計算機組成原理1

計算機組成原理任課教師:高金山計算機系統(tǒng)結構教研室:九教學樓北402:51688420(Email:jshgao@jshgao@gmail課程的性質和任務：?計算機組成原理?ComputerOrganization是硬件課程中主干課程之一。通過學習本課程，要求學生掌握計算機主要部件的原理，學懂簡單、完備的單臺計算機的根本構成與內部運行機理，學習計算機設計中的入門性知識。教學內容課內學時第一章概論2學時第二章運算方法和運算器12學時第三章存儲系統(tǒng)10學時第四章指令系統(tǒng)4學時第五章中央處理器〔控制器〕12學時第六章系統(tǒng)總線2學時第七章I/O系統(tǒng)6學時〔第八章外圍設備學時〕參考資料：

白中英．計算機組成原理，科學出版社白中英，?計算機組組織與結構題解、題庫、實驗?，科學出版社，２００4，2曠海蘭等，計算機組成原理學習指導與訓練，中國水利電力出版社，2004，1馬洪連，計算機組成原理學習指導，大連理工大學出版社，2003，9徐愛萍，計算機組成原理題解，清華大學出版社，2002，3參考資料〔續(xù)〕

王愛英,?計算機組成與結構?,清華大學出版社王誠,?計算機組成與設計?,清華大學出版社DavidA.Patterson，JohnL.Hennessy.ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface，2005第一章概述本章知識要點：１.了解計算機的開展歷史及應用；２.掌握計算機的根本組成及特點；３.掌握計算機系統(tǒng)的層次結構。1．1計算機的開展與應用1．1．1計算機的開展計算機系統(tǒng)是經過一系列歷史演變過程的產物。這個歷史演變過程可分為五個階段。第一階段：機械式計算工具這是對手工計算的革命，有助于減輕繁雜的計算勞動。算盤：１３世紀，中國；計算尺：１６２１年，英國第二階段：機械式邏輯器是今天邏輯線路和計算機決策的先驅。邏輯演示器：萊布尼茲〔Leibniz,1646-1716〕?布爾代數(shù)?：１８５４年，英國數(shù)學家喬治.布爾〔自動運算部件〕第三階段：機械式輸入輸出裝置這是對人工輸入數(shù)據(jù)和讀出結果的重要改進。第一臺機電式穿孔卡系統(tǒng)－造表機：１８８６年第四階段：完整的計算機器的形成具有完整含義的機械式計算機或機電式計算機。經歷了大約120年的歷史〔１８２２年～１９４５年〕。英國數(shù)學家，劍橋大學教授，查爾斯.巴貝奇１８３４年創(chuàng)造分析機。其重要奉獻在于它包括了現(xiàn)代計算機具有的五個根本局部：輸入裝置，輸出裝置，處理裝置，存儲裝置，控制裝置。第五階段：現(xiàn)代計算機系統(tǒng)相繼問世馮.諾依曼，英籍匈牙利科學家參與了世界上第一臺電子數(shù)字計算機“埃尼阿克〞的設計工作。提出了存儲程序原理，即馮.諾依曼原理，使機器能自動地執(zhí)行程序；提出了馮.諾依曼計算機體系結構。馮式結構改進后的結構控制器運算器存儲器I/O控制器運算器存儲器I/OI/O控制1．第一代計算機〔1946－1957〕主要特點：計算機所使用的邏輯元件為電子管；存儲器采用延遲線或磁鼓；軟件主要使用機器語言，后期使用匯編語言。

2．第二代計算機〔1958－1964〕主要特點：所使用的邏輯元件為晶體管；普遍采用磁芯作為主存儲器；采用磁帶或磁盤作為輔助存儲器；出現(xiàn)了Fortran、Cobol等高級語言，并出現(xiàn)了機器內部的管理程序。3．第三代計算機〔1965－1971〕主要特點：硬件上，采用中、小規(guī)模集成電路,用半導體存儲器；軟件上，把管理程序開展成為現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，采用了微程序控制技術，高級語言更加流行，如Basic、Pascal等。4．第四代計算機〔1972－〕主要特點：采用大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路〔VLSI〕；計算機的操作系統(tǒng)更加完善，在語音、圖像處理、多媒體技術、網絡以及人工智能等方面取得了很大開展。

