第1章 平面設(shè)計基本

1、計計 算算 機機 組組 成成 原原 理理 主講主講 盧青華盧青華2 / 42計算機組成原理自我介紹自我介紹姓姓 名：盧青華名：盧青華辦公地點：軟件工程系辦公地點：軟件工程系答疑時間：星期二答疑時間：星期二15:0015:0017:0017:00星期四星期四15:0015:0017:00 17:00 E - mail： 3 / 42計算機組成原理課程介紹課程介紹課程名稱：課程名稱：計算機組成原理計算機組成原理課程代碼：課程代碼：LM1001LM1001課程學(xué)時：課程學(xué)時：6868學(xué)學(xué) 分：分：4 4課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)4 / 42計算機組成原理本課程的性質(zhì)、地位和作用本課程的性質(zhì)

2、、地位和作用 計算機組成原理計算機組成原理課程是計算機相關(guān)專業(yè)課程是計算機相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課程，是一門理論和實踐都很強的課學(xué)生的必修課程，是一門理論和實踐都很強的課程。理解計算機的體系結(jié)構(gòu)，從計算機系統(tǒng)的角程。理解計算機的體系結(jié)構(gòu)，從計算機系統(tǒng)的角度進一步加強對計算機整機概念的理解，為后續(xù)度進一步加強對計算機整機概念的理解，為后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及日后的求職做好鋪墊。的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及日后的求職做好鋪墊。5 / 42計算機組成原理教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求 通過課程的學(xué)習(xí)，了解計算機的組成、工通過課程的學(xué)習(xí)，了解計算機的組成、工作原理及應(yīng)用，掌握各組成部分之間的聯(lián)系，作原理及應(yīng)用，掌握

3、各組成部分之間的聯(lián)系，包含總線、存儲器和輸入輸出系統(tǒng)以及包含總線、存儲器和輸入輸出系統(tǒng)以及CPUCPU的內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。部結(jié)構(gòu)和功能。 對計算機的體系結(jié)構(gòu)有較好的理解，具有一對計算機的體系結(jié)構(gòu)有較好的理解，具有一定的靈活分析問題、解決問題的能力。定的靈活分析問題、解決問題的能力。 6 / 42計算機組成原理課程內(nèi)容課程內(nèi)容n第第1章章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論n第第2章章 運算方法和運算器運算方法和運算器 n第第3章章 多層次的存儲器多層次的存儲器 n第第4章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)n第第5章章 中央處理機中央處理機n第第6章章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)n第第7章章 外圍設(shè)備外圍設(shè)備n第第8章章

4、輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)（ 第第9章了解章了解 ）7 / 42計算機組成原理課程考核標準課程考核標準考核內(nèi)容考核內(nèi)容分數(shù)分數(shù)百分比百分比平平時時成成績績作業(yè)作業(yè)101010%10%實驗及課程設(shè)計實驗及課程設(shè)計101010%10%考勤考勤101010%10%期末考試期末考試707070%70%本門課程的最終成績?yōu)楦黜棾煽冎?。本門課程的最終成績?yōu)楦黜棾煽冎汀?8 / 42計算機組成原理課程采用的教材、參考書課程采用的教材、參考書教材：教材：計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，白中英，白中英 主編，主編， 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2011.12參考書：參考書：計算機組成原理計算機組成原理

5、，唐碩飛主編，高等教育出版社，唐碩飛主編，高等教育出版社，2008.12008.1計算機組成技術(shù)教程計算機組成技術(shù)教程，李，李 東、黃慶成東、黃慶成 編著，電子工業(yè)出版社，編著，電子工業(yè)出版社，2011.62011.69 / 42計算機組成原理下載課件下載課件ftp:/ :kjdownkjdown找到軟件工程系找到軟件工程系 在目錄在目錄“盧青華盧青華”下載相應(yīng)的課件下載相應(yīng)的課件10 / 42計算機組成原理11 / 42計算機組成原理1. 1 計算機的分類計算機的分類1. 2 計算機的發(fā)展簡史計算機的發(fā)展簡史1. 3 計算機的硬件計算機的硬件 1. 4 計算機的軟件計算機的軟件1. 5 計算

6、機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)12 / 42計算機組成原理n掌握計算機分類的主要準則。掌握計算機分類的主要準則。n理解解計算機的發(fā)展簡史、微處理器的發(fā)展歷程理解解計算機的發(fā)展簡史、微處理器的發(fā)展歷程。n掌握計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成的概念。掌握計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成的概念。n掌握馮掌握馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，計算機硬件的五個主要部諾依曼結(jié)構(gòu)，計算機硬件的五個主要部分。分。n理解計算機軟件的組成與分類。理解計算機軟件的組成與分類。13 / 42計算機組成原理一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。一、電子計算機從總體上來說分為兩大類。n電子模擬計算機。模擬計算機的特點是數(shù)值由連電子模擬計算機。模

