計算機組成技術(shù)ch1

1、1.12021-12-27計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院硬件教研室硬件教研室劉松波劉松波1.22021-12-27第一部分第一部分 計算機原理計算機原理第二部分第二部分 匯編語言程序設(shè)計匯編語言程序設(shè)計第三部分第三部分 微型計算機接口技術(shù)微型計算機接口技術(shù)1.32021-12-271. 上課出勤，并認(rèn)真聽課，遵守課堂紀(jì)律。上課出勤，并認(rèn)真聽課，遵守課堂紀(jì)律。2. 按時、按量、認(rèn)真地完成作業(yè)。按時、按量、認(rèn)真地完成作業(yè)。3. 預(yù)習(xí)實驗、撰寫實驗報告，方可參加實驗。預(yù)習(xí)實驗、撰寫實驗報告，方可參加實驗。4. 課后要閱讀相關(guān)參考書。課后要閱讀相關(guān)參考書。1.42021-12-27 課程成績

2、通過三方面考核：課程成績通過三方面考核： 考試成績占：考試成績占： 80% 平時成績占：平時成績占： 10% 實驗課成績占：實驗課成績占： 10% 總計滿分為總計滿分為100分。分。 但是沒有平時成績或?qū)嶒炚n成績，考但是沒有平時成績或?qū)嶒炚n成績，考試成績無效。試成績無效。 1.52021-12-27n建議在課堂上提問建議在課堂上提問n每周答疑每周答疑n期末安排集中答疑。期末安排集中答疑。1.62021-12-271. 1 電子計算機的產(chǎn)生與發(fā)展電子計算機的產(chǎn)生與發(fā)展1. 2 微型電子計算機的發(fā)展微型電子計算機的發(fā)展1. 3 我國電子計算機的發(fā)展我國電子計算機的發(fā)展1. 4 電子計算機的基本組成

3、與結(jié)構(gòu)電子計算機的基本組成與結(jié)構(gòu)1. 5 電子計算機的分類與性能評價電子計算機的分類與性能評價1. 6 電子計算機的特點及應(yīng)用電子計算機的特點及應(yīng)用1. 7 電子計算機的新進(jìn)展電子計算機的新進(jìn)展1.72021-12-27課程簡介指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)軟件硬件指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)1.82021-12-27課程簡介結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)三者關(guān)系結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)三者關(guān)系H軟、硬件分界面軟、硬件分界面邏輯實現(xiàn)邏輯實現(xiàn)物理實物理實現(xiàn)現(xiàn)H相互聯(lián)系相互影響：結(jié)構(gòu)決定組成，相互聯(lián)系相互影響：結(jié)構(gòu)決定組成，組成決定實現(xiàn)，反之又影響前者組成決定實現(xiàn)，反之又影響前者H互相滲透：微程序控制，軟件思想進(jìn)

4、互相滲透：微程序控制，軟件思想進(jìn)入硬件設(shè)計入硬件設(shè)計；1.92021-12-27課程簡介例：乘法指令例：乘法指令H是否包含乘法指令；（結(jié)構(gòu)是否包含乘法指令；（結(jié)構(gòu)H如何實現(xiàn)乘法指令；（組成如何實現(xiàn)乘法指令；（組成H乘法器的物理實現(xiàn)；（實現(xiàn)乘法器的物理實現(xiàn)；（實現(xiàn)1.102021-12-27課程簡介軟件類軟件類硬件類硬件類 高級語言程序設(shè)計高級語言程序設(shè)計 匯編語言程序設(shè)計匯編語言程序設(shè)計( (清清華華) )數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 計算計算機組成原理（高教機組成原理（高教） 編譯原理編譯原理操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 接口技術(shù)（華中）接口技術(shù)（華中）1.112021-12-27計算工具擴(kuò)展并延

5、伸了人腦的功能計算工具擴(kuò)展并延伸了人腦的功能n手動計算工具：算盤，算籌。手動計算工具：算盤，算籌。n機械式計算工具：手搖臺式計算機機械式計算工具：手搖臺式計算機1.1642年，法數(shù)學(xué)家年，法數(shù)學(xué)家Pascal 始創(chuàng)始創(chuàng)2.1674年，德數(shù)學(xué)家年，德數(shù)學(xué)家Leibnitz 改進(jìn)改進(jìn)3.1812年，英數(shù)學(xué)家年，英數(shù)學(xué)家Babbage 分析機分析機n機電式計算工具：機電式計算工具：1944年艾肯研制成功年艾肯研制成功MARK- I (電動、齒輪、繼電器構(gòu)成電動、齒輪、繼電器構(gòu)成)1.122021-12-27第一代計算機：電子管計算機第一代計算機：電子管計算機第二代計算機：晶體管計算機第二代計算機：晶

