第1章 计算机系统概述

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1、计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*1教材：王爱英 主编计算机组成与结构(第5版)清华大学出版社计算机组成教师： 吴涛计算机与软件学院 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*2-课程简介-本课程从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发， 系统讲述计算机系统的基本组成、工作原理和系统结构。通过学习本课程，学生应理解计算机各部件内部工作原 理、组成结构及相互连接方式，具有完整的计算机系统整体 概念，熟悉计算机系统层次化概念，了解计算机体系的新技 术，能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计 算机硬件系统中的理

2、论和实际问题进行计算、分析，并能对 一些基本部件进行简单设计，为学习本专业后继课程和对今 后从事计算机系统的研究、开发打好基础。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*3 目 录第1章 计算机系统概述 第2章 数据的表示和运算 第3章 存储器层次结构 第4章 指令系统 第5章 中央处理器 第6章 总线 第7章 输入输出系统 第8章 流水线处理技术 第9章 并行计算机体系结构计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*4第1章 计算机系统概论 1.1 计算机的发展历程 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机的性能指标

3、1.4 计算机的分类和应用计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*51.1 计算机的发展历程根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子计 算机的发展依次经历了电子管时代、晶体管时代 、中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集 成电路时代等几个不同的发展阶段。电子管晶体管集成电路计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*61.1 计算机的发展历程 第一代，电子管计算机时代（19461959）电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件。 1904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱 明的手下诞生，标志着世界从此进入了电子时代

4、。 世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），1946年由 美国宾夕法尼亚大学研制，字长12位，运算速度 5000次/秒，使用18800个电子管、1500个继电器， 功耗150kw，占地170m2，重达30吨，造价100万美 元。一般认为它是现代计算机的始祖。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*7世界上第一台电子计算机ENIAC计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*8有争议的第一台计算机：二战中，为破译德国人的 机械式密码

5、，英国情报机关与数学、 电子学专家 合作，1943年研制出了一种大型电子运算装置，称 其为“巨人”机 。1939年12月，美籍保加利亚人、 物理学家阿塔纳索夫就造出了世界上第一台电子计 算机ABC，但正值二战，他没有申请专利，也没有 公布资料。 1941年，约翰莫奇利在阿坦那索夫家借住5天，可 能看到了研究成果，其后负责制造了ENIAC，随后 迅速申请专利。1967年，莫奇利被告上法庭。1973 年10月19日，法庭终审，该审判从法律上认定阿坦 那索夫才是真正的现代计算机的发明人，这是一场 美国历史上耗时最久的知识产权官司。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系

6、统概述*91.1 计算机的发展历程 第一代，电子管计算机时代（19461959） ENIAC计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只 能存20个字长为10位的十进制数，二是用线路连接的方法 来编排程序，每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间 大大超过实际计算时间。 与ENIAC计算机研制的同时，冯诺依曼(Von Neumann)与 莫尔小组合作研制EDVAC计算机，采用了存储程序方案， 其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯诺依曼计算机 。ENIAC的总设计师，世 界上第一家计算机公司 创办者：约翰莫克利计算机之父，博弈论 之父：冯诺依曼计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算

7、机系统概述计算机系统概述*101.1 计算机的发展历程 第一代，电子管计算机时代（19461959） 一般认为冯诺依曼机具有如下基本特点：(1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设 备五部分组成。(2) 采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中， 并以二进制码表示。(3) 指令由操作码和地址码组成。(4)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器（即程 序计数器 PC）指明要执行的指令所在的存储单元地址，一 般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。(5) 以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送 都通过运算器。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算

8、机系统概述计算机系统概述*111.1 计算机的发展历程 第二代，晶体管计算机时代（19591964） 晶体管通常指晶体三极管，是内部含有两个PN结、外部通 常为三个引出电极的半导体器件。 1947年贝尔实验室肖克利发明了晶体管。 1958年晶体管进入批量生产阶段。用晶体管可设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础 上，再实现出计算机用的全部组合逻辑线路，和触发器、 计数器等各种时序逻辑线路。“晶体管之父” “硅谷第一人” 肖克利W.Shockley 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*121.1 计算机的发展历程 第二代，晶体管计算机时代（195919