隨著大規(guī)模集成電路技術的開展，微型計算機〔簡稱微機〕誕生了?！?〕第一代微機１９８１年，ＩＢＭ－ＰＣ機，1983年，推出PC/XT機，使用Intel８０８８／８０８６微處理器，為16位機?！?〕第二代微機１９８４年，286AT及其兼容機，16位機；(3)第三代微機１９８６年，386微機，32位機；〔4〕第四代微機1989年,Intel80486微處理器問世，32位〔５〕第五代微機1993年，Pentium,PentiumII,PentiumIII,PentiumⅣ。5．關于第五代計算機第五代計算機是通信、存儲、信息處理和人工智能相結合的超巨型計算機。6．關于第六代計算機作為計算機的核心元件是更新的光電子元件、超導電子元件或生物電子元件。計算機的開展方向巨型化研制高速度、強功能的大型機和巨型機以適應軍事和尖端工業(yè)的需要。巨型機的開展集中表達了計算機科學技術的開展水平，它可以推動計算機系統(tǒng)結構、硬件、軟件的理論及技術、計算數(shù)學以及計算機應用等多個學科的開展，所以它的生產標志著一個國家的尖端科技的開展程度。微型化研制價格低廉的超小型機和微機以開拓應用領域和占領廣闊市場，它的研制標志著一個國家的應用水平。信息家電、機頂盒—嵌入系統(tǒng)的用武之地嵌入式計算機技術應用實例路由器，網關—嵌入系統(tǒng)的網絡應用火柴嵌入式WEBSERVER嵌入系統(tǒng)用于控制機器人網絡化計算機網絡就是按照約定的協(xié)議將假設干臺獨立的計算機通過通信線路相互連接起來，形成彼此能夠相互通信的一組相關的或獨立的計算機系統(tǒng)。它們有數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并具有共享?shù)據(jù)、共享計算機資源以及均衡負荷等優(yōu)點。機群:ClusterComputingClusterComputing是通過互聯(lián)網把相互獨立的計算機組裝起來并能互相配合的進行并行計算的一類并行計算機體系結構；機群計算機的體系結構以數(shù)量為優(yōu)勢的機群并行計算機

很有可能成為占主導地位的高端計算機體系結構

計算機食物鏈高性能微處理器:平均18個月性能提高一倍，價格快速降低Moore’slaw

高速網絡：快速(100Mb/s)/千兆(1Gb/s)以太網高帶寬~1.2Gb/s低延遲(幾個~幾十us)高可靠性高速交叉開關IBM,3COM,Intel,Cisco等高性能分布式并行計算軟件,工具的標準化：自由軟件Linux操作系統(tǒng)的成熟和流行.科學計算和商業(yè)應用對計算能力不斷增長的需要和傳統(tǒng)超級計算機的高價格和低普及率。CAD/CAMAerospaceOilReservoirSimulationsLifeSciencesDigitalBiologyE-commerceRDCPS-ILinux機群性價比高適于中小規(guī)模并行油藏模擬問題可用于對大規(guī)模并行油藏模擬問題的調試消息傳遞軟件開銷較大〔~130微秒〕特點：單一系統(tǒng)映像

