初識計算機(jī)組成原理及簡介

COMPUTERORGANIZATION計算機(jī)組成原理北京科技大學(xué)信息學(xué)院

胡玥

計算機(jī)學(xué)院譚樂婷

《萬物簡史》

比爾.布萊森

“一個星球，一次試驗(yàn)”。對待生命的最好方式，一是珍惜她的美好，二是要為她創(chuàng)造更多的價值。

《計算機(jī)組成原理》是計算機(jī)類學(xué)科本科教學(xué)中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。在專業(yè)教學(xué)計劃中占有重要地位和作用。它主要闡述構(gòu)成一臺計算機(jī)的基本原理，包括計算機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、各個功能部件的作用、工作原理及設(shè)計方法。學(xué)習(xí)本課程旨在建立計算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，對培養(yǎng)設(shè)計開發(fā)計算機(jī)系統(tǒng)的能力有重要作用。

《計算機(jī)組成原理》的先修課程為計算機(jī)導(dǎo)論、數(shù)字電路、匯編語言；后繼課程為操作系統(tǒng)、編譯原理等系列課程。

我們聊一聊為什么要學(xué)習(xí)計算機(jī)組成原理這門課程?課程有多難，能不能學(xué)好課程教學(xué)定位和教學(xué)要求教學(xué)大綱規(guī)定：講解單臺計算機(jī)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。單臺：非多機(jī)系統(tǒng)，亦非多處理機(jī)系統(tǒng)。完整：計算機(jī)整機(jī)、全部的功能部件?；荆翰灰欢ㄊ亲罡咝阅?，最合理的組成，而是最基礎(chǔ)、最必要的組成部分。概論知識結(jié)構(gòu)計算機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計算機(jī)I/O系統(tǒng)總線存儲器運(yùn)算器控制器知識結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)運(yùn)算部件計算機(jī)控制部件數(shù)據(jù)存儲部件接口線路數(shù)據(jù)輸入設(shè)備接口線路結(jié)果輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線計算機(jī)主機(jī)計算機(jī)外圍設(shè)備計算機(jī)的CPU硬件系統(tǒng)由5個功能部件組成，是課程的核心內(nèi)容8計算機(jī)中的基本硬件系統(tǒng)組成原理的主要內(nèi)容計算機(jī)信息表示（指令、數(shù)據(jù)）運(yùn)算器的算法、結(jié)構(gòu)存儲器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計控制器的原理及設(shè)計I/O設(shè)備原理總線的原理與設(shè)計第１章概論1.1計算機(jī)的發(fā)展歷史1.4計算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)1.3計算機(jī)的軟件系統(tǒng)1.2計算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成1.5

計算機(jī)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)約翰·馮·諾依曼JohnVonNeuman（1903－1957）美藉匈牙利人

開創(chuàng)了現(xiàn)代計算機(jī)理論，他的精髓貢獻(xiàn)是：2進(jìn)制思想與程序內(nèi)存思想。他的主要著作收集在六卷《馮·諾依曼全集》中，1961年出版。

阿蘭·麥席森·圖靈AlanMathisonTuring（1912.6.23—1954.6.7）英國人“圖靈機(jī)”與“馮·諾伊曼機(jī)”齊名，被永遠(yuǎn)載入計算機(jī)的發(fā)展史中。為表彰他的貢獻(xiàn)，專門設(shè)有一年一度的“圖靈獎”，頒發(fā)給最優(yōu)秀的電腦科學(xué)家。1.1計算機(jī)的發(fā)展史一、計算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1946年美國ENIAC1955年退役十進(jìn)制運(yùn)算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺(170平方米)5000次加法／秒（1）沒有存儲器；（2）它用布線接板進(jìn)行控制，用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計算機(jī)ENIAC(1946)ElectronicNumericalIntegratorAndComputer100000000

超大規(guī)模集成電路1978－現(xiàn)在五10000000

大規(guī)模集成電路1972－19771000000

中小規(guī)模集成電路1965－1971

200000

晶體管1958－1964

40000

電子管1946－1957

速度

/（次/秒）

硬件技術(shù)

時間

代三四二一硬件技術(shù)對計算機(jī)更新?lián)Q代的影響

電子管晶體管集成電路

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992個CPU最大平均速度478200GFLOPS超級計算機(jī)最權(quán)威的超級計算機(jī)排名的參考網(wǎng)址

