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计算机组成原理计算机组成原理第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论l计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。1.1 1.1 计算机的分类计算机的分类 1.2 1.2 计算机发展简史计算机发展简史 1.3 1.3 计算机的硬件计算机的硬件 1.4 1.4 计算机的软件计算机的软件 1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机组成原理计算机组成原理1.1.1 1.1.1 计算机的分类计算机的分类计算机从总体上来说分为两大类计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机模拟计算机数字计算机数字计算机各自主要特点各自主要特点：模模拟拟计计算算机机由由模模拟拟运运算算器器件件构构成成，其其变变量量由由连连续续量量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的.数数字字计计算算机机则则是是由由逻逻辑辑电电子子器器件件构构成成，其其变变量量为为开开关关量量（离离散散的的数数字字量量），采采用用数数字字式式按按位位运运算算，运运算算模式是离散式的模式是离散式的1.1 1.1 计算机的分类和应用计算机的分类和应用计算机组成原理计算机组成原理数字计算机与模拟计算机的主要区别数字计算机与模拟计算机的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无计算机组成原理计算机组成原理数数字字计计算算机机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机超级计算机超级计算机大型机大型机服务器服务器工作站工作站微型机微型机单片机单片机低低高高体积体积功耗功耗性能性能数据存储量数据存储量指令系统指令系统价格价格计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM电子数字计算机是一种能够自动、快捷，准确地实现信息存放、数值计算、数据处理、过程控制等多种功能的电子机器，其基本功能是进行数字化信息处理。世界上第一台计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于1946年2月15日，是美国宾夕法尼亚大学的摩切利和埃卡特发明的。1.21.2计计算机算机发发展展简简史史计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM 计算机的发展第一台电子计算机（ENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器7000个电阻个电阻10000个电容个电容耗电耗电150KW计算机组成原理计算机组成原理年代年代主要器件主要器件重重 要要 特特 征征第第1 1代代1946-1957电子管电子管机机器器语语言言，汇汇编编语语言言。速速度度低低，体体积积大大，价价格格昂昂贵贵，可可靠靠性性差差，用用于于科科学学计算。计算。速度达几千次到几万次速度达几千次到几万次第第2 2代代1958-1964晶体管晶体管算算法法语语言言，操操作作系系统统。体体积积缩缩小小，可可靠靠性性提提高高。从从科科学学计计算算到到数数据据处处理理。每秒几万次到几十万次每秒几万次到几十万次第第3 3代代1965-1971中小规模集成中小规模集成电路电路体体积积小小，可可靠靠性性大大大大提提高高，速速度度达达几几百百万万次次，软软件件技技术术和和外外设设发发展展迅迅速速应应用领域不断扩大。用领域不断扩大。第第4 4代代1972-1990大大/超大规模超大规模集成电路集成电路速度提高至几百万次至几千万次速度提高至几百万次至几千万次 出现微型计算机出现微型计算机第第5 5代代1991-巨大规模集成巨大规模集成电路电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机出现单片机一、计算机的发展史一、计算机的发展史计算机组成原理计算机组成原理发发展速度展速度-Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番计算机组成原理计算机组成原理2010年11月15日新华网我国天河一号成为我国天河一号成为全球最快超级计算机全球最快超级计算机l国国际际TOP500TOP500组组织织1414日日在在网网站站上上公公布布了了最最新新全全球球超超级级计计算算机机前前500500强强排排行行榜榜，中中国国首首台台千千万万亿亿次次超超级级计计算算机系统机系统“天河一号天河一号”雄居第一。雄居第一。l“天天河河一一号号”由由国国防防科科学学技技术术大大学学研研制制，部部署署在在国国家家超超级级计计算算天天津津中中心心，其其实实测测运运算算速速度度可可以以达达到到每每秒秒25702570万亿次。万亿次。20112011年年6 6月月2222日日,日日本本计计算算机机“京京”以以每每秒秒81628162万万亿亿次运算速度夺冠次运算速度夺冠,中国中国“天河一号天河一号”滑至第二滑至第二.我国的突出成果天河一号我国的突出成果天河一号计算机组成原理计算机组成原理天河一号天河一号计算机组成原理计算机组成原理1.2计算机发展简史二、半导体存储器的发展l2020世世纪纪50506060年年代代，所所有有计计算算机机存存储储器器都都是是由微小的铁磁体环由微小的铁磁体环l19701970年年，仙仙童童半半导导体体公公司司生生产产出出了了第第一一个个较较大容量半导体存储器大容量半导体存储器,单个芯片存储单个芯片存储256256位。