WENJI01基本原理

1、計(jì)算機(jī)基本原理計(jì)算機(jī)基本原理吳云芳吳云芳北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院wuyf_128/3328/33主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程2. 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類3. 存儲(chǔ)程序原理存儲(chǔ)程序原理4. 計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)5. 總線總線6. 時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率7. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)228/33第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于誕生于 1946年美國(guó)賓夕年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)，法尼亞大學(xué)， Electronic Numerical Integrator and Computer 體積：體積：90 立方米立方米重量：重量：30

2、噸噸占地：占地：170 平方米平方米耗電：耗電：140 千瓦千瓦器件：器件：1.8萬(wàn)個(gè)電子管萬(wàn)個(gè)電子管運(yùn)算速度：運(yùn)算速度：5000 次次/秒秒328/33計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代時(shí)時(shí) 間間1946195819581964196419711971主要電子器件主要電子器件電子管電子管晶體管晶體管中小規(guī)模集成中小規(guī)模集成電路電路大規(guī)模、超大大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路規(guī)模集成電路處理速度處理速度（指令數(shù)（指令數(shù)/秒）秒）幾千條幾千條幾百萬(wàn)條幾百萬(wàn)條幾千萬(wàn)條幾千萬(wàn)條數(shù)億條以上數(shù)億條以上微型化、能耗低、處理速度快、可靠性高、應(yīng)用廣微型化、能耗低、處理速

3、度快、可靠性高、應(yīng)用廣428/33摩爾定律摩爾定律1965 年摩爾預(yù)言：年摩爾預(yù)言：v半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管數(shù)將半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管數(shù)將每?jī)赡昝績(jī)赡攴环?。翻一番。微處理器的性能將每隔兩年提高一倍，而價(jià)格下微處理器的性能將每隔兩年提高一倍，而價(jià)格下降一倍。降一倍。 q發(fā)展方向：發(fā)展方向：更快、更小、更便宜。更快、更小、更便宜。528/33計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)q微型化微型化更高的集成度和更低的功耗更高的集成度和更低的功耗q巨型化巨型化更高速度的運(yùn)算和更大的存儲(chǔ)能力更高速度的運(yùn)算和更大的存儲(chǔ)能力q網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化更大范圍的網(wǎng)絡(luò)連接和更快捷的接入方式更大范圍的網(wǎng)絡(luò)連接和更快捷的接入方式

4、q智能化智能化更高級(jí)的人類認(rèn)知能力更高級(jí)的人類認(rèn)知能力628/33計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類按性能按性能1. 微處理器微處理器嵌入其他設(shè)備，作為嵌入其他設(shè)備，作為其控制中心其控制中心特點(diǎn)：體積小、低功耗、專用化特點(diǎn)：體積小、低功耗、專用化2. 微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)PC第第1臺(tái)臺(tái)PC 1978年的年的IBM-PC特點(diǎn)：廉價(jià)、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：廉價(jià)、網(wǎng)絡(luò)/多媒體、人性化多媒體、人性化728/33計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類按性能按性能3.大型計(jì)算機(jī)大型計(jì)算機(jī)用于大型企業(yè)、用于大型企業(yè)、事業(yè)單位，金融機(jī)構(gòu)作為集中事業(yè)單位，金融機(jī)構(gòu)作為集中計(jì)算和信息處理的計(jì)算機(jī)計(jì)算和信息處理的計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：高速度

5、、高可靠性、大特點(diǎn)：高速度、高可靠性、大容量容量4.巨型計(jì)算機(jī)巨型計(jì)算機(jī)用于尖端科學(xué)用于尖端科學(xué)技術(shù)研究、國(guó)家機(jī)關(guān)、軍事機(jī)技術(shù)研究、國(guó)家機(jī)關(guān)、軍事機(jī)構(gòu)構(gòu)特點(diǎn)：超高速度、超大容量特點(diǎn)：超高速度、超大容量 銀河銀河-1號(hào)巨型計(jì)算機(jī)號(hào)巨型計(jì)算機(jī)828/33回到回到1946美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼參加了諾依曼參加了ENIAC的研制工作，的研制工作，在他執(zhí)筆的在他執(zhí)筆的“101頁(yè)報(bào)告頁(yè)報(bào)告”中指出了中指出了“存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”原理：原理：v計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、邏輯控制裝置、存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、邏輯控制裝置、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成，應(yīng)采用二輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組

6、成，應(yīng)采用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，應(yīng)將程序也像數(shù)據(jù)一樣，用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，應(yīng)將程序也像數(shù)據(jù)一樣，用二進(jìn)制表示并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，以便能在程序進(jìn)制表示并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，以便能在程序的控制下自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。的控制下自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。這一思想被譽(yù)為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的這一思想被譽(yù)為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑里程碑，標(biāo)志著計(jì)算，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的真正開始。馮機(jī)時(shí)代的真正開始。馮諾依諾依曼被稱為曼被稱為“計(jì)算機(jī)之父計(jì)算機(jī)之父”。928/33馮馮諾依曼機(jī)諾依曼機(jī)計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成：計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成：q 控制器控制器q 運(yùn)算器運(yùn)算器q 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器q 輸入設(shè)備輸入設(shè)備q 輸出設(shè)備輸出設(shè)備v 由這五部分組成的計(jì)算機(jī)，一般稱