6、體管計算機第三代計算機：集成電路計算機第三代計算機：集成電路計算機第四代計算機：大規(guī)模集成電路計算第四代計算機：大規(guī)模集成電路計算機機1.132021-12-27 圖圖 靈靈（Alan Turing）馮馮諾依曼諾依曼（John Von Neuman）1.142021-12-27“圖靈機圖靈機”：19371937年提出，現(xiàn)代計算機的理論模型；（理想計算機年提出，現(xiàn)代計算機的理論模型；（理想計算機的數(shù)學(xué)模型、可計算性）的數(shù)學(xué)模型、可計算性） ；圖靈測試1.152021-12-27最簡單的來說 馮氏的精髓貢獻(xiàn)是2點：二進(jìn)制思想與存儲程序思想1.162021-12-27 第一代計算機（第一代計算機（1

7、946-1958）：電子管時代）：電子管時代 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）運算速度：每秒幾千次。運算速度：每秒幾千次。1954年，第年，第1個高級程序設(shè)計語言個高級程序設(shè)計語言Fortran問問世。世。1.172021-12-27世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機 ENIAC(1946)1.182021-12-27ENIAC:電子管：180005000次/秒140kW1.192021-12-27 第

8、二代計算機第二代計算機（1958-1965）：晶體管時代：晶體管時代計算機的應(yīng)用從科學(xué)計算，擴(kuò)展到：數(shù)據(jù)處計算機的應(yīng)用從科學(xué)計算，擴(kuò)展到：數(shù)據(jù)處理和過程控制。理和過程控制。Algol 60 高級程序設(shè)計語言問世高級程序設(shè)計語言問世計算機的運算速度達(dá)到：幾萬到幾十萬次每計算機的運算速度達(dá)到：幾萬到幾十萬次每秒。秒。1.202021-12-27 第三代計算機第三代計算機（1965-1970）：集成電路時代：集成電路時代集成電路集成電路(Integrated Circuits, IC)代替分立元件。代替分立元件。IBM System 360 系列機問世。系列機問世。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)( OS, Ope

9、rating 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(jìn)市場。小型計算機走進(jìn)市場。計算機的運算速度最高可達(dá)：幾千萬次每秒。計算機的運算速度最高可達(dá)：幾千萬次每秒。1.212021-12-27第四代計算機（第四代計算機（1971- ）：大規(guī)模集成電路時代）：大規(guī)模集成電路時代現(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應(yīng)用。泛的應(yīng)用?；谙蛄坎⑿刑幚砑夹g(shù)的基于向量并行處理技術(shù)的Cray-1使人類首次獲使人類首次獲得每秒得每秒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異軍

10、突起。微處理器和微型計算機異軍突起。1.222021-12-27最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2014.06）1. .天河二號天河二號 (國防科大，廣州中心國防科大，廣州中心CPU: 3120000個個;速度速度: 33862Tflop1.232021-12-272、美國能源部國家實驗室的、美國能源部國家實驗室的“泰坦泰坦”最快的超級計算機最快的超級計算機（截止到（截止到 2014.06）CPU: 560640個；速度個；速度: 17590TFlops1.242021-12-27最快超級計算機最快超級計算機其他參考：其他參考：最權(quán)威的超級計算機排名的參考網(wǎng)址最權(quán)威的超級計算

11、機排名的參考網(wǎng)址1.252021-12-271.262021-12-271.272021-12-27第五代計算機第五代計算機？1.282021-12-27第一代（第一代（1971-1972）4位的微處理器位的微處理器 開山之作：開山之作：Intel 4004 通用微處理器：通用微處理器：Intel 40401.292021-12-27第二代（第二代（1972-1977）8位的微處理器和微型電子計算機位的微處理器和微型電子計算機代表機型：代表機型： Intel 8008 ， 8080Motorola M6800 ， M6809 Zilog Z801.302

12、021-12-27第三代（第三代（1978-1983）16位的微處理器和微型電子計算機位的微處理器和微型電子計算機代表機型：代表機型： Intel 8086 , 80286Motorola MC 68000 , MC 68010 Zilog Z80001.312021-12-27第四代（第四代（1984- ）32位的微處理器和微型電子計算機位的微處理器和微型電子計算機代表機型：代表機型： Motorola MC68020 Intel 80386, 80486, Pentium X IBM PowerPC1.322021-12-27Moores Law 每每18個月微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)個月微處