位。l从从19701970年年起起，半半导导体体存存储储器器经经历历了了1111代代：单单个个芯芯片片1KB1KB、4KB4KB、16KB16KB、64KB64KB、256KB256KB、1MB1MB、4MB4MB、16MB16MB、64MB64MB、256MB256MB、GBGB。l其中其中1K=21K=21010,1M=2,1M=22020,1G=2,1G=23030，T T？计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM三、微处理器的发展三、微处理器的发展InterInter年年 份份型型 号号管管 数数年年 份份型型 号号管管 数数19711971400440042300230019931993PENTIUMPENTIUM310310万万19721972800880083500350019951995P-PROP-PRO550550万万19741974808080806000600019971997P-MMXP-MMX450450万万1978197880868086290002900019971997P-IIP-II750750万万1982198280286802861313万万1998 1998 CeleronCeleron750750万万19851985386DX386DX27.527.5万万19991999P-IIIP-III950950万万19891989486DX486DX120120万万1999.101999.10P-III-COPP-III-COP28002800万万计算机组成原理计算机组成原理1.2.4 1.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标l吞吞吐吐量量：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）。l响响应应时时间间：表征从输入有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）。l利利用用率率：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。l处处理理机机字字长长：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。计算机组成原理计算机组成原理l总总线线宽宽度度：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。l存存储储器器容容量量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8bit（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。l存存储储器器带带宽宽：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。l主主频频/时时钟钟周周期期：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PentiumPentium 4升至3.6GHz。主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。1.2.4 1.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标计算机组成原理计算机组成原理lCPUCPU执执行行时时间间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长lCPICPI：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 执行某段程序所需的CPU时钟周期数该程序包含的指令条数.lMIPSMIPS：表示每秒百万条指令数，用下式计算：MIPS 指令条数（程序执行时间 106）1.2.4 1.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标计算机组成原理计算机组成原理l程程 序序 执执 行行 时时 间间 TeTe：Te 指 令 条 数（MIPS 106）lMFLOPSMFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MFLOPS 程序中的浮点操作次数（程序执行时间 106）lTFLOPS：表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术 指 标 一 般 在 超 级 计 算 机 中 使 用。1.2.4 1.2.4 计算机的性能指标计算机的性能指标计算机组成原理计算机组成原理由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成计计算算机机系系统统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等 计计算机的算机的软软硬件概念硬件概念硬件硬件软件软件计算机组成原理计算机组成原理1.3.11.3.1计算机鼻祖计算机鼻祖用算盘模拟计算机求解用算盘模拟计算机求解 y=ax+b c一个算盘一个算盘计算，暂存结果计算，暂存结果一张纸一张纸记录运算步骤、数据记录运算步骤、数据一支笔一支笔将步骤、数据抄至纸上；将步骤、数据抄至纸上；算盘上数据，抄至纸上。