7、為由這五部分組成的計(jì)算機(jī)，一般稱為馮馮 諾依諾依曼機(jī)曼機(jī)，我們目前使用的計(jì)算機(jī)都是，我們目前使用的計(jì)算機(jī)都是馮馮 諾依曼機(jī)。諾依曼機(jī)。1028/33存儲(chǔ)程序原理存儲(chǔ)程序原理1.采用二進(jìn)制編碼形式表示數(shù)據(jù)和程序；采用二進(jìn)制編碼形式表示數(shù)據(jù)和程序；2.要執(zhí)行的程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)能夠要執(zhí)行的程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地依次從存儲(chǔ)器中取出指令執(zhí)行；自動(dòng)地依次從存儲(chǔ)器中取出指令執(zhí)行；3.計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本部件組成。備、輸出設(shè)備五大基本部件組成。1128/33計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸輸入入設(shè)

8、設(shè)備備輸輸出出設(shè)設(shè)備備運(yùn)運(yùn)算算器器控控制制器器輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指指令令地址地址狀態(tài)和請(qǐng)求狀態(tài)和請(qǐng)求命令和應(yīng)答命令和應(yīng)答狀態(tài)和請(qǐng)求狀態(tài)和請(qǐng)求命令和應(yīng)答命令和應(yīng)答1228/33輸入設(shè)備輸入設(shè)備v輸入設(shè)備是用來(lái)輸入數(shù)據(jù)和程序的裝置，輸入設(shè)備是用來(lái)輸入數(shù)據(jù)和程序的裝置，其功能是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器內(nèi)部其功能是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器內(nèi)部的表示形式并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部。的表示形式并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部。q常見(jiàn)的輸入設(shè)備包括：常見(jiàn)的輸入設(shè)備包括：鍵盤、鼠標(biāo)、掃鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、數(shù)字照相機(jī)描儀、數(shù)字照相機(jī)等。等。1328/33輸出設(shè)備輸出設(shè)備v輸出設(shè)備是用來(lái)輸出數(shù)據(jù)和程序的裝置，輸出設(shè)備

9、是用來(lái)輸出數(shù)據(jù)和程序的裝置，其功能是將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)其功能是將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)換成人們所需要的形式并傳送到計(jì)算機(jī)換成人們所需要的形式并傳送到計(jì)算機(jī)外部。外部。q常見(jiàn)的輸出設(shè)備包括：常見(jiàn)的輸出設(shè)備包括：顯示器、打印機(jī)、顯示器、打印機(jī)、繪圖儀繪圖儀等。等。1428/33存儲(chǔ)器的概念存儲(chǔ)器的概念q存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)器是用來(lái)保存數(shù)據(jù)和程序的裝置用來(lái)保存數(shù)據(jù)和程序的裝置。q廣義的存儲(chǔ)器包含內(nèi)存和硬盤，邏輯結(jié)廣義的存儲(chǔ)器包含內(nèi)存和硬盤，邏輯結(jié)構(gòu)上的存儲(chǔ)器僅指內(nèi)存。構(gòu)上的存儲(chǔ)器僅指內(nèi)存。1528/33存儲(chǔ)器的組成存儲(chǔ)器的組成q存儲(chǔ)器由一系列存儲(chǔ)器由一系列存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元組成，每一個(gè)組成，每一個(gè)存

10、儲(chǔ)單元有一個(gè)唯一的存儲(chǔ)單元有一個(gè)唯一的地址地址，所有的存，所有的存儲(chǔ)單元形成一個(gè)儲(chǔ)單元形成一個(gè)線性的存儲(chǔ)空間線性的存儲(chǔ)空間。q按地址存取按地址存取的工作方式：每次讀、寫存的工作方式：每次讀、寫存儲(chǔ)器時(shí)都必須首先給出存儲(chǔ)單元的地址，儲(chǔ)器時(shí)都必須首先給出存儲(chǔ)單元的地址，然后按照地址訪問(wèn)其中的內(nèi)容。然后按照地址訪問(wèn)其中的內(nèi)容。1628/33存儲(chǔ)器的圖示存儲(chǔ)器的圖示 x+y40501234地址地址 內(nèi)內(nèi) 容容存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元按地址存取按地址存取存儲(chǔ)容量用來(lái)描述存貯器所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的多少，單位存儲(chǔ)容量用來(lái)描述存貯器所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的多少，單位為字節(jié)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的容量一般為字節(jié)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的容量

