计算机组成原理(1-1)

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1、计算机组成原理 The Principle of Computer,教 材：计算机组成原理（第五版） 白中英 参考资料：计算机组成原理题解、题库与实验 （第三版）白中英、杨春武等 计算机组成原理（第四版） 白中英 计算机组成原理（第2版） 唐朔飞 计算机组成原理 王诚编著,1,课程介绍,计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，是计算机技术的最基础的课程之一，可为后续相关计算机软件课程的学习打下坚实的基础。通过此课程的学习，要使学习者获得计算机结构及工作原理的知识，建立清楚的计算机概念。 从课程的定位来看，先导课程是数字逻辑、数字电路；后续课程是操作系统、系统结构。前面属硬件，后面属

2、软件，由此可见，组成原理介于硬件和软件之间。,2,第一章 计算机系统概论,计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。 主要内容： 计算机的概念 计算机的分类 计算机的发展简史 计算机的硬件 计算机的软件 计算机系统的层次结构,3,4,计算机的概念,计算机的概念： 是一种不需人工直接干预，能自动地、高速地、精确地完成数学运算和数据处理及存储的电子设备。 习惯上所称的“电子计算机”是指现在广泛应用的电子数字计算机。 普通计算器不是计算机。,5,1.1 计算机的分类,计算机的分类 电子计算机一般分为电子模拟计算机和电子数字计算机两大类 电子模拟计算机的特点是数值由连

3、续量来表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。两者区别见后表。,6,数字计算机与模拟计算机的主要区别,7,数字计算机分类,根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类： 专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。 通用计算机分类 通用计算机可分为以下六类,8,通用计算机分类,PC机,单片机,多核机,一般来说，超级计算机主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵。单片计算机是只用一片集成电

4、路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜。 随着巨大规模集成电路的迅速发展，单片机、多核机等彼此之间的概念也在发生变化，今天的单片机可能就是明天的多核机。 专用计算机是针对某一任务设计的计算机，一般来说，其结构比通用机简单。,9,计算机的应用,计算机所以迅速发展，其生命力在于它的广泛应用。目前，计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域：从国民经济各部门到个人家庭生活，从军事部门到民用部门，从科学教育到文化艺术，从生产领域到消费娱乐，无一不是计算机应用的天下。对于这么多的应用，可以归纳为七个方面。,10,科学计算 自动控制 测量和测试 信息处理 教育和卫生 家用电器 人工智能,

5、11,1.2 计算机的发展简史,世界上第一台数字电子计算机是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学摩尔电工学院诞生的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）。ENIAC是一个庞然大物，它共用了18,000多个电子管，重达30吨，占地面积170平方米，耗电150千瓦，运算速度为5,000次/秒。 缺点：存储容量极小，只能存20个字长为10位的十进制数，所以只能用线路连接的方法来编排程序，每次解题都要依靠人工来改变接线，准备时间大大超过实际计算时间。,12,13,这台计算机是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。60多

6、年的发展，从使用的器件角度来分，计算机的发展大致经历了五代的变化。,14,15,1.2.1 计算机的五代变化,16,第一代为l946 1957年，电子管计算机。计算机运算速度一般为每秒几千次至几万次，体积庞大，成本很高，可靠性较低。在此期间，形成了计算机的基本体系确定了程序设计的基本方法，数据处理机开始得到应用。 第二代为1958 1964年，晶体管计算机。运算速度提高到几万次至几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低。在此期间，工业控制机开始得到应用。 第三代为l965 1971年，中小规模集成电路计算机。可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步下降，运算速度提高到几十万次至几百万次。在

7、此期间形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现。,17,第四代为1971 1990年，大规模和超大规模集成电路计算机。可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低，速度提高到每秒1000万次至1亿次。由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现。 第五代为l991年开始的巨大规模集成电路计算机。运算速度提高到每秒10亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。 总之，从1946年计算机诞生以来，大约每隔五年运算速度提高10倍，可靠性提高l0倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。,18,计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。LSI的采用，一块集成电路

8、芯片上可以放置1000个元件，VLSI达到每个芯片1万个元件，现在的ULSI芯片超过了100万个元件。1965年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种趋势减慢成每18个月翻一番，这就是人们所说的摩尔定律。,19,1.2.2 半导体存储器的发展,20世纪50 60年代，所有计算机存储器都是由磁芯做成。每个磁芯一个磁化方向代表1，另一个磁化方向代表0。存储速度相当快，读存储器中的一位只需1微秒。缺点是价格昂贵、体积大，而且读出是破坏性的，因此必须有读出后立即重写的数据的电路。,磁芯、磁表面,半导体分离元件,半导体集成电路,20,1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体

