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1、计计算算机机组组成成结结构构教师：傅均教师：傅均班级：计科班级：计科1001/10021001/1002l本课程是计科专业的专业核心课程，主要介绍计算本课程是计科专业的专业核心课程，主要介绍计算机硬件系统的基本工作原理，包括计算机各主要部机硬件系统的基本工作原理，包括计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，从而对整个计算件的硬件结构、相互联系和作用，从而对整个计算机系统从硬件角度有完整的了解，为学习本专业后机系统从硬件角度有完整的了解，为学习本专业后继课程打下基础。继课程打下基础。l课时：课时：17周，周，3学时学时/周；实验另排周；实验另排l教材教材:唐朔飞，唐朔飞，计算机组成原理计算机
2、组成原理，高等教育出，高等教育出版社，第版社，第2版，版，2008年年1月月 l内容：第内容：第110章章l参考书目：参考书目：l 1、白中英，、白中英，计算机组成原理计算机组成原理，科学出版社，科学出版社，第第2版，版，2000年年6月月l 2、蒋本珊，、蒋本珊，计算机组成原理与体系结构计算机组成原理与体系结构，北，北京航空航天大学出版社，第京航空航天大学出版社，第1版，版，2000年年7月月l期末总评成绩：平时期末总评成绩：平时(上课上课/作业作业)成绩成绩30，期末考，期末考试试70%第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.4 本书结构本书结构1.3
3、 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.1 计算机系统简介计算机系统简介由事先编制的具有各类特由事先编制的具有各类特殊功能的信息殊功能的信息(程序程序)组成组成1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体部分，各类计算机的实体部分，各类光、电、机设备实物组成光、电、机设备实物组成如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作
4、系统服务程序服务程序数据库管理系统数据库管理系统（监视服务，系统资源合理调度）（监视服务，系统资源合理调度）软软件件1.1计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行1.12.计算机的解题过程计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M01.1用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用
5、机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件1.1虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性即概念性的结构与功能特性即概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成如何实现计算机体系结构所体现的属性如何实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令集、数据类型、寻址技术、（指令集、数据类型、寻址技术、I
6、/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）1.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点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
7、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1.2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1.2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二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.21.以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2.现代
8、计算机硬件框图现代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输出设备输出设备控制器控制器1.2ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0,1,2,)()(21nyn xynx=+=指令指令 每每 一个步骤一个步骤1.2三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器
9、中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中=(ax +b)x +c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2+bx+c1.2编程举例编程举例000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例1.2操作码操作码地址码地址码 打印机打印机指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令
10、指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2+bx+c,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2+bx+c,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数
11、据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果1.2计算计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）楼楼层层 房间房间（无人（无人/有人）有人）(1)存储器的基本组成存储器的基本组成1.2MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的
12、工作过程计算机的工作过程MARMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR =4 位位 MDR =8 位位1.2存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长(1)存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程1.2运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高
13、位乘积低位乘积低位运算器运算器MQACCALUXACC 被加数被加数ACC初态初态 加法操作过程加法操作过程1.2 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加M1.2 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减MACC 被减数被减数ACC初态初态 M XX ACC-X ALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 1.2MQ M MQ指令指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 1.2 ACCX
14、ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX 除法操作过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCUPC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（具有计数功能（PC）+1 1 PCIR 存放当前执行的指令存放当前执行的指令完成完成一条一条指令指令1.2(3)控制器的基本组成控制器的基本组成CU 控制单元控制单元PCIRCU12356789以取数指令为例以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器
15、MQACCALUXI/O设设备备12356798以存数指令为例以存数指令为例41.2(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备(5)ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+1 PC1 PC 执行指令执行指令 1.2MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCU
16、CUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长2.运算速度运算速度CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关=ni=1fi tiTM 吉普森法吉普森法普通法普通法 执行一条加法或乘法所需时间执行一条加法或乘法所需时间每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS221 =256 KB213 =1 KB如如3.
17、存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1.31K=210 1B=23b1GB=2301 K 8位位64 K 32位位第第篇篇 概论概论1.4 本书结构本书结构计算机计算机1.4 本书结构本书结构第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器第第篇篇 CPU计算机计算机I/
18、O系统总线系统总线存储器存储器CPU1.4 本书结构本书结构 CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻辑控制控制存储器存储器第篇第篇 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用2.3 计算机的展望计算机的展望2.2 计算机的应用计算机的应用2.1 计算机的发展史计算机的发展史2.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150
19、301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)2.1硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管
20、电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一2.1第一台第一台von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机2.1IBM System360 2.12.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）1.IBM Roadrunner（走鹊走鹊）129 600 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 1 105 000 GFLOPS2.Cray XT5 Jaguar（美洲虎）（美洲虎）150 152 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 1 059 000 GFLOPS2.1最快的
21、五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）2.13.IBM JUGENE-Blue Gene/P 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）294 912 个个计算核心计算核心 最大平均速度最大平均速度 825 500 GFLOPS2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）4.SGI Pleiades系统系统51 200 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 487 005 GFLOPS 2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）5.IBM BlueG
22、ene/L系统系统212 992 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS2.1最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 http:/www.top500.org二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位2.1Moore 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
23、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2.1Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pe
24、ntium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2.12007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个个晶体管晶体管 三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java
25、适应网络环境适应网络环境 1.各种语言各种语言2.12.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件2.13.软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档2.12.2
26、 计算机的应用计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能2.22.3 计算机的展望计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能智能自组织、自适应、自联想、自修复自组织、自适应、自联想、自修复二、微处理器主频与集成度密切相关，而芯二、微处理器主频与集成度密切相关，而芯片集成度的提高受以下三方面的限制片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟三、？替代传统的硅芯片三、？替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制DNA分子间的生化反应分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性2.3课后作业lP19 习题 1、3、5、6、11lP38 习题 3 l预习p4166内容