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1、2024/8/21计算机组成原理2024/8/22课程说明课程必修课，36学时，2学分教材白中英. 计算机组成原理（第4版）. 科学出版社, 2000.参考资料张晨曦等. 计算机体系结构. 北京: 高等教育出版社, 2000.蒋本珊编著. 计算机组成原理M.北京：清华大学出版社，2004. 2024/8/23成绩平时成绩： 40%，期末考试： 60%。作业必须手写，上课之前交上一次作业实验 与本课程对应的“计算机组成实践”课程18学时，0.5学分 实验报告要求交纸质版纸质版实验时间按照实验室安排另行通知2024/8/24主要内容1.计算机系统概论2.运算方法和运算器3.存储系统4.指令系统5.
2、中央处理器6.总线系统7.外围设备8.输入/输出系统2024/8/25第1章 计算机系统概论n计算机的分类和应用n计算机硬件n计算机软件n计算机系统的层次结构2024/8/261.1 计算机的分类和应用n什么是电子数字计算机？n计算机有些类别？n计算机能干什么？2024/8/27电子计算机概念n机械式计算与电子式计算n模拟计算机与数字计算机n计算机与计算器n计算机的基本特征l自动、高速、精确n计算机的基本运算l算术运算l逻辑运算2024/8/28计算机分类n按用途分l通用计算机l专用计算机n按规模分l巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机2024/8/29计算机的应用n科学计算（运算速
3、度）n信息处理（存储容量）n测量与控制（自动化）n其它应用lCAD、CAM、CAICAD：计算机辅助设计 Computer Aided Design CAM：计算机辅助制造 Computer Aided Manufacturing CAI：计算机辅助教学 Computing Assisted Instructionl人工智能领域2024/8/2101.2 计算机硬件n计算机的硬件组成n计算机的硬件发展2024/8/211计算机的硬件组成 五大部分五大部分:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 说明说明:细实线：控制线细实线：控制线 虚线：反馈线虚
4、线：反馈线 粗线：数据线粗线：数据线控制器输入设备存储器输出设备运算器结果结果数数据据取数取数存数存数输入命令输入命令输出命令输出命令2024/8/212计算机的硬件组成（续）1. I/O设备设备:2. CPU:CPU=控制器（控制器（Controller）+运算器（运算器（ALU+Regs）(1)控制器控制器:功能功能(2) ALU(Arithmetic Logical Unit):算术逻辑部件算术逻辑部件,是直接进行数据变换与运算的部件是直接进行数据变换与运算的部件. ALU的最基本的最基本操作是加法和逻辑运算操作是加法和逻辑运算.例例:A-B=A+-B补补 ,(3)寄存器组寄存器组:暂存
5、运算中间结果暂存运算中间结果 m*n=m+m+mm/n=m-n-n按时钟提供统一节拍按时钟提供统一节拍对指令所含操作做时序分配对指令所含操作做时序分配按时序发出控制信号按时序发出控制信号,驱动各部件协调工作驱动各部件协调工作 通用寄存器组通用寄存器组:存放操作数存放操作数 专用寄存器组专用寄存器组:存储特定信息存储特定信息2024/8/213计算机的基本组成（续）计算机的基本组成（续） 算术逻辑部件算术逻辑部件(ALU)工作示意图工作示意图状态标志寄存器通用寄存器累加器ALUBA结果C=A+B标志每位对应一个特征2024/8/214计算机的基本组成计算机的基本组成(续续)3.存储器存储器(Me
6、mory，记忆装置，记忆装置)(1)功能:保存程序、原始数据及中间结果。(2)特点: 取之不尽，新来旧去。存 写, 取 读.采用线性地址存取方式采用线性地址存取方式 地址地址 单元内容单元内容可按位(b),字节(B),半字、 字(W),双字(DW)编址。以字节(B)编址居多，即1个 存储单元存1个字节的信息。存储器容量:即存储器中存储单元的数量。信息m-1信息m信息m+1n-1nn+12024/8/215计算机的基本组成计算机的基本组成(续续)(3)存储器的三大指标存储器的三大指标容量容量(C)+价格价格(P)+速度速度(S)容量大容量大 速度速度 , 速度速度 成本成本 容量容量采用分级存储
