微米技術(shù)的晶體管，售價360美元。第三十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二8088：IBMPC的御用之選

1979年，Intel推出4.77MHz的準16位微處理器8088。它在內(nèi)部以16位運行，但支持8位數(shù)據(jù)總線，采用現(xiàn)有的8位設(shè)備控制芯片，包含29000個3微米技術(shù)的晶體管，可訪問1MB內(nèi)存地址，速度為0.33MIPS。第三十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二第一臺IBMPC

早在1980年7月，一個負責“跳棋計劃”的13人小組秘密來到佛羅里達州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心，開始開發(fā)后來被稱為IBMPC的產(chǎn)品。一年后的8月12日，IBM公司在紐約宣布第一臺IBMPC誕生第一臺IBMPC采用了主頻為4.77MHz的Intel8088，操作系統(tǒng)是Microsoft提供的MS-DOS。IBM將其命名為“個人電腦（PersonalComputer）”，不久“個人電腦”的縮寫“PC”成為所有個人電腦的代名詞。第三十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二PC之父

IBM微電腦技術(shù)總設(shè)計師埃斯特利奇（DonEstridge）負責整個跳棋計劃的執(zhí)行，他的天才和辛勤工作直接導(dǎo)致了IBMPC的成功，并被后人尊稱為“PC之父”。不幸的是，4年后“PC之父”因乘坐的班機遭臺風襲擊而英年早逝，沒能夠親眼目睹他所開創(chuàng)的巨大輝煌。第三十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二Intel80286

1983年,Intel推出6MHz的Intel80286微處理器，采用16位數(shù)據(jù)總線。它提供了保護模式操作功能，最初的批發(fā)價為360美元。第四十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二80386進入了32位元的世代

1985年10月，Intel推出16MHz80386DX微處理器第四十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二Intel486（1988）

第四十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二Pentium（586）Intel于1993年3月推出奔騰（Pentium）處理器

第四十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二PentiumMMX，支持多媒體技術(shù)的奔騰PentiumMMX是英特爾在Pentium內(nèi)核基礎(chǔ)上改進，最大的特點是增加了57條MMX指令。這些指令專門用來處理音視頻相關(guān)的計算，目的是提高CPU處理多媒體數(shù)據(jù)的效率。第四十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二PentiumPro，面向工作站的處理器

1995年11月1日，Intel推出PentiumPro微處理器，采用了一種新的總線接口Socket8。新的處理器對多媒體功能提供了很好的支持。第四十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二PentiumII，芯片封裝有著巨大的改變

PentiumII首次引入了S.E.C封裝(SingleEdgeContact)技術(shù)，將高速緩存與處理器整合在一塊PCB板上。第四十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二

1999年1月，Intel推出奔騰III處理器，其身份代碼可通過Internet讀取。第四十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二

2000年英特爾發(fā)布了Pentium4處理器。用戶使用基于Pentium4處理器的個人電腦，可以創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，實時進行語音、影像通訊，實時3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網(wǎng)時運行多個多媒體軟件。這是目前空前強大的個人電腦處理器產(chǎn)品，仍然在繼續(xù)銷售中。第四十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微處理機時代Intel公司和HP公司在2001年共同開發(fā)的64位處理器Itanium(安騰)處理器2003年4月AMD公司推出首款64位處理器，這是一款采用x86兼容架構(gòu)的64位CPU，它最大的特點就是在支持64位數(shù)據(jù)尋址的同時，向下兼容32位數(shù)據(jù)尋址，妥善解決了CPU從32位到64位的過渡和兼容問題，從而掀起了桌面處理器從32位向64位過渡的技術(shù)革命。第四十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微處理機時代2004年3月，Intel也發(fā)布了其首款64位Xeon處理器，它采用EM64T(IntelExtendedMemory64Technology)技術(shù)，同時支持32位和64位運算，在運行64位程序時采用64位工作方式，而在處理32位運算時依然是IA32(即x86)工作結(jié)構(gòu)，這實際上也一起被稱為x86-64架構(gòu)。