算盘上数据，抄至纸上。人脑和手人脑和手控制算盘、完成步骤控制算盘、完成步骤运算器运算器存储器存储器IO设备设备控制器控制器行号行号解题步骤与数据解题步骤与数据1 1取数取数 （9 9）算盘算盘2 2乘法乘法 （1212）算盘算盘3 3加法加法 （1010）算盘算盘4 4减法减法 （1111）算盘算盘5 5存数存数 y 13 y 136 6输出输出7 7停止停止8 89 9a a1010b b1111c c1212x x1313y y-算盘算盘1.3.21.3.2计算机的硬件模型计算机的硬件模型lJ.Von NeumannJ.Von Neumann（冯（冯.诺伊曼）诺伊曼）19131913，生生于于匈匈牙牙利利，瑞瑞士士化化学学学学士士，匈匈牙牙利利数数学学博博士士，后后移移居美国；居美国；4040年代初，参与曼哈顿计划；年代初，参与曼哈顿计划；4444年参观年参观ENIACENIAC；4545年发表年发表“关于离散变量自动电子计算机的草案关于离散变量自动电子计算机的草案”计算机的基本结构；计算机的基本结构；采用二进制；采用二进制；数据和程序都放在内存中。数据和程序都放在内存中。冯冯.诺伊曼结构诺伊曼结构主主机机计算机组成原理计算机组成原理算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备计算机组成原理计算机组成原理1.1.运算器运算器l算术运算、逻辑运算算术运算、逻辑运算l采用二进制数（容易实现）采用二进制数（容易实现）l算算术术逻逻辑辑单单元元（ALU）+专专用用或或通通用用寄寄存存器器l计算机的运算器长度：计算机的运算器长度：8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位位计算机组成原理计算机组成原理2.2.存储器存储器l功能：保存或功能：保存或“记忆记忆”数据和运算过程数据和运算过程l存储的是存储的是0 0或或1 1表示的二进制代码表示的二进制代码l存存储储单单元元：在在存存储储器器中中保保存存一一个个n n位位二二进进制制数数的的n n个触发器，组成一个存储单元个触发器，组成一个存储单元l存存储储器器地地址址：存存储储器器是是由由许许多多存存储储单单元元组组成成，每每个存储单元的编号，称为地址个存储单元的编号，称为地址l存存储储容容量量：存存储储器器所所有有存存储储单单元元的的总总数数。通通常常用用单位单位“KB“KB、MBMB、GB”GB”等表示等表示分为：分为：内存储器（主存）内存储器（主存）外存储器外存储器(辅存辅存）0地址地址 存储单元存储单元1111110001000100000000000111111234.M-1计算机组成原理计算机组成原理l(1)(1)程序程序每每一一个个基基本本操操作作就就叫叫做做一一条条指指令令,而而解解算算某某一一问问题题的的一串指令序列一串指令序列,叫做该问题的叫做该问题的计算程序计算程序,简称为简称为程序程序。l(2)(2)指令的形式指令的形式 表表示示参参加加运运算算的的数数据据从从存存储储器器的的哪哪个个单单元元取取；运运算算的的结结果果应应存存到哪个单元到哪个单元操作码操作码地址码地址码指指出出指指令令所所进进行行的的操操作作，如如加加、减减、乘乘、除除、取取数数、存存数等数等3.3.控制器控制器l控控制制计计算算机机的的各各个个部部件件有有条条不不紊紊地地进进行行工工作作执行指令执行指令计算机组成原理计算机组成原理操作操作编码编码加法加法001001减法减法010010乘法乘法011011除法除法100100取数取数101101存数存数110110停机停机000000指令和数据的存储指令和数据的存储地址 存储单元0101 0111011 1010001 1000010 1001110 1011000 xxxx 12345 yxcba(二进制)96781011指令字数据字指指令令区区数数据据区区操作的编码操作的编码3.3.控制器控制器计算机组成原理计算机组成原理3.3.控制器控制器v“存储程序存储程序”：是把是把指令序列指令序列事先输入到存储器中事先输入到存储器中 v“程序控制程序控制”：当计算机启动后，程序就会控制计算机按规当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务v冯冯诺依曼型计算机的设计思想：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v指令系统：指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。一台计算机中所有机器指令的集合。（3 3）控制器的基本任务）控制器的基本任务 控制取指令和指令译码，这段时间称为取指周期；控制取指令和指令译码，这段时间称为取指周期；控制指令执行过程，这段时间称为执行周期；控制指令执行过程，这段时间称为执行周期；取指周期和执行周期交替发生；取指周期和执行周期交替发生；每取一条指令，指令计数器加每取一条指令，指令计数器加1。计算机组成原理计算机组成原理（4 4）指令流和数据流）指令流和数据流 l指令和数据统统放在内存中指令和数据统统放在内存中,怎么区分？怎么区分？从从形形式式上上看看,它它们们都都是是二二进进制制数数码码。一一般般来来讲讲，在在取取指指周周期期中中从从内内存存读读出出的的信信息息是是指指令令流流,它它流流向向控控制制器器；而而执执行行周周期期中中从从内内存存读读出出的的信信息息流流是是数据流数据流,它由内存流向运算器。它由内存流向运算器。3.3.控制器控制器演示控制器工作过程计算机组成原理计算机组成原理4.4.