7、方式来解决上述矛盾采用分级存储方式来解决上述矛盾主存辅存cacheCPU主存辅存辅助软硬件主辅存两级存储系统主辅存两级存储系统cache主辅存三级存储系统主辅存三级存储系统辅存主存2024/8/216计算机工作流程n冯诺依曼型计算机的设计思想： 存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行n工作流程l根据算法编写程序l存储程序l执行程序2024/8/217Von Neumann 型计算机特点n以ALU为中心，I/O与M之间的数据传送经过ALU。ALU、M、I/O的联系由CPU集中控制。n程序和数据放在同一个主存中，无区分的信息位。n存储器按地址访问（线性编址的一维空间）。n指令在存储器中是
8、顺序存储的。n指令由操作码和地址码组成。n数据以二进制编码表示。2024/8/218控制器的基本任务 按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令；依此类推。2024/8/219程序对计算机的控制程序对计算机的控制n 举例举例: a+|b|=n解题步骤解题步骤:nstep1:取a nstep2:取bnstep3:判断nstep4:执行执行a+bnstep5:转转step7nstep6:执行执行a-bnstep7:结束结束n 条件转移类指令条件转移类指令:对对ste
9、p3类似的操类似的操作可用条件转移类指令实现作可用条件转移类指令实现. a+b ,b0 a- b , b0若b0,执行step4若b系统程序与应用程序划分n机器语言=汇编语言=高级语言n批处理=交互式操作系统n文件系统=数据库系统2024/8/2291.4 计算机系统的层次结构n数据流与指令流l指令流=控制器l数据流=运算器n计算机层次结构l第一级 微程序设计级l第二级 一般机器级l第三级 操作系统级l第四级 汇编语言级l第五级 高级语言级n软、硬件的逻辑等价性2024/8/230计算机的发展 1946: ENIAC (Electronic Numerical Integrator And C
10、omputer): 第一台真正意义上的数字电子计算机。开始研制于1943年，完成于1946年。负责人是John W. Mauchly和J. Presper Eckert。重30吨，18000个电子管，功率25千瓦。主要用于计算弹道和氢弹的研制。 参考资料参考资料2024/8/231计算机的史前文明n机械计算机l算盘（公元前）l计算尺（1621年，William Oughtred）l第一台机械计算机器Pascaline（1642年）l差分机（1822年）2024/8/232Pascalinen1642年，Blaise Pascal发明n功能：加法和减法运算（手摇）n1670年改进，能计算乘除法和
11、平方根2024/8/233差分机n1822年，Charles Babbage发明n1890年，Herman Hollerith发明机械式穿孔卡片制表系统，应用于美国人口统计n1896年，Herman Hollerith组建Tabulating Machine公司（IBM公司前身）2024/8/234计算机的史前文明（续）n 重要事件l1848: 英国数学家George Boole创立二进制代数学l1906: 美国的Lee De Forest发明了电子管 l1924年:IBM公司成立l1937: 英国剑桥大学的Alan M. Turing (1912-1954)出版了他的论文 ，并提出了被后人称
12、之为“图灵机”的数学模型l1938: Claude E. Shannon 发表了用继电器进行逻辑表示的论文 2024/8/235计算机的史前文明（续二）n电子计算机l1935: IBM推出IBM 601机。 这是一台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机 l1937: BELL试验室的George Stibitz展示了用继电器表示二进制的装置。尽管仅仅是个展示品，但却是第一台二进制电子计算机l1939 1月1日: 加利福尼亚的David Hewlet和William Packard 在他们的车库里造出了Hewlett-Packard计算机。名字是两人用投硬币的方式决定的。包括两人名字的一部分202