第五十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微處理機時代2006年5月：英特爾?酷睿?2雙核處理器品牌隆重推出全新處理器可實現(xiàn)高達40%的性能提升，其能效比最出色的英特爾?奔騰?處理器高出40%。英特爾?酷睿?2雙核處理器包含2.91億個晶體管。第五十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微處理機時代在2007年的9月6日，Intel發(fā)布代號為“Tigerton”的7300系列四核心處理器。Tigerton是一款面向4路及以上服務(wù)器的四核服務(wù)器處理器，構(gòu)成擁有16個核心的服務(wù)器。Tigerton將意味著雙獨立總線架構(gòu)的終結(jié)，它將使用專用連接，連接內(nèi)核和芯片組。第五十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二INTEL宣布，在2008年9月14日推出業(yè)界首款六核心服務(wù)器處理器Dunnington。型號分別是XeonX7450/2.40GHz和XeonX7460/2.66GHz,以及2.13GHz低壓版XeonL7455，熱設(shè)計功耗分別為130W、90W以及65W。前端總線均為1066MHz。DunningtonXeon基于45nmPenryn核心，兼容TigertonXeon7300系列。這三款服務(wù)器處理器均采用45nm制程工藝。其中XeonX7460內(nèi)建16MBL3共享緩存，XeonL7455和XeonE7450內(nèi)建12MBL3共享緩存。第五十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯處理器：通用微處理器，RISCCPU，兼容MIPS指令龍芯系列微處理器介紹：1.2001年5月，在中科院計算所知識創(chuàng)新工程的支持下，龍芯課題組正式成立。

2.2001年8月19日，龍芯1號設(shè)計與驗證系統(tǒng)成功啟動Linux操作系統(tǒng)，10月10日通過由中國科學(xué)院組織的鑒定。

3.2002年8月10日，首片龍芯1號芯片X1A50流片成功。

4.2002年9月22日龍芯1號通過由中國科學(xué)院組織的鑒定。9月28日舉行龍芯1號發(fā)布會，人大常委會副委員長路甬祥、全國政協(xié)副主席周光召參加了龍芯1號發(fā)布會。

5.2003年10月17日，龍芯2號首片MZD110流片成功。

6.2004年1月，龍芯技術(shù)服務(wù)中心前身龍芯實驗室成立。

7.2004年9月28日，經(jīng)過多次改進后的龍芯2C芯片DXP100流片成功。

8.2004年11月，國務(wù)院總理溫家寶視察中科院計算所聽取龍芯研發(fā)情況匯報。

9.2005年2月，國家主席胡錦濤等黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人在參觀中科院建院55周年展覽時參觀了龍芯處理器展覽。

國產(chǎn)通用處理器：龍芯處理器系列第五十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二10.2005年1月31日舉行了由中國科學(xué)院組織的龍芯2號鑒定會，2005年4月18日在人民大會堂召開了由科技部、中科院和信息產(chǎn)業(yè)部聯(lián)合舉辦的龍芯2號發(fā)布會，人大常委會副委員長顧秀蓮參加了龍芯2號發(fā)布會。

11.2005年5月，龍芯課題組派出骨干成員赴江蘇參與組建龍芯產(chǎn)業(yè)化基地（龍夢科技前身）。

12.2006年3月18日，龍芯2號增強型處理器CZ70流片成功，9月13日通過科技部組織的鑒定，徐冠華部長親臨鑒定會現(xiàn)場。

13.