9、64） 1954年，美国贝尔实验室研制出第一台使用晶体管 线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有 800个晶体管。1958年，美国IBM公司制成第一台 全部使用晶体管的计算机RCA501型。1964年，中 国制成了第一台全晶体管电子计算机441-B型 。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*131.1 计算机的发展历程 第二代，晶体管计算机时代（19591964）第二代计算机性能和可靠性提高，体积和价格下降 ，外设和软件也越来越多，并且高级程序设计语言 应运而生，从而使计算机工业迅速发展。 尽管用晶体管替代电子管使计算机面貌焕然一新， 但随着

10、对计算机性能的追求，新计算机包含的晶体 管数量已从一万个左右骤增到数十万个，人们需要 将这些晶体管、电阻等元件都焊接到一块电路板上 ，再有一块块电路板通过导线连接到一台计算机上 。其复杂工艺严重影响了制造计算机的生产效率， 使计算机可靠性很低。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*141.1 计算机的发展历程 第三代，中小规模集成电路计算机时代（19641970 ） 集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是将各种电子电子元 器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或绝缘 体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完

11、整的、具有一定功能的电路或系统。 计算机的数据存储、运算、传输及控制功能是由各类门电路实 现的，而门电路又是由晶体管、电阻、电容等组成，集成电路 制造技术发展可实现将成百上千个门电路全部制作在一块小硅 片上，这使得计算机体积大大缩小，功耗降低，计算机可靠性 提高。4081,四2输入与门计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*15第一个集成电路：1958年，美国德克萨斯仪器公司Jack Kilby提出将多个半导体元件放在一片半导体材料上，这个 成果就是世界上第一个集成电路。 Jack Kilby：集成电路的发明专利拥有者，集成电路之父（ 争议），奠定了现代微

12、电子学领域的基础。因参与发明集 成电路2000年获诺贝尔物理学奖计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*16Robert Noyce：著名物理学家，集成电路推广者，英特尔创始 人，1958年与Jack Kilby同时宣布制成第一块集成电路，法庭将 集成电路发明专利授予基尔比，而将关键的内部连接技术（制 作工艺）专利授予诺伊斯。 诺伊斯共同创办了两家硅谷最伟大的公司之一：第一家是半导 体工业的摇篮-仙童(Fairchild)公司，已成为历史；第二家则仍 跻身美国最大的公司之列，这就是英特尔公司。他的外号叫“硅 谷市长”。硅谷唯一一位集财富、威望和成就于一体的

13、圣人计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*171.1 计算机的发展历程 第三代，中小规模集成电路计算机时代（19641970 ） 第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的 IBM 360系列。20世纪60年代初，IBM公司提出研制由集成电路组成的系列电 脑，淘汰晶体管机器。1961年12月28日，“IBM360系统电子计 算机” 方案出台。新电脑系统用360为名，表示一圈360度。代 表360电脑从工商业到科学界的全方位应用。所需费用：研制 经费5亿，生产设备10亿，推销和租赁35亿共需投资50亿！ 而美国研制第一颗原子弹的“曼哈顿工程”才用了

14、20亿美元。360 系列率先提出“兼容性”概念，1964年IBM360系列面世，共有6 个型号大、中、小型电脑和44种配套设备。5年之内，IBM360 共售出32300台，创造了电子计算机销售中的奇迹。 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*181.1 计算机的发展历程 第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（ 1970至今）目前计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成 电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管， 人们称之为大规模集成电路（LargeScale lntegrated Circuit，简称LSI）和超大规模集成电路（Ver

15、y Large Scale lntegrated Circuit，简称VLSI） 1975年，美国IBM公司推出了个人计算机PC（PersonaI Computer），计算机开始深入到人类生活的各个方面。计算机组成与结构计算机组成与结构 第第1 1章章计算机系统概述计算机系统概述*191.1 计算机的发展历程 第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（ 1970至今） 表1.1概括了计算机发展历程中各个阶段的特点。 当前计算机发展的趋势是由大到巨(追求高速度、高容量、 高性能)，由小到微(追求微型化, 包括台式、便携式、笔记 本式乃至掌上型, 使用方便, 价格低廉)，网络化，智能化。现代计算机在许多技术领域取得了极大进步。如多媒体技 术、计算机网络、面向对象技术、并行处理技术、人工智 能、不污染环境并节约能源的“绿色计算机”等。许多