13、4/8/236计算机的史前文明（续三）l1939年11月: 美国John V. Atanasoff和他的学生Clifford Berry 完成了一台16位的加法器，这是第一台真空管计算机l1941年12月: 德国Zuse制作完成了Z3计算机的研制。这是第一台可编程的电子计算机。可处理7位指数、14位小数。使用了大量的真空管。每秒种能作3到4次加法运算。一次乘法需要3到5秒。l1943年1月: Mark I，自动顺序控制计算机在美国研制成功。整个机器有51英尺长，重5吨，75万个零部件，使用了3304个继电器，60个开关作为机械只读存储器。程序存储在纸带上，数据可以来自纸带或卡片阅读器。被用来为
14、美国海军计算弹道火力表 2024/8/237ENIAC以后的计算机n晶体管时代l1947: Bell实验室的William B. Shockley、 John Bardeen和Walter H. Brattain.发明了晶体管 l1949: EDVAC (electronic discrete variable computer)：第一台使用磁带的计算机l1950: 软磁盘由东京帝国大学的Yoshiro Nakamats发明l1951: UNIVAC-1：第一台商用计算机系统。设计者：J. Presper Eckert 和John Mauchly。被美国人口普查部门用于人口普查，标志着计算机的
15、应用进入了一个新的、商业应用的时代2024/8/238ENIAC以后的计算机（续）n集成电路时代l1958年9月12日: 在Robert Noyce（INTEL公司的创始人）的领导下，发明了集成电路l1963: PDP-8：DEC公司推出第一台小型计算机 l1970: 第一块RAM芯片由INTEL推出，容量1K l1971年11月15日: Marcian E. Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004，含2300个晶体管l1976: Zilog推出Z80处理器。8位微处理器l1976: 6502, 8 位微处理器发布，专为Apple II计算机使用l1979: Motorola公
16、司发布68000微处理器。主要供应Apple公司的Macintosh2024/8/239 ENIAC以后的计算机（续二）n个人计算机lAltair 8800（1975年）lApple（1976年）lIBM PC（1980年）2024/8/240Altair 8800n1975年，第一台个人计算机n8088CPUn256Byte内存n面板开关输入n面板小红灯输出2024/8/241Applel1976年，带显示器和内置键盘的计算机l参与商务应用（Visicalc程序，进行电子账务表格计算）2024/8/242IBM PCn1980年n价格低廉l直接采购部件n技术开放l兼容机的发展2024/8/2
17、431、按照Neumann原理，现代计算机应具备哪些功能？2、 Neumann计算机应包含哪几部分？它们的作用各是什么？3、计算机的存储器采用分级方式是为了（ ） A 减少主机箱的体积 B 解决容量、价格、速度三者之间的矛盾 C 保存大量数据方便 D操作方便4、运算器由许多部件组成，但核心部件应该是（ ） A 数据总线 B 数据选择器 C 算术/逻辑运算单元 D累加器补充习题补充习题2024/8/2445、存储器是计算机系统中的记忆设备，它主要用来（ ） A 存放程序 B 存放数据 C 存放微程序 D存放程序和数据6、计算机的主存容量与什么有关？7、完整的计算机系统包括（ ） A 主机与外部设备 B 运算器、存储器和控制器 C 硬件系统和软件系统 D 系统程序和应用程序8、计算机操作系统是一种（ 1 ），用于（2 ），是（ 3 ）的接口。 （1）A 系统程序 B 应用程序 C 用户程序 D 中间程序 （2） A编码转换 B 操作计算机 C 控制和管理计算机系统的资源 D 把高级语言程序翻译成机器语言程序 （3） A 软件和硬件 B 主机和外设 C 用户和计算机 D 高级语言和机器语言2024/8/2459、试述程序是如何对计算机进行控制的？10、指令和数据均存放在内存中，计算机如何区别它们是指令还是数据？