2006年10月，中法兩國在北京簽署了關(guān)于中國科學(xué)院與意法半導(dǎo)體公司合作研發(fā)龍芯多核處理器的框架協(xié)議，中國國家主席胡錦濤與法國總統(tǒng)希拉克共同出席了協(xié)議的簽字儀式。

14.2007年3月28日，中國科學(xué)院計算所與意法半導(dǎo)體公司（ST）在北京人民大會堂召開龍芯處理器技術(shù)合作及產(chǎn)品發(fā)布會，全國人大常委會副委員長許嘉璐、信息產(chǎn)業(yè)部副部長婁勤儉、中國科學(xué)院秘書長李志剛參加了會議。第五十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯系列微處理器介：1）龍芯處理器主要包括三個系列。2）龍芯1號處理器及其IP系列主要面向嵌入式應(yīng)用，龍芯2號超標量處理器及其IP系列主要面向桌面應(yīng)用，龍芯3號多核處理器系列主要面向服務(wù)器和高性能機應(yīng)用。3）根據(jù)應(yīng)用的需要，其中部分龍芯2號也可以面向部分高端嵌入式應(yīng)用，部分低端龍芯3號也可以面向部分桌面應(yīng)用。以后上述三個系列將并行發(fā)展。4）龍芯系列處理器通過充分開發(fā)指令級并行性、數(shù)據(jù)級并行性、以及線程級并行性來提高性能。其中龍芯1號系列微處理器實現(xiàn)了帶有靜態(tài)分支預(yù)測和阻塞Cache的單發(fā)射的亂序執(zhí)行流水線；龍芯2號系列微處理器實現(xiàn)了帶有動態(tài)分支預(yù)測和非阻塞Cache的超標量四發(fā)射亂序執(zhí)行流水線，龍芯2號系列微處理器還使用浮點數(shù)據(jù)通路復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)了定點的單指令流多數(shù)據(jù)流指令；下一代的龍芯3號系列微處理器將實現(xiàn)片內(nèi)多核技術(shù)。第五十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯1號處理器龍芯一號CPU采用0.18umCMOS工藝制造，具有良好的低功耗性，平均功耗0.5瓦特，在片內(nèi)提供了一種特別設(shè)計的硬件機制，可以抗御緩沖區(qū)溢出類攻擊。在硬件上根本抵制了緩沖溢出類攻擊危險，從而大大增加了服務(wù)器的安全性。基于龍芯CPU的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備可以滿足國家政府部門，企業(yè)機關(guān)對于網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)安全的需求。第五十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二主頻200---266MHZ指令系統(tǒng)可運行32位MIPS指令實現(xiàn)方法0.18umcmos定點字長

32位浮點字長64位一級指令CACHE

8k一級數(shù)據(jù)CACHE

8k精確中斷處理

支持浮點標準

IEEE754體系結(jié)構(gòu)技術(shù)特點

支持寄存器換名，動態(tài)調(diào)度，亂序執(zhí)行工作電壓

I/O:3.3v/內(nèi)核：1.8v功耗0.5W---1W總線頻率

75MHZ---133MHZ封裝方式PQFPESD保護

有龍芯一號32位微處理器性能參數(shù)第五十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯2號處理器芯片龍芯2號采用180nm的CMOS工藝制造，片上集成了1350萬個晶體管，硅片面積6.2毫米×6.7毫米，最高頻率為500MHz，功耗為3-5瓦。

