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1、概述,计算机组成原理：主要指计算机硬件的实现方法及工作原理 从三方面掌握本课程内容: 硬件结构: 从物理上 逻辑上掌握计算机各部件的构成和作用 实现方式: 硬件连接方式和内部处理方式(如控制器和运算器的实现方式) 工作原理: 计算机内部各部件工作过程,本课程的重要地位,计算机组成原理是计算机相关专业的核心专业课程，对后续课程(计算机网络，单片机，嵌入式)的学习十分重要，也是考研专业课。 通过本课程的学习主要掌握: 单处理机系统的组成及工作原理，分析说明计算机由哪些功能部件组成，结构，功能，以及他们如何完成各自分配的任务。 学习难点：内容多，结果复杂，数字逻辑是基础 学习方法：分析结构，弄清原理
2、，多做练习,主要内容,计算机系统概述 运算方法和运算器(数据的表示，编码。包括数值，非数值数据，整数，小数，汉字，校验码。 定点运算，浮点运算，逻辑运算） 存储器系统(存储器芯片的结构和功能，存储器的组成与连接，高速存储器，Cache) 指令系统(指令格式，寻址方式，典型指令) CPU(组成和工作原理，控制器的实现) 总线系统(总线的作用，分类，控制和通信) 输入输出系统(控制方式),2018/10/19,4,第一章 计算机系统概论,1.1计算机的分类 1.2计算机发展简史 1.3计算机的硬件 1.4计算机的软件 1.5计算机系统的层次结构,2018/10/19,5,1.1计算机的分类,一、电
3、子计算机从总体上来说分为两大类。 电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。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。,2018/10/19,6,1.1计算机的分类,数字计算机与模拟计算机的主要区别,2018/10/19,7,1.1计算机的分类,二、数字计算机分类 数字计算机根据计算机的效率、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
4、大，但是牺牲了效率、速度和经济性。,2018/10/19,8,1.1计算机的分类,三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 PC机 单片机 多核机,演示,第一台von Neumann系统结构的计算机,IBM/360 集成电路 计算机小型化,超级计算机,IBM Roaddrunner(走鹊) IBM为美国能源部所属的国家核能安全管理部（National Nuclear Security Administration，NNSA）建立的超级电脑 129600个计算核心，最大平均速度1105000G
5、FLOPS,Cray XT5 Jaguar 美洲虎,美国Cray公司建造的一台超级电脑,位于橡树岭国家实验室造价一亿美金,整个系统的内存容量达到300TB，硬盘空间高达10PB 1PB=1024TB 1TB=1024GB 150152个计算核心，最大平均速度1059000GFLOPS,IBM JUGENE-Blue Gene/P(尤金),德国尤利希超级计算机中心所研制 ,294912个计算核心，最大平均速度 825500GFLOPS,SGI Pleiades系统,美宇航局埃姆斯研究中心 51200个计算核心，最大平均速度 487005GFLOPS,天河2号,在德国举行的2015年国际超级计算机
6、大会上发布全球超级计算机500强最新榜单，中国“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度第五次蝉联冠军 ,312万个计算核心, 1.404 PB内存，而外部存储器容量方面更是高达12.4PB. 天河二号逐步在生命科学、材料科学、大气科学、地球物理、宇宙、经济学，以及大型基因组组装、基因测序、污染治理等一系列事关国计民生的大科学、大工程中“大显身手”,2018/10/19,16,1.2 计算机发展简史,1.2.1 计算机的五代变化 1.2.2 半导体存储器的发展 1.2.3 微处理器的发展 1.2.4 计算机的性能指标,2018/10/19,17,1.2计算机发展简史,1.2.1 计算机
7、的五代变化 第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机,2018/10/19,18,1.2计算机发展简史,1.2.2 半导体存储器的发展 20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、2
8、56KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230 ,1T=240, 1P=250,2018/10/19,19,1.2计算机发展简史,1.2.3 微处理器的发展 1971年Intel公司开发出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。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计
9、的中央处理器。 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在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Intel 80386。 到现在的64位处理器和多核处理器,Intel 公司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 6000个晶体管 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
10、（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 2007 年 芯片上可集成 3 亿 5 千万 个晶体管 2012年 芯片上可集成 8 亿 个晶体管,2018/10/19,21,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信 息量，单位是字节/秒（B/S）。 响应时间 表征从输入有
11、效到系统产生响应之间的时间度 量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。利用率 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时 间所占的比率，一般用百分比表示。 处理机字长 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运 算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。 字长越长，表示计算的精度越高。,2018/10/19,22,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标总线宽度 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。,存储器容量 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、 MB、GB、TB来表示 存储器容量越大，记忆的二进制数越多,存储
12、器带宽 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。,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）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。,2018/10/19,23,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标主频的倒数称为时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒1指令周期=n机器周期=nm时钟周期(顺序 环形脉冲发生器) CPU执行时间 表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间
13、，可用下 式计算： CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 CPI 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。用下式计算：CPI MIPS 表示每秒百万条指令数，用下式计算：MIPS ,2018/10/19,24,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标程序执行时间Te为：Te MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MFLOPS MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器 速度越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作 的性能，而不能体现机器的整体性能。 GFLOPS (gigaFLOPS) 等于每秒
14、10亿 (=109) 次 TFLOPS (teraFLOPS) 等于每秒1万亿 (=1012) PFLOPS (petaFLOPS) 等于每秒1千万亿 (=1015) 该技术指标一般 在超级计算机中使用。,2018/10/19,25,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标例1.1：对于一个给定的程序，IN表示执行程 序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的CPU 时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数）， NC为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均 时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令数 ，请写出如下四种参数的表达式： (1) tCPU (2) CPI (3) MIPS (4) NC,2018/10/19,26,1.2计算机发展简史,1.2.4 计算机的性能指标,2018/10/19,28,1.3计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素 1.3.2 运算器 1.3.3 存储器 1.3.4 控制器 1.3.5 适配器与I/O设备,2018/10/19,29,1.3计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。,