7、擬計算機的特點是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。續(xù)量來表示，運算過程也是連續(xù)的。n電子數(shù)字計算機，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來電子數(shù)字計算機，它是在算盤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的，是用數(shù)目字來表示數(shù)量的大小。數(shù)字計算機的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算的主要特點是按位運算，并且不連續(xù)地跳動計算。14 / 42計算機組成原理二、數(shù)字計算機分類二、數(shù)字計算機分類 n數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運數(shù)字計算機根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：行的經(jīng)濟性和適應(yīng)性來劃分，可以劃分為兩類：n專用計算機：專用機

8、是最有效、最經(jīng)濟和最快速專用計算機：專用機是最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。的計算機，但是它的適應(yīng)性很差。n通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧通用計算機：通用計算機適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。牲了效率、速度和經(jīng)濟性。15 / 42計算機組成原理三、通用計算機分類三、通用計算機分類 n通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性通用計算機根據(jù)體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等可以分為：價格等可以分為：超級計算機超級計算機大型機大型機服務(wù)器服務(wù)器工作站工作站微型機微型機單片機單片機16

9、 / 42計算機組成原理帕斯卡的加法機帕斯卡的加法機古老的計算工具古老的計算工具算盤算盤 萊布尼茲的演算機萊布尼茲的演算機 巴貝奇差分機巴貝奇差分機巴貝奇分析機巴貝奇分析機早期的計算機器早期的計算機器17 / 42計算機組成原理圖靈（圖靈（Turing）馮馮諾依曼諾依曼（John Von Neuman）18 / 42計算機組成原理n第一代為第一代為19461957年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理理n第二代為第二代為19581964年，晶體管計算機：工業(yè)控年，晶體管計算機：工業(yè)控制制n第三代為第三代為19651971年，中小規(guī)模集成電路計算年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機

10、機：小型計算機n第四代為第四代為19721990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機電路計算機：微型計算機n第五代為第五代為1991年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機年開始，巨大規(guī)模集成電路計算機19 / 42計算機組成原理n第一代計算機（第一代計算機（1946-19571946-1957）電子管時代）電子管時代 ENIAC ENIAC（Electronic Numerical Electronic Numerical Integrator and CalculatorIntegrator and Calculator） EDVAC EDVAC（Electroni

11、c Discrete Variable Electronic Discrete Variable Automatic ComputerAutomatic Computer）運算速度：每秒幾千次。運算速度：每秒幾千次。19541954年，第年，第1 1個高級程序設(shè)計語言個高級程序設(shè)計語言FortranFortran問問世世20 / 42計算機組成原理世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機 ENIAC(1946)ENIAC(1946)21 / 42計算機組成原理n第二代計算機（第二代計算機（1958-19641958-1964）晶體管時代）晶體管時代n計算機的應(yīng)用從科學(xué)計算，擴展到：數(shù)據(jù)處理

12、和計算機的應(yīng)用從科學(xué)計算，擴展到：數(shù)據(jù)處理和過程控制。過程控制。n Algol 60 Algol 60 高級程序設(shè)計語言問世高級程序設(shè)計語言問世n計算機的運算速度達到：幾萬到幾十萬次每秒。計算機的運算速度達到：幾萬到幾十萬次每秒。22 / 42計算機組成原理n第三代計算機（第三代計算機（1965-19711965-1971）集成電路時代）集成電路時代集成電路集成電路(Integrated Circuits, IC)(Integrated Circuits, IC)代替分立元代替分立元件。件。IBM System 360 IBM System 360 系列機問世。系列機問世。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(

13、Operating System )( Operating System )日益成熟。日益成熟。半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器 開始替代開始替代 磁芯存儲器。磁芯存儲器。小型計算機走進市場。小型計算機走進市場。計算機的運算速度最高可達：幾千萬次每秒計算機的運算速度最高可達：幾千萬次每秒23 / 42計算機組成原理n第四代計算機（第四代計算機（1972-19901972-1990）大規(guī)模集成電路）大規(guī)模集成電路時代時代現(xiàn)代計算機技術(shù)基本成熟，并行計算機得到廣現(xiàn)代計算機技術(shù)基本成熟，并行計算機得到廣泛的重視。泛的重視?；谙蛄坎⑿刑幚砑夹g(shù)的基于向量并行處理技術(shù)的Cray-1Cray-1是人類首次獲是人類