龍芯2號實現(xiàn)了先進的四發(fā)射超標量超流水結(jié)構(gòu)，片內(nèi)一級指令和數(shù)據(jù)高速緩存各64KB，片外二級高速緩存最多可達8MB。龍芯2號的SPECCPU2000標準測試程序的實測性能是龍芯1號的8-10倍，是1.3GHz的威盛處理器的2倍，已達到相當于Pentium3的水平?；邶埿?號的Linux-PC系統(tǒng)可以滿足絕大多數(shù)的桌面應(yīng)用。第五十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯2號增強型處理器芯片（龍芯2E）龍芯2E是一款實現(xiàn)64位MIPSⅢ指令集的通用RISC處理器，采用90nm的CMOS工藝，布線層為七層銅金屬，芯片晶體管數(shù)目為4700萬，芯片面積6.8mm×5.2mm，最高工作頻率為1GHz，典型工作頻率為800MHz，實測功耗5-7瓦。龍芯2E具有片上128KB一級緩存、512KB二級緩存，單精度峰值浮點運算速度為80億次/秒，雙精度浮點運算速度為40億次/秒，在1GHz主頻下SPECCPU2000的實測分值達到500分，綜合性能已經(jīng)達到高端PentiumⅢ以及中低端Pentium4處理器的水平。第六十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯2F龍芯2F是基于龍芯2E處理器的改進版本，于2007年研制成功。龍芯2F在龍芯2E的基礎(chǔ)上提高了I/O性能和內(nèi)存訪問帶寬，增加了通過軟件調(diào)節(jié)工作頻率的機制，并且兼容MIPS64標準。龍芯2F集成了高性能龍芯2號CPU核，DDR2內(nèi)存控制器，PCI/PCI-X接口,Localbus,中斷控制器以及視頻加速部件。龍芯2F采用CMOS90納米標準工藝生產(chǎn)。龍芯2F的具體特性如下：64位MIPSIII及擴展指令集兼容,64位字長;四發(fā)射動態(tài)超標量結(jié)構(gòu)，支持2個定點部件，2個浮點部件和一個訪存部件。9-10級超流水線，支持寄存器重命名、動態(tài)調(diào)度、轉(zhuǎn)移預(yù)測等亂序執(zhí)行技術(shù)IEEE754兼容的浮點部件，每個浮點部件都支持全流水浮點乘加運算，硬件實現(xiàn)浮點除法和開方運算，并支持多媒體加速。64項全相聯(lián)TLB，每項映射兩頁，頁大小4KB-4MB可變；獨立的16-32項指令TLB，支持可執(zhí)行位以防止緩沖區(qū)溢出攻擊。分離的片上一級指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，4路組相聯(lián)，大小各為64KB，每塊32字節(jié)。512KB片上4路組相連二級Cache（每塊32字節(jié)），能夠由軟件控制打開或關(guān)閉。集成64位DDR2內(nèi)存控制器，最高333MHz頻率。集成133MHzPCIX總線控制器，支持PCIX和PCI總線兼容。1-GHz主頻，支持動態(tài)頻率調(diào)節(jié)以及關(guān)閉內(nèi)核時鐘等動態(tài)功耗管理功能。低功耗：1GHz頻率下功耗小于5瓦集成視頻加速模塊，該模塊位于PCI/PCI-X控制器的寫數(shù)據(jù)通路中，利用軟件驅(qū)動，視頻加速模塊能夠進行YUV格式到RGB格式的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和自動縮放運算.第六十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二龍芯3號3A（4核，已經(jīng)流片成功，性能在測試中）龍芯3A處理器是第一款集高性能、低成本、低功耗于一體的多核處理器,內(nèi)部集成4個主頻為1GHz的64位超標量通用處理器核,采用65nm工藝設(shè)計,芯片晶體管數(shù)目為4.7億。龍芯3A處理器集成了2個16位的HyperTransport接口,2個64位DDR2/3MemoryController接口,1個32位的PCI/PCI-X接口,和1個LPC接口,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊如圖1示是龍芯3A處理器的芯片布局圖,采用STMicro公司的65nm工藝制成,硅片尺寸約為12mmx14mm,面積大約174mm2,最高頻率為1.0GHz,功耗約為15～20W。3B（8核）3C（16核）第六十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1.3微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和組成一）按數(shù)據(jù)總線劃分１、４位微機以“單片微機”形式出現(xiàn)，數(shù)據(jù)總線為４位，可方便地組成ＢＣＤ碼?？山M成各種控制器，用于控制微波爐、烘箱、洗衣機、電視機、錄音機、冷凍機、縫紉機、高檔照相機、各種儀表和辦公設(shè)備等。第六十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二２、８位微機