微處理器芯片存儲器芯片1971年8位16位32位64位4位（intel4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位1.1二、微型計算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展Intel公司的締造者之一GordonMoore提出：微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番。Moore定律80808位1974年808616位1979年2.9萬個晶體管8028616位1982年13.4萬個晶體管8038632位1985年27.5萬個晶體管8048632位1989年120.0萬個晶體管Pentium64位（準(zhǔn)）1993年310.0萬個晶體管PentiumPro64位（準(zhǔn)）1995年550.0萬個晶體管PentiumⅡ64位（準(zhǔn)）1997年750.0萬個晶體管PentiumⅢ64位（準(zhǔn)）1999年950.0萬個晶體管PentiumⅣ64位2000年4200.0萬個晶體管Intel公司的典型微處理器產(chǎn)品2007年英特爾采用45nm工藝技術(shù)，芯片上可集成23億個晶體管。你可以在一根人類的頭發(fā)寬度上擺放2000多個45納米晶體管。你可以在一個針頭上擺放3萬多個45納米晶體管，加起來約合150萬納米。一個小數(shù)點(diǎn)(直徑約為0.1毫米或10萬納米)可填入2千多個45納米晶體管。一個45納米晶體管可在1秒鐘內(nèi)切換約3千億次。一個45納米晶體管開關(guān)一次所需時間，僅相當(dāng)于以光速(每秒30萬公里)穿行0.1英寸所需的時間。例：已知X=5,Y=3,

求X+Y=？用計算機(jī)求解，需要解決：如何表示數(shù)據(jù)如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理需設(shè)置哪些部件來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算馮.諾依曼思想?計算機(jī)由五大部件組成?指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制形式表示?采用存儲程序方式馮·諾依曼計算機(jī)的特點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行存儲器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備1.2計算機(jī)的硬件組成計算機(jī)部件間連接方法

☆在所有需要傳送數(shù)據(jù)的部件之間創(chuàng)建一條直接通路。（專用數(shù)據(jù)通路）

☆將所有需要傳送數(shù)據(jù)的各部件之間通過公共信息傳送線路連接．（總線方式數(shù)據(jù)通路）計算機(jī)各大部件之間連接

計算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)（小、微型機(jī)典型結(jié)構(gòu)）：

目前許多計算機(jī)（主要指小、微型計算機(jī)）的各大基本部件之間是用總線（Bus）連接起來的。

總線是一組能為多個部件服務(wù)的公共信息傳送線路，它能分時地發(fā)送與接收各部件的信息。

總線特點(diǎn)：共享，分時小型、微型機(jī)的設(shè)計目標(biāo)是以較小的硬件代價組成具有較強(qiáng)功能的系統(tǒng)，而總線結(jié)構(gòu)正好能滿足這一要求?？偩€方式

單總線并不是指只有一根信號線。系統(tǒng)總線按傳送信息的不同又可以細(xì)分為：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

地址總線（AddressBus）由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔ⅲ?/p>

數(shù)據(jù)總線（DataBus）由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設(shè)送出數(shù)據(jù)；

控制總線（ControlBus）上傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存/外設(shè)反饋給CPU的狀態(tài)信號?？偩€結(jié)構(gòu)大、中型計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)更著重于系統(tǒng)功能的擴(kuò)大與效率的提高。通道是承擔(dān)I/O操作管理的主要部件，主機(jī)可以連接多個通道，每個通道可以接一臺或幾臺設(shè)備控制器，每個設(shè)備控制器又可接一臺或幾臺外部設(shè)備，這樣整個系統(tǒng)就可以連接很多的外部設(shè)備。大、中型機(jī)的典型結(jié)構(gòu)不同對象觀察到的計算機(jī)硬件系統(tǒng)一般用戶觀察到的計算機(jī)硬件系統(tǒng)WhatisaComputerSystem

專業(yè)用戶觀察到

的計算機(jī)硬件系統(tǒng)WhatisaComputerSystem存儲器設(shè)計思想馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)的實(shí)體，如主機(jī)、外設(shè)等一、計算機(jī)的軟硬件概念硬件軟件1.3計算機(jī)系統(tǒng)1.4.1計算機(jī)的工作過程1.4計算機(jī)的工作過程與主要性能指標(biāo)例如：將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行，以計算a+b-c=?為例加以說明。設(shè)a、b、c為已知的3個數(shù)，分別存放在主存的5━7號單元中，結(jié)果將存放在主存的8號單元000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALU

計算機(jī)工作過程a+b-c=?000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005aaa取數(shù)指令

計算機(jī)工作過程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006abaa+b加法指令ab

計算機(jī)工作過程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-c減法指令

計算機(jī)工作過程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-c存數(shù)指令

計算機(jī)工作過程000001002003005006007008004主存bacLOAD005ADD006SUB007STORE008HALT存儲器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線累加器ALULOAD005ADD006aba+bbSUB007cca+b-cSTORE008a+b-ca+b-ca+b-cHALT停機(jī)指令

計算機(jī)工作過程a+b-c=?1.4.2計算機(jī)的主要性能指標(biāo)基本字長數(shù)據(jù)通路寬度主存儲器容量運(yùn)算速度1.機(jī)器字長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)。2.數(shù)據(jù)通路寬度（外部）數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送信息的位數(shù)221

=

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