智能化智能化就是使計算機具有人工智能，具有學習能力、能自動進行邏輯判斷、類似于人腦的思維；具有問題求解和推理功能以及具有知識庫系統(tǒng)。多媒體化多媒體技術是把電視的視聽信息傳播能力與計算機交互控制能力相結合。創(chuàng)造出能集文、圖、聲、像于一體的新型信息處理模塊。計算機多媒體化后，將具有全數(shù)字式、全動態(tài)、全屏幕的播放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息的功能，具有控制和傳輸多媒體電子郵件、電視會議等多種功能，使人耳目一新。1．1．2計算機的應用1．科學技術計算把科學技術及工程設計應用中的各種數(shù)學問題的計算，統(tǒng)稱為科學技術計算。計算機的應用，最早就是從這一領域開始的．電子計算機在科學計算和工程設計中大有作為，它不僅能減輕繁雜的計算工作量，而且解決了過去無法解決或不能及時解決的問題.2．數(shù)據(jù)信息處理對數(shù)據(jù)進行加工、分析、傳送、存儲及檢測等操作都稱為數(shù)據(jù)處理。管理信息系統(tǒng)〔MIS〕逐漸成熟，它把數(shù)據(jù)處理與經濟管理模型的優(yōu)化計算和仿真結合起來，具有決策、控制和預測功能。MIS在引人人工智能之后就形成決策支持系統(tǒng)〔DDS〕，它充分運用運籌學、管理學、人工智能、數(shù)據(jù)庫技術和計算機科學技術的最新成就，進一步開展了MIS。如果將計算機技術、通信技術、系統(tǒng)科學及行為科學應用于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理無法解決的結構不清楚的、包括非數(shù)值數(shù)據(jù)型的信息的辦公事務上，就形成了辦公自動化系統(tǒng)〔OA〕．3．計算機控制工業(yè)過程控制是計算機應用的一個很重要的領域。所謂過程控制，就是利用計算機對連續(xù)的工業(yè)生產過程進行控制。被控對象可以是一臺機床、一座窯爐、一條生產線、一個車間，甚至整個工廠。計算機與執(zhí)行機構相配合，使被控對象按照預定算法保持最正確工作狀態(tài)．適合于工業(yè)環(huán)境中使用的計算機稱為工業(yè)控制計算機。這種計算機具有數(shù)據(jù)采集和控制功能，能在惡劣的環(huán)境中可靠運行。此外，計算機控制在軍事、航空、航天、核能利用等領域的也有廣泛的應用。4．計算機輔助技術CAD(ComputerAidedDesign)就是利用計算機來幫助設計人員進行設計．CAM(ComputerAidedManufacturing)是利用計算機來進行生產設備的管理、控制和操作。CAT(ComputerAidedTesting)是利用計算機幫助人們進行各種測試工作。CAI(ComputerAidedInstruction)是利用計算機幫助教師和學生進行課程內容的教學和測驗。CIMSComputer-IntegratedManufacturingSystem,計算機集成制造系統(tǒng)5．家庭電腦化隨著微型計算機價格的下降及性能的不斷提高，特別是多媒體技術的開展，家用個人計算機〔簡稱家用PC機〕正以空前的速度開展著。PC機開展的結果。這無疑會大大促進家庭信息時代的到來。1．2計算機系統(tǒng)的組成硬件與軟件的有機結合，組成計算機系統(tǒng)。1．2．1計算機的硬件系統(tǒng)計算機的硬件是指計算機中的電子線路和物理裝置。具有五大部件：輸入設備、存儲器、運算器、控制器和輸出設備。運算器與控制器合稱為CPU。

CPU1．存儲器存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。分為內存和外存?！补餒arward結構〕2．運算器運算器又稱為執(zhí)行部件。ALU是具體完成算術與邏輯運算的部件。存放器用于存放運算操作數(shù)。累加器除存放運算操作數(shù)外，在連續(xù)運算中，還用于存放中間結果和最后結果。運算器一次能運算的二進制數(shù)的位數(shù)，稱為字長。3．控制器控制器是全機的指揮中心，它使計算機各部件自動協(xié)調地工作。其主要功能是取指令、分析指令、執(zhí)行指令。4．輸入設備將人們熟悉的信息形式變換成計算機能接收并識別的信息形式的設備。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀、數(shù)碼相機等。輸入設備與主機之間通過接口連接。5．輸出設備將計算機運算結果的二進制信息轉換成人類或其他設備能接收和識別的形式的設備。常用的輸出設備有：打印機、顯示器、繪圖儀等。1．2．2計算機的軟件系統(tǒng)計算機的軟件是指根據(jù)解決問題的方法、思想和過程編寫的程序的有序集合。計算機的軟件系統(tǒng)包括應用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類：應用軟件是用戶為解決某種應用問題而編制的程序。系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調度、監(jiān)視和效勞等功能。軟硬件等效性原理：硬件和軟件在邏輯上是等效的。因此，計算機系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉化，它們之間互為補充。固件：將程序固化在ROM中的部件，具有硬件的快速性和軟件的靈活性的特點。1.2.3計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)存在著層次結構，即計算機系統(tǒng)具有層次性，它由多級層次結構組成。功能上看，現(xiàn)代計算機系統(tǒng)可分為五個層次級別。虛擬機器實際機器層次結構的特點：層次之間的關系緊密，上層是下層功能的擴展，下層是上層的根底，站在不同的層次觀察計算機系統(tǒng)，會得到不同的概念。1．3計算機的特點、性能指標及分類1．3．1計算機的工作特點快速性，通用性，準確性，邏輯性數(shù)字電子計算機是一種能自動地、高速地對各種數(shù)字化信息進行運算處理的電子設備。1．3．2計算機的性能指標1．根本字長它是指參與運算的數(shù)的根本長度，用二進制數(shù)位的長短來衡量。2．主存容量主存容量可以以字長為單位來計算，