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1、计算机组成原理 李燕 1.1 计算机系统简介由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机的实体， 如主机、外设等一、 计算机的软硬件概念硬 件软件按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统 系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软 件1.11.1为什么要学习计算机组成原理这门课程 不是只有设计计算机硬件系统的人才要学 这门课,计算机专业的人员都应该对其有所 了解。选择了计算机专业，终生要与计算 机系统打交道、要使用好计算机就应该学 习这门课，否则就算不上一名合格的计算 机专业人员。总不该把计算机硬件系统看 作为电视机一样的产品，开一
2、下电源选选 台能看节目了就行了。猜猜这些是什么？ENIAC(ElectronicENIAC(Electronic Numerical Integrator Numerical Integrator And Computer)And Computer)1.2 计算机的基本组成1. 计算机由五大部件组成3. 指令和数据用二进制表示4. 指令由操作码和地址码组成6. 以运算器为中心2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访5. 存储程序一、冯诺依曼计算机的特点5. 存储程序1.2.2 冯诺依曼计算机硬件输入装置存储器运算器控制器输出装置算术运算 逻辑运算存放数据 和程序将信息转换成机 器能识
3、别的形式将结果转换成 人们熟悉的形式指挥程序 运行1.21.2冯诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备运算器的组成运算器算术逻辑部件(ALU)数据寄存器并行加法器逻辑部件存储器的组成存储器地址寄存器数据缓冲寄存器存储单元控制器的组成控制器程序计数器(PC)指令寄存器指令译码器二、计算机硬件框图1.21.21. 以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算ALU主存 辅存CPU 主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器1.21.2现代计算机的组成框图主存I/O 设备 控制器(CU)运算器(ALU)CPU主
4、机计算机硬件计算机的发展简史类类型时时期主要器件重 要 特 征 第一代1946- 1958电电子管机器语语言，汇编语汇编语 言，速度低，体 积积大，价格昂贵贵，可靠性差，用于 科学计计算 第二代1958- 1964晶体管算法语语言，操作系统统，体积缩积缩 小， 可靠性提高，从科学计计算扩扩大到数 据处处理 第三代1964- 1971中、小规规模 集成电电路体积积小，可靠性大大提高，速度达 几MIPS，机种多机种多样样样样化，化，“ “小型小型计计计计算算 机机” ” 出出现现现现，软软件技术术和外设发设发 展迅 速应应用领领域不断扩扩大 第四代1971-中、大及超 大规规模集成 电电路速度提高
5、至GIPS乃至TIPS水平，多 机并行处处理和计计算机网络络迅速发发展 。 “微型计计算机” 出现现各时代代表机型时代机型产产地 一ENIAC 1946 十进制 EDSAC 1949 二进制和“存储程序” 103（M-3） 195759美.宾宾州大学 英.剑桥剑桥 大学 中科院计计算所 二IBM 7090 1958 DJS-21,108,X-2,441B IBM 中国 三IBM360/370系列 CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1 NOVA,PDP-11 DJS-130/200IBM CDC 美 中国 四微型机 APPLE, IBM-PC VAX系列 长长城0520, .
6、APPLE ， IBM DEC 长长城计计算机IBM System360 2.12.12.12.11. IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution212 992 个 CPU 最大平均速度 478 200 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）2.12.12.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution 65 536个 CPU 最大平均速度 167 300 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）3.SGI: SGI Altix ICE 82002.12.114 336个 CPU 最大平均
7、速度 126 900 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）2.12.14. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c14 240个 CPU 最大平均速度 117 900 GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）2.12.1最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）5. HP : Cluster Platform 3000 BL460c13 728个 CPU 最大平均速度 102 800 GFLOPSGFLOPS (gigaFLOPS) 一个 MFLOPS (megaFLOPS) 等于每秒1百万 (=106) 次的
8、浮点运算， 一个 GFLOPS (gigaFLOPS) 等于每秒10亿 (=109) 次的浮点运算， 一个 TFLOPS (teraFLOPS) 等于每秒1万亿 (=1012) 次的浮点运算， 一个 PFLOPS (petaFLOPS) 等于每秒1千万亿 (=1015) 次的浮点运算。 第四代计算机中 微处理器的发展：Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第 一块4位芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器 问世，微处理器和微机时代从此开始。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（ 包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、40
9、03移 位寄存器芯片和4004微处理器）4004 40044004包含包含23002300个晶体管，尺寸规格为个晶体管，尺寸规格为3mm4mm3mm4mm，计，计 算性能远远超过当年的算性能远远超过当年的ENIACENIAC，最初售价为，最初售价为200200美元。美元。 80081972年4月，霍夫等人开发出 第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P 沟道MOS微处理器，因此仍 属第一代微处理器。 8080 8080 第二代微处理器第二代微处理器1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微 处理器就此诞生。 主
10、频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍 ，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的 6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。 Intel 8086 第三代微处理器 1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器 ，标志着第三代微处理器问世。它采用16位寄存 器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管 ，售价360美元。 Z80微处理器 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用 于微型计算机和工业自动控制设备。当时，zilog 、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。Intel 公司的典型微处理器产品8080 8位 197
11、4年 8086 16位 1979年 2.9 万个晶体管 80286 16位 1982年 13.4 万个晶体管 80386 32位 1985年 27.5 万个晶体管 80486 32位 1989年 120.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万个晶体管 Pentium Pro 64位（准） 1995年 550.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1997年 750.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1999年 950.0 万个晶体管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万个晶体管2.12.12007 年 芯片上可集成 3 亿
12、 5 千万 个晶体管 预计 2010 年 芯片上可集成 8 亿 个晶体管第一台微型计算机：Altair 8800 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800， 售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台 微型计算机。 Altair定位在青年电脑迷市场 Paul Allen和Bill Gates在三周内为Altair开发出 BASIC语言，MITS成为两个未来富翁的第一个客户 Apple 1976年3月，Steve Wozniak和Steve Jobs开发出微 型计算机Apple I，4月1日愚人节这天，两个Steve成 立了Apple计算机公司。 Apple II是
13、第一个带有彩色图形的个人计算机，售价 为1300美元。Apple II及其系列改进机型风靡一时， 这使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。 1981-PC元年 早在1980年7月，一个负责“跳棋计划”的13人小组秘密来 到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，开始开发 后来被称为IBM PC的产品。一年后的8月12日，IBM公司 在纽约宣布第一台IBM PC诞生，这个开创计算机历史新 篇章的时刻。 第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088 操作系统是Microsoft提供的MS-DOS IBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）计算机
14、的发展日新月异从计算机的规模，运算速度上看从计算机的规模，运算速度上看， 巨型机、大型机、中型机、小型机、巨型机、大型机、中型机、小型机、 微型机、单片机微型机、单片机从从CPUCPU的发展来看的发展来看400440048008-8086-8088-80186-8008-8086-8088-80186- 80286-80386-80486-586-80286-80386-80486-586-pentiumpentium -PII-PIII-P4-PII-PIII-P4四色定理2.2 计算机的应用一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制三、网络技术1. 电子商务2. 网络教育3. 敏捷制造四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术八、人工智能2.22.22.3 2.3 计算机的展望计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级智能功能要求计算机的速度达1015/秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟三、？替代传统的硅芯片1. 光计算机2. DNA生物计算机3. 量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储通过控制DNA分子间的生化反应利用原子所具有的量