以８位ｐ為核心組成的微機，用８位二進制代碼表示信息－－數(shù)字、文字字母及符號等?；局噶顖?zhí)行時間2s左右。有完整的配套接口電路，如可編程的并行接口電路、串行接口電路、定時/計數(shù)接口電路以及直接存儲器接口電路等。第六十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二３、１６位微機

以１６位ｐ構(gòu)成的微機，運算速度高，指令量短執(zhí)行時間為300ns以下。軟件方面可以使用多種語言，有常駐的匯編程序，完善的操作系統(tǒng)、大型的數(shù)據(jù)庫，并且可以構(gòu)成多處理機系統(tǒng)。第六十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二４、３２位微機

以１９８５年Intel公司推出的32位

p----80386為代表。它的尋址能力為4千兆字節(jié)，虛存空間達64兆兆字節(jié)（）。最短指令執(zhí)行時間為125ns。在32位處理機中，具有支持高級調(diào)度、調(diào)試以及系統(tǒng)開發(fā)的專用指令，并且，操作系統(tǒng)已經(jīng)固化。32位字長能有效地處理各種信息----數(shù)據(jù)、圖形、文字和聲音。

第六十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二可以創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，實時進行語音、影像通訊，實時3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網(wǎng)時運行多個多媒體軟件。

由32位

p構(gòu)成的32位微機在實時控制、事務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理、工程預(yù)算、CAD/CAM以及人工智能方面等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。第六十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二5、64位微機

微處理機時代：

Intel公司和HP公司在2001年共同開發(fā)的64位處理器Itanium(安騰)處理器2003年4月AMD公司推出首款64位處理器，2004年3月，Intel也發(fā)布了其首款64位Xeon處理器，2006年5月：英特爾?酷睿?2雙核處理器在2007年的9月6日，Intel發(fā)布代號為“Tigerton”的7300系列四核心處理器。INTEL宣布，在2008年9月14日推出業(yè)界首款六核心服務(wù)器處理器Dunnington。第六十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二二）按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模劃分1、單片機又稱“微控制器”（Microcontroller)和“嵌入式計算機”（Embcdded--Computer）。這是一種把構(gòu)成一個微型計算機的一些功能部件集成在一塊芯片之中的計算機。這些功能部件包括

p、RAM、ROM（有的單片機中不含ROM）、I/O接口電路、計時器/計數(shù)器等，甚至還將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器集成在內(nèi)。如Intel公司的MCS--51、91系列單片機，Motolora公司的MC6805等都是常用的單片機。第六十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二2、單板機

將

p、RAM、ROM及一些I/O接口電路，加上相應(yīng)的外設(shè)（鍵盤、發(fā)光二極管顯示器）以及監(jiān)控程序固件等安裝在一塊印刷電路板上所構(gòu)成的計算機系統(tǒng)。如TP--801、TP--806等第七十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二3、個人計算機（PersonalComputer）是指“由微處理器芯片裝成的、便于搬動而且不需要維護的計算機系統(tǒng)”。市售的第一臺個人計算機是美國MITS公司1975年推出的Altair8080。第七十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1.3微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和組成輸入設(shè)備存儲器運算器控制器輸出設(shè)備馮.諾依曼計算機基本結(jié)構(gòu)第七十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二馮·諾依曼原理的基本思想：采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成；

“程序存儲”和“程序控制”；

計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。第七十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二計算機的工作過程如果想叫計算機工作，就得先把程序編出來，然后通過輸入設(shè)備送到存儲器保存起來，即程序存儲。下面就是執(zhí)行程序的問題，通過控制器讀取程序指令進行相應(yīng)的操作，即程序控制。程序存儲和程序控制原理馮.諾依曼原理：

第七十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機的系統(tǒng)組成運算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲器總線輸入輸出接口電路外部設(shè)備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)之間的關(guān)系第七十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機組成結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器

(CPU)軟件外圍設(shè)備運算器控制器存儲器

(內(nèi)存)RAMROM外部設(shè)備輔助設(shè)備輸入設(shè)備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀…)