适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备l输输入入设设备备把把人人们们所所熟熟悉悉的的某某种种形形式式的的信信息息变变换换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。l输输出出设设备备把把计计算算机机处处理理的的结结果果变变换换为为人人或或其其它它机器所能接收和识别的信息形式。机器所能接收和识别的信息形式。lI/OI/O设备设备通常统称为通常统称为外围设备。外围设备。l适适配配器器(I/O(I/O接接口口)相相当当与与一一个个转转换换器器,它它可可以以保保证证外外围围设设备备用用计计算算机机所所要要求求的的形形式式发发送送或或接接受受信息。信息。l系系统统总总线线构构成成计计算算机机系系统统的的信信息息链链接接,是是多多个个系系统部件之间进行数据传送的公共通路。统部件之间进行数据传送的公共通路。计算机组成原理计算机组成原理l软软件件（珠珠算算口口诀诀）是是指指在在硬硬件件上上运运行行的的程程序序和和相相关关的数据及文档。的数据及文档。l硬硬件件是是软软件件的的工工作作基基础础，软软件件是是硬硬件件功功能能的的扩扩充充和和完完善善。两两者者相相互互依依存存，相相互互促促进进。软软件件与与硬硬件件的的结结合，构成完整的合，构成完整的计算机系统。计算机系统。计算机系统硬件系统软件系统计算机系统硬件系统软件系统计算机组成原理计算机组成原理1.4 1.4 计算机的软件计算机的软件 1.4.11.4.1软件的组成和分类软件的组成和分类软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用程序应用程序办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统浏览器浏览器实时控制软件实时控制软件诊断、排错程序诊断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统程序系统程序计算机组成原理计算机组成原理二、软件的发展演变l编程语言的发展编程语言的发展手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码汇编程序：机器语言的符号表示，汇编程序汇编程序：机器语言的符号表示，汇编程序高高级级程程序序：算算法法语语言言/高高级级语语言言，机机器器编编译译程程序序/解解释程序释程序计算机组成原理计算机组成原理操作系统l用用来来管管理理计计算算机机资资源源(如如处处理理器器、内内存存、外外部部设设备备和和各各种种编编译译、应应用用程程序序)和和自自动动调调度度用用户户的的作作业业程程序序,而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。l根根据据使使用用环环境境要要求求,操操作作系系统统大大致致分分为为批批处处理理操操作作系系统统、分时操作系统分时操作系统、网络操作系统网络操作系统、实时操作系统实时操作系统等多种。等多种。数据库管理系统l数数据据库库：实实现现有有组组织织地地、动动态态地地存存储储大大量量相相关关数数据据,方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。l数数据据库库管管理理系系统统：数数据据库库和和数数据据库库管管理理软软件件一一起起,组组成了数据库管理系统。成了数据库管理系统。计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM1.5计算机系统的层次结构第1层 微程序设计层第2层 一般机器层第3层 操作系统层第4层 汇编语言层第5层 高级语言层高级语言级高级语言级汇编语言级汇编语言级操作系统级操作系统级一般机器级一般机器级微程序设计级微程序设计级计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM计算机的层次结构l第一层：微程序设计级l硬件级，由机器硬件直接执行微指令。它由机器硬件直接执行微指令。如果某一应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM计算机的层次结构l第二层：一般机器级，也称机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。l这一级也是硬件级。计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM计算机的层次结构l第三层：操作系统级，也称为机器语言级，由操作系统程序实现。操作系统是由机器指令和广义的指令组成。l广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM计算机的层次结构l第四层：汇编语言层，它由汇编程序支持和执行。l它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM计算机的层次结构l第五层：面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。l它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。计算机组成原理计算机组成原理7/2/2024 11:43 PM 应用程序级汇编语言处理级操作系统级一般机器级微程序设计级12345应用程序汇编/编译程序 操作系统机器指令硬件 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
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