计算机组成原理-概述

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1、计算机组成原理,主 编： 徐福培 任课教师：张朋 办公室： A3-303 Tel: 15335198029 87190048(办） Email: ,开头的话 告别酷热难熬的夏天 回到花香鸟语的校园 计算机世界无穷奥秘等待我们去探索 国家呼唤创新性人才，呼唤自主知识产权 怎么办 时刻牢记: 国家的期盼, 任重而道远 我们要有克服一切困难的决心 我们要有战胜一切敌人的气概 金城金城, 金戈铁马, 众志成城,为什么要学习这门课？ 相当于问：医生为什么要学人体解剖？基本素质,课程性质与地位：专业主干课，基础必修课，承上启下,课程目的与任务：建立计算机硬件系统的完整概念，以单机系统为研究对象，阐述计算机

2、系统的硬件组成以及各部件的工作原理。通过本课程学习，可以掌握设计计算机系统的基本原理和方法，为培养学生对计算机系统的分析、设计、开发和使用能力打下基础。,课程主要内容,1、计算机系统概论,2、逻辑电路设计基础,3、信息编码和数据表示,4、计算机算法和算法逻辑实现,5、存储器,6、计算机指令构成和寻址方式,7、处理机设计,8、流水线处理机,9、存储系统,11、输入输出系统,10、输入输出设备,怎样学好这门课？多思考，勤练习。,很重要的计算机类专业技术基础课，不太难。 一课不拉，凡缺课在下次课前及时补上，否则将受自然规则的惩罚。 笔记本-记课堂内容教材中找不到的； 参考书-拓展知识面，好的解题方法

3、。 期末考试成绩70% 。 平时成绩30%。包括：作业-按时交作业者，10分/题；不按时者， 5分/题。鼓励多做习题，多做多得。课堂提问-基本答对者，10分/次；基本不会者，0分；旷课者，-10分；交头接耳者，-10分。鼓励抢答，参与竞争。 上课时手机请拨到静音。,学习，改变命运学习，成就未来,第一章 概 述,本章学习导读：（1）什么是电子计算机？ （2）它由哪几部分组成？ （3）其特点又是什么？ （4）在它的发展历程中经历了哪几代？,计算机是一种能对数字化信息进行自动高速运算的通用处理装置。,11 计算机的定义和特性,信息 运算 处理,1.1.1 什么是计算机,1.1.2 计算机的特性,计算

4、机的特性可以归纳为高速、通用、准确、 智能四大特性。,尽管各种计算机的规模、性能和价格相差很大，但它们的组成和工作原理都是类似的。,1.1.3 计算机的功能,计算机的基本功能主要包括以下4个：数据处理 数据存储 数据传送 控制,指令,12 计算机的发展,1.2.1 电子计算机的诞生,第一台电子计算机ENIAC（Electronic NumericalIntegrator and Computer）于1946年在美国诞生。,每秒5000次加法运算； 每秒50次乘法运算； 平方和立方计算； Sin和Cos函数数值运算； 其它更复杂的计算。,第一台电子计算机,世界上第一台现代意义的电子计算机是194

5、6年美国宾夕法尼亚大学设计制造的”ENIAC” 占地上百平方米 重量几千吨 功耗几十千瓦 意义？,ENIAC,ENIAC,ENIAC,计算机发展历程 时间 技术水平 典型机和主存储器 执行速度 次/秒 4657 第一代 ENIAC 5000电子管 延迟线或磁鼓 5664 第二代 IBM7600 20万晶体管 磁芯6571 第三代 IBM360 100万1000万MSI,SSI 半导体IBMPC8088- 72至今 第四代 Pentium 1000万1亿 LSI,VLSI 半导体 P4主频3.4GHz,通用微处理器,4位微处理器 1971年，Intel 4004，第一个微处理器 8位微处理器 M

6、6800、Z80和Intel 8080/8085 Apple公司苹果机 16位微处理器 Intel 8086/8088 16位个人计算机（PC：Personal Computer） 32位微处理器 80386，80486，PentiumPentium 4 32位PC机，APPLE公司的Macintosh机 64位微处理器,专用微处理器,单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCU） Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列 爱特梅尔（Atml）公司的AT89系列（与MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM内核） Microchip Technology公司的PIC系列 数字

7、信号处理器（DSP） 专注于数字信号的高速处理 美国德州仪器TI公司TMS320各代产品 主要应用于通信、消费类电子产品和计算机 主要应用形式：嵌入式系统 IP级结构，芯片级结构，模块级结构,8086,16位结构的微处理器：数据总线为16位 主存容量1MB：地址总线为20位 时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz） 准16位微处理器8088：外部数据总线为8位 IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU 处理器总线（Bus） 微处理器的对外引脚（Pin） 数据、地址和控制三组信号 电源和地线,处理器总线,数据总线（DB：Data Bus） 处理器与存储器或外设交换信息

8、的通道 个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 地址总线（AB：Address Bus） 指定存储器或外设的具体单元 个数反映访问的主存储器容量或外设范围 控制总线（CB：Control Bus） 控制处理器数据传送等操作,一个信号两种状态（高或低）两种编码（1或0）,N：2N,地址就是号码,80286,16位数据总线，24位地址总线（16MB主存） 实方式（Real Mode） 与8086工作方式一样 保护方式（Protected Mode） 提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持 IBM PC/AT机使用Intel 80286 CPU,1KB210 B1024 B 1MB220