11、一般為為4G、8G等等。1728/33運(yùn)算器運(yùn)算器v運(yùn)算器是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算（如加、減、乘、運(yùn)算器是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算（如加、減、乘、除等）和邏輯運(yùn)算（如非、與、或等）除等）和邏輯運(yùn)算（如非、與、或等）的裝置。的裝置。q核心組成部件是核心組成部件是算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元 (ALU，Arithmetic-Logic Unit)。1828/33控制器控制器v控制器是指揮和控制計(jì)算機(jī)的所有部件控制器是指揮和控制計(jì)算機(jī)的所有部件協(xié)調(diào)工作的裝置，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的控制協(xié)調(diào)工作的裝置，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的控制中樞，其功能是執(zhí)行指令。中樞，其功能是執(zhí)行指令。1928/33中央處理器中央處理器CPU圖示圖示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸輸入入

12、設(shè)設(shè)備備輸輸出出設(shè)設(shè)備備運(yùn)運(yùn)算算器器控控制制器器輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指指令令地址地址狀態(tài)和請(qǐng)求狀態(tài)和請(qǐng)求命令和應(yīng)答命令和應(yīng)答狀態(tài)和請(qǐng)求狀態(tài)和請(qǐng)求命令和應(yīng)答命令和應(yīng)答 CPU2028/33中央處理器中央處理器CPUv運(yùn)算器和控制器集成在一塊芯片上成為運(yùn)算器和控制器集成在一塊芯片上成為中央處理器中央處理器 CPU，其功能是解釋和執(zhí)行，其功能是解釋和執(zhí)行指令，是計(jì)算機(jī)的心臟。指令，是計(jì)算機(jī)的心臟。q經(jīng)常經(jīng)常用用 CPU的型號(hào)作為衡量計(jì)算機(jī)性的型號(hào)作為衡量計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，如能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，如 586，P4 等。等。2128/33總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器運(yùn)算器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸

13、入設(shè)備接口接口輸出設(shè)備輸出設(shè)備接口接口總線總線控制器控制器2228/33總線總線v總線（總線（bus）是指計(jì)算機(jī)部件與部件之間進(jìn)行）是指計(jì)算機(jī)部件與部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)囊唤M公共信號(hào)線，是能為計(jì)算機(jī)信息傳輸?shù)囊唤M公共信號(hào)線，是能為計(jì)算機(jī)的多個(gè)部件服務(wù)的公用的信息傳輸通路。的多個(gè)部件服務(wù)的公用的信息傳輸通路。1.用于傳送地址的總線稱為用于傳送地址的總線稱為地址總線地址總線。2.用于傳送數(shù)據(jù)的總線稱為用于傳送數(shù)據(jù)的總線稱為數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線。3.用于傳送狀態(tài)信號(hào)或命令信號(hào)的總線稱為用于傳送狀態(tài)信號(hào)或命令信號(hào)的總線稱為控控制總線制總線。2328/33時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率v系統(tǒng)時(shí)鐘周期性地發(fā)出脈沖式信號(hào)，為

14、各系統(tǒng)時(shí)鐘周期性地發(fā)出脈沖式信號(hào)，為各種操作建立同步信號(hào)。通常在一個(gè)脈沖周期種操作建立同步信號(hào)。通常在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)完成一個(gè)基本操作。內(nèi)，計(jì)算機(jī)完成一個(gè)基本操作。ABv系統(tǒng)時(shí)鐘所發(fā)出的信號(hào)的頻率稱為時(shí)鐘頻率，系統(tǒng)時(shí)鐘所發(fā)出的信號(hào)的頻率稱為時(shí)鐘頻率，通稱主頻。通稱主頻。CPU 的主頻即的主頻即CPU在一秒鐘內(nèi)能在一秒鐘內(nèi)能夠完成的工作周期數(shù)。夠完成的工作周期數(shù)。2428/33時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率q 時(shí)鐘頻率是計(jì)算機(jī)性能好壞的一個(gè)重要表征指標(biāo)。時(shí)鐘頻率是計(jì)算機(jī)性能好壞的一個(gè)重要表征指標(biāo)。一般而言，時(shí)鐘頻率越高，計(jì)算機(jī)速度越快。一般而言，時(shí)鐘頻率越高，計(jì)算機(jī)速度越快。q 時(shí)鐘頻率的單位是赫茲時(shí)鐘頻率的單位是赫茲Hz，兆赫兆赫MHz，千兆赫，千兆赫GHz，1 MHz 100萬(wàn)赫茲，萬(wàn)赫茲，1GHz=1000 MHz.2528/33計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成q硬件硬件：指組成計(jì)算機(jī)的各種：指組成計(jì)算機(jī)的各種電子和機(jī)械電子和機(jī)械裝置。裝置。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)。q軟件軟件：指發(fā)揮計(jì)算機(jī)功能的：指發(fā)揮計(jì)算機(jī)功能的程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂靈魂。q硬件軟件硬件軟件：兩者：兩者不可分割，相互結(jié)合不可分割，相互結(jié)合才能充分發(fā)揮電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能。才能充分發(fā)揮電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)