14、首次獲得每秒得每秒1 1億次的運算速度。億次的運算速度。微處理器和微型計算機問世。微處理器和微型計算機問世。24 / 42計算機組成原理n第五代計算機（第五代計算機（1991-1991-至今）巨大規(guī)模集成電至今）巨大規(guī)模集成電路計算機路計算機每秒每秒1010億次的運算速度。億次的運算速度。25 / 42計算機組成原理n半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展存儲器容量: 存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目。存儲器容量越大，記憶的二進制數(shù)越多。n微處理器的發(fā)展微處理器的發(fā)展處理機字長: 指處理機運算器中一次能夠完成二進制數(shù)運算的位數(shù)。字長越長，表示計算的精度越高。26 / 42計算機組成原理n每每18個月

15、微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量擴大個月微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量擴大一倍，計算機的性能將翻一番，而芯片的一倍，計算機的性能將翻一番，而芯片的價格保持不變價格保持不變27 / 42計算機組成原理n科學(xué)與工程計算（或數(shù)值計算）科學(xué)與工程計算（或數(shù)值計算） n數(shù)據(jù)處理（或信息處理）數(shù)據(jù)處理（或信息處理） n過程控制過程控制n輔助技術(shù)（輔助技術(shù)（ CAD/CAM/CIMS /CAE）n智能模擬智能模擬n網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)通信n圖形圖形/圖像處理圖像處理 28 / 42計算機組成原理1、電子計算機的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾代？每一代的特征、電子計算機的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾代？每一代的特征是什么？是什么？2、簡述微處理器和微型計算機發(fā)

16、展的五個階段及各、簡述微處理器和微型計算機發(fā)展的五個階段及各個階段的特征。個階段的特征。29 / 42計算機組成原理一、硬件組成要素一、硬件組成要素通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要通過一個例子我們來了解數(shù)字計算機的主要組成和工作原理。組成和工作原理。假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，假設(shè)給一個算盤、一張帶有橫格的紙和一支筆，要求我們計算要求我們計算y=ax+b-cy=ax+b-c這樣一個題目。這樣一個題目。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。解題步驟和數(shù)據(jù)記錄在橫格紙上，請看過程。30 / 42計算機組成原理31 / 42計算機組成原理二、數(shù)字計算機基本組成二、數(shù)字計算機基本

17、組成n控制器：人的大腦的操作控制功能控制器：人的大腦的操作控制功能n運算器：人的大腦的計算功能運算器：人的大腦的計算功能n存儲器：人的大腦記憶功能存儲器：人的大腦記憶功能n輸入設(shè)備：交互接口，筆輸入設(shè)備：交互接口，筆n輸出設(shè)備：交互接口，紙輸出設(shè)備：交互接口，紙32 / 42計算機組成原理三、馮三、馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機 存儲程序存儲程序按地址自動執(zhí)行按地址自動執(zhí)行 五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸五大部件：包括控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備入設(shè)備、輸出設(shè)備以運算器為中心以運算器為中心33 / 42計算機組成原理馮馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機存儲器輸出輸入運算器控

18、制器數(shù)據(jù)信號控制信號地址信號34 / 42計算機組成原理四、運算器四、運算器n算術(shù)運算和邏輯運算算術(shù)運算和邏輯運算n在計算機中參與運算的數(shù)是二在計算機中參與運算的數(shù)是二進制的進制的n運算器的長度一般是運算器的長度一般是8 8、1616、3232或或6464位位運算電路單元寄存器B累加器A35 / 42計算機組成原理五、存儲器五、存儲器n存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）存儲數(shù)據(jù)和程序（指令）n容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）容量（存儲單元、存儲單元地址、容量單位）n分類內(nèi)存（分類內(nèi)存（ROMROM、RAMRAM）、外存）、外存n存儲器單位：存儲器單位：2 21010 1K1K2 21010 K K

19、1M1M2 21010 M M1G1G2 210 10 G G1T1T36 / 42計算機組成原理六、控制器六、控制器n控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期期n控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)控制器完全可以區(qū)分開哪些是指令字，哪些是數(shù)據(jù)字。字。37 / 42計算機組成原理七、七、I/OI/O設(shè)備設(shè)備n輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機輸入設(shè)備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式器內(nèi)部所能接收和識別

20、的二進制信息形式n輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式器設(shè)備所能接收和識別的信息形式n總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之總線：構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。38 / 42計算機組成原理一、軟件的組成與分類一、軟件的組成與分類n計算機軟件主要有兩大類：計算機軟件主要有兩大類：n系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提系統(tǒng)軟件：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途。用途。n它包括以下四類：各種服務(wù)性程序、語言程序它包括以下四類：各種服務(wù)性程序、語言程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)n應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制應(yīng)用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序。的程序。39 / 42計算機組成原理一、多級計算機系統(tǒng)一、多級計算機系統(tǒng) 計算機