9、存储器。一个相当于单个磁芯大小的芯片，包含了256位的存储器。这种芯片是非破坏性的，而且读写速度比磁芯快得多，读出一位只要70纳秒，但价格比磁芯的贵。 1974年每位半导体存储器的价格低于磁芯。从此，存储器的价格持续快速下跌，但存储密度不断增加。 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、256MB和现在的1GB。每一代比前一代存储密度提高4倍，而每位价格和存取时间都在下降。 1K=210 1M=210K=220 1G=210M=220K=230,21,1.2.3 微处理器的发展,1971年，Intel公司开发出

10、Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 Intel 4004能完成两个4位数相加，通过重复加运算完成乘法。4004是微处理器的能力和功能不断发展的奠基者。,22,1972年出现了Intel8008。这是微处理器演变中的另一个主要进步。它是第一个8位微处理器，比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel8080，是第一个通用的微处理器，4004和8008是为特殊用途而设计的。8080也是8位微处理器，但比8008更快，有更丰富的指令集和更强的寻址能力。,23,大约在同时，16位微机被开发出来。但直到20世纪70年代末才出现强大的通用

11、16位微处理器， Intel8086就是其中之一。 1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel80386。,24,1.2.4 计算机的性能指标,机器字长（处理机字长） 机器字长是指CPU能一次性处理的数据位数，一般和CPU中的寄存器位数有关。 字长越长，数的表示范围越大，精度越高，如32位、64位。,25,存储器容量 存储容量包括主存容量和外存容量 主存容量是指主存中存放的二进制代码的总数。 计算公式是： 存储容量 = 存储单元个数 存储字长 一般地，主存容量越大，存放的信息越大，处理问题的能力越强。 外存容量是指外存中可

12、以保存的信息总量。 存储器带宽：是存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。,26,主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。 度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹） 主频的倒数称为CPU时钟周期（T，Clock Cycle），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。 运算速度： 计算机的运算速度和许多因素有关系，比如机器主频，执行操作的具体类型，主存速度等等。对应的衡量方法也有多种。,27,总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。 CPU执行时间：表示C

13、PU执行一般程序所占用的CPU时间，计算公式 CPU执行时间=CPU时钟周期数 CPU时钟周期 CPI:Clock cycles Per Instruction 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。 CPI 执行某段程序所需的CPU时钟周期数 该程序包含的指令条数,28,MIPS： 表示平均每秒执行百万条定点指令数 MIPS 指令条数 程序执行时间 106 时钟频率 CPI 106 FLOPS：表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。 FLOPS 程序中的浮点操作次数 程序执行时间,29,吞吐量：表示一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。 响应时间：表

14、征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。 利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。,30,1.3 计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素,31,以计算方程 y = ax + b - c 来举例理解,控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：相当于算盘功能的部件 存储器：相当于纸的“记忆”功能部件 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸,32,1.3.2 运算器,运算器的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算和逻辑运算，因此通常称为ALU（算术逻辑运算部件）。 计算机中通常采用二进制数，在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高。理论上

15、讲，数的位数可以任意多。但是位数越多，所需的电子器件也越多，因此计算机的运算器长度一般是8位、16位、32位、64位。,33,34,1.3.3 存储器,存储器的功能是保存和“记忆”解题的原始数据和解题步骤。为此，在运算前需要把参加运算的数据和解题步骤通过输入设备送到存储器中保存起来。 注意：不论是数据还是解题步骤，在存放到存储器前，已经变成0和1的二进制代码。 目前采用的是半导体器件。假定一个数用16位的二进制代码表示，就需要有16个触发器来保存这些代码。在存储器中保存一个数的16个触发器称为一个存储单元。,35,存储器是由多个存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为“地址”。向存储器中存数

16、或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元。 存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。半导体存储器的存储容量有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。因此，半导体存储器称为内存储器，简称内存。（内存可以认为是CPU可以直接访问的存储器，而外存则是CPU不能直接访问的存储器，CPU必须通过内存才能访问外存。）,36,37,计算机常用外设,常用外设,键盘,鼠标器（MOUSE）,显示器（CRT）,打印机（Printer）,绘图仪,外存储器,电容式,薄膜式,机械式,针式,光学,机械,软盘,喷墨,激光,光盘,硬盘,38,存储单位: 位：bit，这是计算机中最小、最基本的存储单位，位缩写为小写字母 b。 字节：Byte，1Byte=8 bit，即连续的8位二进制代码，字节缩写为大写字母 B。 1024 B = 1KB = 210B 1024 KB = 1MB = 220B