13、理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量擴(kuò)大一倍，計算機的性能將翻一番，量擴(kuò)大一倍，計算機的性能將翻一番，而芯片的價格保持不變。而芯片的價格保持不變。1.332021-12-27每每1818個月微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量擴(kuò)大一倍，計個月微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量擴(kuò)大一倍，計算性能翻一番，而價格保持不變。算性能翻一番，而價格保持不變。1.342021-12-27微處理器的發(fā)展趨勢1.352021-12-27處理器、DRAM1.362021-12-271956年，年，“12年科技發(fā)展規(guī)劃年科技發(fā)展規(guī)劃”。同年，。同年，哈工大、清華大學(xué)創(chuàng)建哈工大、清華大學(xué)創(chuàng)建“計算機專業(yè)計算機專業(yè)”（1957年年1月，制成我國第一臺比較完

14、整的結(jié)構(gòu)式電子模擬計算機。月，制成我國第一臺比較完整的結(jié)構(gòu)式電子模擬計算機。 1973年，中國第一臺百萬次集成電路電子年，中國第一臺百萬次集成電路電子計算機計算機“150機機”研制成功。研制成功。1983年，銀河年，銀河I號巨型計算機研制成功，運號巨型計算機研制成功，運算次數(shù)達(dá)到每秒算次數(shù)達(dá)到每秒1億次。億次。1984年，第一臺國產(chǎn)年，第一臺國產(chǎn)16位微機位微機-長城長城0520正式推出。正式推出。1.372021-12-271993年，第一臺年，第一臺10億次巨型銀河計算機億次巨型銀河計算機II型型通過鑒定，并于次年在國家氣象局投入正通過鑒定，并于次年在國家氣象局投入正式運行式運行1995年

15、，曙光年，曙光1000型大型機通過鑒定，其峰型大型機通過鑒定，其峰值可以達(dá)到每秒值可以達(dá)到每秒25億次億次1997年，銀河年，銀河III并行巨型機研制成功并行巨型機研制成功1999年，銀河四代巨型機研制成功年，銀河四代巨型機研制成功2000年，年， “神威神威”高性能計算機研制成功高性能計算機研制成功1.382021-12-27由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息（程序）組成。的信息（程序）組成。計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，如主機、計算機的實體，如主機、外部設(shè)備（外設(shè)）等。外部設(shè)備（外設(shè)）等。1.4.1 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成 （1）硬件硬件軟件軟件1.39202

16、1-12-27主主 機機中央處理單元中央處理單元CPU1.4.1 計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（2）運算器運算器控制器控制器主存儲器主存儲器1.402021-12-27外外 設(shè)設(shè)I/O設(shè)備設(shè)備1.4.1 計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（3）輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲器輔助存儲器1.412021-12-27按任務(wù)需要編制成的各種程序按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng)用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件語言處理程序語言處理程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)服務(wù)性程序服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件1.4220

17、21-12-27高級語言高級語言虛擬機器虛擬機器 M3匯編語言匯編語言虛擬機器虛擬機器 M2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機器虛擬機器機器語言機器語言實際機器實際機器 M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機器微程序機器 M01.432021-12-27用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語言程序成匯編語言程序用匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機器語言程序成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機器虛擬機器 M4虛擬機器虛擬機器 M3虛擬機器虛擬機器 M2實際機器實際機器 M1微程序機器微程序機器 M

18、01.442021-12-271.5.1電子計算機電子計算機的分類的分類從電子計算機的內(nèi)部實現(xiàn)來分從電子計算機的內(nèi)部實現(xiàn)來分1.模擬式電子計算機模擬式電子計算機2.數(shù)字式電子計算機數(shù)字式電子計算機按設(shè)計目的：按設(shè)計目的：1.專用電子計算機專用電子計算機2.通用電子計算機通用電子計算機1.452021-12-27從電子計算機的性能來分從電子計算機的性能來分1.微型電子計算機微型電子計算機2.小型電子計算機小型電子計算機3.中型電子計算機中型電子計算機4.大型電子計算機大型電子計算機5.超級電子計算機超級電子計算機1.462021-12-27從電子計算機的用途來分從電子計算機的用途來分1.個人電子