輸出設(shè)備(顯示器、打印機、繪圖儀、…)

輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)總線(AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序…)應(yīng)用軟件(科學(xué)計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理…)程序設(shè)計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路第七十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二主板的結(jié)構(gòu)中央處理單元CPU主存MEMORY主板接口卡總線插槽存儲子系統(tǒng)輸入輸出子系統(tǒng)第七十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二主板：總線第七十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二主板：接口第七十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二非馮·諾依曼傳統(tǒng)的馮·諾依曼型計算機從本質(zhì)上講是采取串行順序處理的工作機制，即使有關(guān)數(shù)據(jù)巳經(jīng)準備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。而提高計算機性能的根本方向之一是并行處理。因此，近年來人們謀求突破傳統(tǒng)馮·諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為非諾依曼化。一般認為它表現(xiàn)在以下三個方面的努力。第八十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二（1）在馮·諾依曼體制范疇內(nèi)，對傳統(tǒng)馮·諾依曼機進行改造，如采用多個處理部件形成流水處理，依靠時間上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。（2）用多個馮·諾依曼機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。

（3）從根本上改變馮·諾依曼機的控制流驅(qū)動方式。第八十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二二、微型計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CPUMEM

I/O數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB注：CPU在某一時刻僅能訪問總線上的一個部件第八十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二內(nèi)部數(shù)據(jù)總線控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線暫存器累加器ALU標志寄存器指令寄存指令譯碼時序和控制邏輯通用寄存器組地址寄存器組地址總線控制數(shù)據(jù)總線控制微處理器（CPU）的基本結(jié)構(gòu)算術(shù)邏輯單元（運算器）指令處理單元（控制器）寄存器組第八十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二8086/8088內(nèi)部結(jié)構(gòu)第八十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二存儲器存儲器是用來存儲信息的部件。存儲器的性能指標：存儲容量存取速度計算機的存儲器分為2大類：內(nèi)部存儲器，簡稱內(nèi)存或主存。又分為：RAM隨機存取存儲器：SRAM、DRAMROM只讀存儲器：ROM、PROM、EPROM、EEPROM外部存儲器，簡稱外存：硬盤、軟盤、磁帶、光盤另外，還有CACHERAM第八十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二第八十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二擴展內(nèi)存

XMS系統(tǒng)區(qū)384KB

TPA640KBCPUPC系統(tǒng)的存儲器映象Cache主存輔存海存內(nèi)存外存程序暫駐區(qū)常規(guī)內(nèi)存1MB第八十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二奇地址8位8MBFFFFFF微處理器的物理存儲系統(tǒng)（一）偶地址8位8MBFFFFFED7～D0D15～D800000000000116位機（8086/8088）1MB16位機（80286）16MB第八十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二存儲體48位1GBFFFFFFFF微處理器的物理存儲系統(tǒng)（二）存儲體38位1GBFFFFFFFED23～D16D31～D2480386DX（4GB）80486SX（4GB）80486DX（4GB）0000000200000003存儲體28位1GBFFFFFFFDD15～D800000001存儲體18位1GBFFFFFFFCD7～D00000000032位機第八十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二I/O設(shè)備輸入設(shè)備串行通信設(shè)備軟盤、硬盤鼠標CD－ROM鍵盤掃描儀DVD輸出設(shè)備打印機（針打、激光、噴墨）軟盤、硬盤繪圖儀顯示器第九十頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二元件級總線地址總線AB（AddressBus）

由CPU輸出的一組地址通信線，用于確定存儲器單元地址或I/O端口地址。

CPU與存儲器、I/O接口間的數(shù)據(jù)通信線，用于CPU與存儲器單元或I/O端口間讀寫數(shù)據(jù)。CPU與存儲器、I/O接口間多種且獨立的控制通信線，完成CPU與存儲器、I/O接口間的特定操作控制。