9、B1024 KB 1GB230 B1024 MB,20：220 24：224 32：232,80386,32位结构 数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存 虚拟8086方式（Virtual 8086 Mode） 保护方式下的8086工作方式 系统管理方式（System Management Mode） 低功耗节能状态,英特尔32位结构：IA-32（Intel Architecture-32） IA-32微处理器：80386，80486，Pentium系列,80486,8048680386803878KB Cache 浮点处理单元FPU 8086/8088：8087，80286：802

10、87，80386：80387 高速缓冲存储器Cache 微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器 用于提高整个存储器系统的存取速度 复杂指令集计算机CISC融合精简指令集计算机RISC的技术特点，例如：指令流水线 指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行 多条指令可以在不同的执行阶段同时进行,Pentium,俗称的80586微处理器，奔腾微处理器 32位结构，连接主存的外部数据总线却是64位 超标量（Superscalar）技术 具有可以并行工作的2条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行2条指令 双路高速缓冲结构 8KB代码高速缓冲存储器 8KB数据高速缓冲存储器,Pentium

11、Pro,原称P6，中文名称为“高能奔腾” 两个芯片组成 CPU一级（L1）Cache（8KB代码和8KB数据） 二级（L2）Cache（256KB或512KB） 扩展的超标量技术 12级指令流水线 能同时执行3条指令 动态执行技术 分支预测、数据流分析和推测执行,Pentium II,多媒体扩展指令（MMX指令） MMX（MutliMedia eXtension） 整数运算多媒体指令 对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化 提升微机对多媒体的处理能力 Pentium MMX（多能奔腾）：MMX指令应用于Pentium处理器 Pentium II：MMX指令应用于Pentium Pro,Pe

12、ntium III,数据流SIMD扩展指令（SSE指令） SSE（Streaming SIMD Extensions） 浮点单精度多媒体运算指令 提高浮点3D数据的处理能力。 SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now!指令 Pentium III：SSE指令应用于Pentium II 单指令多数据SIMD Single Instruction Multiple Data 表示一条指令具有同时处理多组数据的能力,Pentium 4,NetBurst的微结构（Microarchitecture） 指令级并行ILP（Instruction-Level Parallel） 进一步发掘指令之间可以同

13、时执行的能力 超线程HT（Hyper Threading） 线程级并行TLP（Thread-Level Parallel） 发掘程序中的并行性 一个物理处理器形成两个逻辑处理器 SSE2指令 增强浮点双精度多媒体运算能力 SSE3指令 增强和完善MMX，SSE和SSE2指令,Intel 80x86微处理器,Celeron（赛扬）微处理器 面向低端（低价位）PC机 Xeon（至强）微处理器 面向高端服务器、工作站 AMD微处理器 AMD公司生产的IA-32微处理器兼容芯片 Intel公司最主要的竞争对手 双核微处理器 单芯片多处理器SMP技术 Intel的Pentium D：单芯片双Pentiu

14、m 4核心 64位微处理器 AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微处理器 Intel的EM64T（扩展64位技术）： IA-32的64位扩展,1982 当时我国普遍应用的计算机上的光电阅读机,HP 笔记本计算机,摩尔定律（Intel公司创始人之一摩尔1965年提出）：“由于硅技术的发展，每18个月，集成电路的集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。” 重要意义： 不断改进技术，提高质量，降低成本； 为计算机硬件发展与使用的普及创造了条件； 促进了软件业的发展。 面临的难题： 传统工艺难以适应； “门”越来越窄而难以关闭； 搀质的使用接近极限； 传统材料难以适应。,1.4.6 新

15、一代计算机,新器件，非冯诺依曼结构,知识处理已成为新一代计算机的公认标志。新一代计算机与前四代计算机的本质区别是：计算机的主要功能将从信息处理上升为知识处理，使计算机具有人类的某些智能，所以又称为人工智能计算机。,从80年代开始，日本、美国和欧洲纷纷进行第五代计算机的研制工作，目前第五代计算机有以下几个研究方向：,（2）生物计算机运用生物工程技术，蛋白分子作芯片，可以使计算机体积更小，存储量更大，智能化更强；,（1）神经网络计算机模拟人的大脑思维，可同时并行处理大量实时变化的数据，并引出结论；,小知识： 生物计算机一旦研制成功，其运算速度是目前传统计算机根本无法比拟的，它几十小时的运算量就相当

16、于目前全球所有计算机运算量的总和。 生物计算机的存储量也大得惊人。科学家采用有机的蛋白质分子构成的生物芯片代替由无机材料制作的硅芯片，其大小仅为现在所用的硅芯片的十万分之一，而集成度却极大地提高，如用血红素制成的生物芯片，1平方毫米能容纳10亿个门电路，其开关时间达到10微微秒。 此外生物芯片具备的低阻抗、低能耗的性质使他们摆脱了传统半导体元件散热的困扰。,生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，而且其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。 它快捷，又准确，可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，而不需要外界的任何其他能量。（3）光计算机用光作为信息载体，通过对光的处理来完成对信息的处理，可提高运算速度、降低耗能。,