19、計算機個人電子計算機2.工業(yè)控制電子計算機工業(yè)控制電子計算機3.軍用電子計算機軍用電子計算機4.嵌入式電子計算機嵌入式電子計算機5. 等等等等1.472021-12-271.基本字長：基本字長：8位，位，16位，位， 32位，位，64位位2.主存容量：主存容量： 主存容量主存容量 = 存儲單元數(shù)存儲單元數(shù) * 字長字長3.存取周期：存取周期：目前半導(dǎo)體存儲器的存取周期約為目前半導(dǎo)體存儲器的存取周期約為60ns。4.運算速度：運算速度：1.482021-12-274.4.運算速度運算速度= =ni = =1fi tiTM吉普森法吉普森法主頻主頻執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)

20、CPICPI每秒浮點運算次數(shù)每秒浮點運算次數(shù)FLOPSFLOPS每秒執(zhí)行百萬條指令每秒執(zhí)行百萬條指令MIPSMIPS1.492021-12-275.系統(tǒng)配置：系統(tǒng)配置：軟件配置，外設(shè)配置軟件配置，外設(shè)配置6.CPU主頻：主頻：主頻提高，速度提高，但功耗增加主頻提高，速度提高，但功耗增加7.軟件兼容性：軟件兼容性：向上兼容，向下兼容。向上兼容，向下兼容。8.特性：特性：可靠性，可用性，可維護(hù)性，完整性、安可靠性，可用性，可維護(hù)性，完整性、安全性全性。9.可伸縮性：可伸縮性：可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性10. 用戶關(guān)注的任何指標(biāo)。用戶關(guān)注的任何指標(biāo)。1.502021-12-27 1.6.1 電子計算機的特點電

21、子計算機的特點1.能在程序的控制下自動連續(xù)地工作能在程序的控制下自動連續(xù)地工作2.具有很強的具有很強的“記憶記憶”功能功能3.運算速度快，計算精度高運算速度快，計算精度高4.具有邏輯判斷能力具有邏輯判斷能力5.通用性強通用性強1.512021-12-27l科學(xué)計算科學(xué)計算l數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l過程控制和實時控制過程控制和實時控制lCAD / CAM / CIMSl智能模擬智能模擬l網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)通信l多媒體技術(shù)多媒體技術(shù)1.522021-12-27 CAD(Computer Aided Design)計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計是指按設(shè)計任務(wù)書的要求，利用計算機進(jìn)行各種是指按設(shè)計任務(wù)書的要求，利用

22、計算機進(jìn)行各種設(shè)計方案的比較，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形尺寸、材設(shè)計方案的比較，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形尺寸、材料選擇、模擬組裝；再對模擬整機進(jìn)行各種性能料選擇、模擬組裝；再對模擬整機進(jìn)行各種性能測試，包括強度分析、振動分析、運動狀態(tài)分析測試，包括強度分析、振動分析、運動狀態(tài)分析等；并任意修正，最后從性能的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)的等；并任意修正，最后從性能的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)的合理性、加工的可行性等方面進(jìn)行論證，獲得最合理性、加工的可行性等方面進(jìn)行論證，獲得最終的設(shè)計產(chǎn)品，大大降低了產(chǎn)品設(shè)計的成本，縮終的設(shè)計產(chǎn)品，大大降低了產(chǎn)品設(shè)計的成本，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，最大限度地降低了產(chǎn)品設(shè)短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，最大限度地降低了產(chǎn)品

23、設(shè)計的風(fēng)險。計的風(fēng)險。1.532021-12-27 CAM（Computer Aided Manufacturing）計計算機輔助制造算機輔助制造是以數(shù)控機床為主體，利用存是以數(shù)控機床為主體，利用存有全部加工資料的的數(shù)據(jù)庫，如刀具、夾具有全部加工資料的的數(shù)據(jù)庫，如刀具、夾具和各種零件的加工程序，以及在加工過程中和各種零件的加工程序，以及在加工過程中的自動換刀及加工數(shù)據(jù)的控制。目前人們已的自動換刀及加工數(shù)據(jù)的控制。目前人們已經(jīng)將數(shù)控、物料流控制及存儲、機器人、柔經(jīng)將數(shù)控、物料流控制及存儲、機器人、柔性制造、生產(chǎn)過程仿真等計算機相關(guān)控制技性制造、生產(chǎn)過程仿真等計算機相關(guān)控制技術(shù)統(tǒng)稱為術(shù)統(tǒng)稱為計算機輔助制造計算機輔助制造。1.542021-12-27 CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)是信息技術(shù)和現(xiàn)是信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)