計(jì)算機(jī)組成原理劉宏偉版本一第2講

1、計(jì)算機(jī)組成原理哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)教研室劉宏偉2022/8/311哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉（第二講）計(jì)算機(jī)的工作步驟建立數(shù)學(xué)模型確定計(jì)算方法用機(jī)器語言編寫了一個程序代碼和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲情況存儲器的結(jié)構(gòu)運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)運(yùn)算器的工作過程控制器的結(jié)構(gòu)完成一條指令的過程程序的執(zhí)行過程2022/8/31哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉2 ACC MQ X(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過程1.2運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位2022/8/313哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉運(yùn)算器MQACCALUXACC 被加數(shù)ACC初態(tài) 加法操作過程1.2AC

2、C+XALUM XXACCACC指令 加M2022/8/314哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉1.2 減法操作過程運(yùn)算器MQACCALUX指令 減MACC 被減數(shù)ACC初態(tài) M XXACC-XALUACCACC2022/8/315哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉運(yùn)算器MQACCALUXACCACC 被乘數(shù)初態(tài) 1.2MQMMQ指令 乘M 乘法操作過程XACCXALUXMQ00ACCACCMQACCMQ2022/8/316哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉運(yùn)算器MQACCALUXACC 被除數(shù)ACC初態(tài) 1.2ACCXALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令 除MM XX 除法操作過程2022/8/317哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉取

3、指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCUPC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址， 具有計(jì)數(shù)功能（PC）+ 1 PCIR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成2022/8/318哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機(jī)完成一條指令的過程1.2CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR運(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備2022/8/319哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉12356798以存數(shù)指令為例41.2(4)主機(jī)完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR運(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備2022/8/3110哈

4、爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉(5) ax2 + bx + c 程序的運(yùn)行過程 將程序通過輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī) 程序首地址 打印結(jié)果 分析指令 取指令 停機(jī) 啟動程序運(yùn)行,(PC )+ 1 PC 執(zhí)行指令 1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC2022/8/3111哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉1.3 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長2.運(yùn)算速度CPU 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與 CPU 中的 寄存器位數(shù) 有關(guān)=ni =1fi tiTM吉普森法主頻每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPS2022/8/3112哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)CP

5、I221b= 256 KB213 b= 1 KB如3.存儲容量主存容量輔存容量存儲單元個數(shù) 存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 GB如 MAR MDR 容量 10 8 16 32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1.31K = 210 1B = 23b1GB = 230B1 K 8位64 K 32位2022/8/3113哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉第篇 概論1.4 本書結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)2022/8/3114哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉1.4 本書結(jié)構(gòu)第篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線存儲器CPU2022/8/3115哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉1.4 本書結(jié)構(gòu) CPU內(nèi)部互連ALUCU寄存器中央處理器第篇 CPU計(jì)算機(jī)I/O系

6、統(tǒng)總線存儲器CPU2022/8/3116哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉1.4 本書結(jié)構(gòu) CPU內(nèi)部互連ALUCU寄存器中央處理器寄存器和解碼器控制單元排隊(duì)邏輯控制存儲器第篇 CU計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線存儲器CPU2022/8/3117哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉第章 計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用2.3 計(jì)算機(jī)的展望2.2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用2.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史2022/8/3118哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉2.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1946年 美國 ENIAC1955年退役十進(jìn)制運(yùn)算18 0001 500150301 500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5 000次加法秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程20

7、22/8/3119哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉世界上第一臺電子計(jì)算機(jī) ENIAC(1946)2.12022/8/3120哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉硬件技術(shù)對計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響 100 000 000 超大規(guī)模 集成電路 1978現(xiàn)在五 10 000 000 大規(guī)模 集成電路 19721977 1 000 000 中小規(guī)模 集成電路 19651971 200 000 晶體管 19581964 40 000 電子管 19461957 速度 /（次/秒） 硬件技術(shù) 時間 代三四二一2.12022/8/3121哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉第一臺von Neumann 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)2.12022/8/3122哈爾

8、濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉IBM System360 2.12022/8/3123哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉二、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展微處理器芯片存儲器芯片1971年 8位16位32位64位4位（4004）1970年256位 1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位2.12022/8/3124哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉Intel 公司的典型微處理器產(chǎn)品8080 8位 1974年8086 16位 1979年 2.9 萬個晶體管80286 16位 1982年 13.4 萬個晶體管80386 32位 1985年 27.5 萬個晶體管80486 32位 1989年 120.0 萬個晶體管Pe

9、ntium 64位（準(zhǔn)） 1993年 310.0 萬個晶體管Pentium Pro 64位（準(zhǔn)） 1995年 550.0 萬個晶體管Pentium 64位（準(zhǔn)） 1997年 750.0 萬個晶體管Pentium 64位（準(zhǔn)） 1999年 950.0 萬個晶體管Pentium 64位 2000年 4 200.0 萬個晶體管2.1目前 芯片上可集成 超過 30 億 個晶體管 2022/8/3125哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉Moore 定律Intel 公司的締造者之一 Gordon Moore 提出微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番2.12022/8/3126哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉三、軟件技術(shù)的興起

10、和發(fā)展機(jī)器語言 面向機(jī)器匯編語言 面向機(jī)器高級語言 面向問題FORTRAN 科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算PASCAL 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)C 面向?qū)ο驤ava 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 1. 各種語言2.12022/8/3127哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉2. 系統(tǒng)軟件語言處理程序 匯編程序 編譯程序 解釋程序操作系統(tǒng) DOS UNIX Windows 服務(wù)性程序 裝配 調(diào)試 診斷 排錯數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件2.12022/8/3128哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉3. 軟件發(fā)展的特點(diǎn) 開發(fā)周期長 制作成本昂貴 檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性軟件是程序以及開發(fā)、使用和維護(hù)程序所需要的所有文檔2.12022/8/3129哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉2.2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用一、科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理二、工業(yè)控制和實(shí)時控制三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1. 電子商務(wù)2. 網(wǎng)絡(luò)教育3. 敏捷制造2022/8/3130哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉四、虛擬現(xiàn)實(shí)五、辦公自動化和管理信息系統(tǒng)六、CAD/CAM/CIMS七、多媒體技術(shù)八、人工智能2.22022/8/3131哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉宏偉2.3 計(jì)算機(jī)的展望一、計(jì)算機(jī)具有類似人腦的一些超級 智能功能要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá)1015/秒二、芯片集成度的提高受以下三方面