數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）

控制總線CB（ControlBus）第九十一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二三、計算機系統(tǒng)的基本組成硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)第九十二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二微機主板圖第九十三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二硬件（hardware）是指那些組成計算機的物件。其基本功能是接受計算機程序的控制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、運算、數(shù)據(jù)輸出等一系列根本性的操作。由五大部件組成：第九十四頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二（1）控制器（Controller）控制器是計算機的指揮系統(tǒng)，計算機的工作就是在控制器控制下有條不紊、協(xié)調(diào)地工作的?？刂破魍ㄟ^地址訪問存儲器，逐條取出選中單元的指令，分析指令，根據(jù)指令產(chǎn)生相應(yīng)的控制。信號作用于其他各個部件，控制其他部件完成指令要求的操作。上述過程周而復(fù)始，保證了計算機能自動、連續(xù)地工作。第九十五頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二(2)運算器（ALU－ArithmeticLogicUnit）運算器又稱算術(shù)邏輯部件，簡稱ALU，是計算機用來進行數(shù)據(jù)運算的部件。數(shù)據(jù)運算包括算術(shù)運算和邏輯運算。（3）存儲器（Memory）存儲器是計算機中具有記憶能力的部件，用來存放程序（指令）或數(shù)據(jù)。指令總是送到控制器，而數(shù)據(jù)則總是送到運算器。存儲器就是一種能根據(jù)地址接收或提供指令或數(shù)據(jù)的裝置。存儲器又分為主存(內(nèi)存）和輔存（外存）。第九十六頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二（4）輸入設(shè)備（Inputdevice）輸入設(shè)備是用來輸入程序和數(shù)據(jù)的部件。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標器、光筆、圖像掃描儀、數(shù)字化儀等。（5）輸出設(shè)備（Outputdevice）輸出設(shè)備正好與輸入設(shè)備相反，是用來輸出結(jié)果的部件。要求輸出設(shè)備能以人們所能接受的形式輸出信息，如以文字、圖形的形式在顯示器上輸出。除顯示器外，常用的輸出設(shè)備還打印機、繪圖儀等。第九十七頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二軟件（software）是相對硬件而言的，它包括計算機運行所需的各種程序及其有關(guān)資料。第九十八頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二計算機軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件第九十九頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指那些為了方便計算機資源的使用和管理，為軟件開發(fā)提供良好手段的軟件。其中最重要的系統(tǒng)軟件是操作系統(tǒng)(OperatingSystem)，現(xiàn)在微型計算機上常用的操作系統(tǒng)有DOS、Windows、Unix等。此外，語言處理軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及很多工具軟件都屬于系統(tǒng)軟件。第一百頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指用戶或者第三方軟件公司開發(fā)的軟件。這類軟件是為解決某一具體問題而編制的。例如常用的文字處理、人事管理、工資管理、設(shè)備管理、輔助教學(xué)等軟件。第一百零一頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二裸機操作系統(tǒng)用戶程序各種實用程序軟件包各種語言處理程序計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第一百零二頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二1.4計算機的主要性能指標一、主頻即時鐘頻率，計算機CPU在單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)。主頻很大程度上決定了計算機的運行速度，主頻越高，微機的運算速度就越快。它的單位是兆赫茲（MHz）。二、字長

計算機的運算部件能同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長越長，微機的運算速度就越快，運算精度就越高，內(nèi)存容量就越大，微機的功能就越強(因支持的指令多)。按微機的字長可分為8位機、16位機、32位機(如386、486奔騰機)和64位機(高檔微機)等。第一百零三頁，共一百一十二頁，編輯于2023年，星期二三、存儲容量

存儲容量是指微機內(nèi)存儲器的容量，它表示內(nèi)存儲器所能容納信息的字節(jié)數(shù)。內(nèi)存容量越大，它所能存儲的數(shù)據(jù)和運行的程序就越多，程序運行的速度就越高，微機的信息處理能力就越強。

1Byte=8bit