大学计算机之计算机组成原理

大学计算机之计算机组成原理第一页，共56页。计算机概述计算机的基本组成及工作原理图灵和图灵机132计算机问题求解4第二页，共56页。计算机发展的几个阶段第一代（1946~1957）电子管5千~4万（次/秒）第二代（1958~1963）晶体管几十万~百万（次/秒）第三代（1964~1970）集成电路百万~几百万（次/秒）第四代（1971~至今）大规模集成电路几百万~几亿（次/秒）依据计算机采用的主要元器件和性能，一般将计算机的发展分为四个阶段或时代。第三页，共56页。第一代计算机（1946年～1958年）电子管计算机埃尼亚克（ENIVAC）电子管作基础元件，体积大，耗电量大，运行时产生大量的热量，可靠性较差，价格昂贵。输入、输出设备穿孔卡片二进制机器语言第四页，共56页。第二代计算机（1959年～1964年）计算机体积不断缩小，功能不断增强。1957年，计算机高级程序语言FORTRAN和COBOL相继面世，并被应用于第二代电子计算机编程。

晶体管计算机第五页，共56页。第三代计算机（1965年～1970年）

采用中、小规模集成电路制造的电子计算机

集成电路百万~几百万（次/秒）第六页，共56页。第四代计算机（1971年～）第四代计算机是指从1970年以后采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件制成的计算机。大规模集成电路LSI通常指集成度--1千和1万之间的集成电路超大规模集成电路是指集成度在1万到100万之间微处理器（MicroProcessUnit，MPU）。微处理器具有计算机中央处理器（CentralProcessUnit，CPU）的计算和控制单元个人计算机时代的来临第七页，共56页。未来计算机进入20世纪90年代以来，很多国家积极研究支持逻辑推理和知识库的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等新一代计算机。新一代计算机主要是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机，它将突破当前计算机的结构模式，更加着重逻辑推理或模拟的“智能”，即具有对知识进行处理和模拟功能。未来：量子计算机，神经网络计算机，化学生物DNA计算机，光计算机，超导计算机，纳米计算机等。第八页，共56页。年代名称元件语言应用第一代1946年～1957电子管计算机电子管

机器语言

汇编语言

科学计算

第二代1958～1964晶体管计算机

晶体管

高级程序设计语言

数据处理

第三代1965～1970集成电路计算机

中小规模集成电路

高级程序设计语言

广泛应用到各个领域

第四代

1970年～现在

集成电路计算机

集成电路

面向对象的高级语言网络时代

第五代

未来计算机

光量子、DNA等第九页，共56页。计算机的分类第十页，共56页。计算机的特点与分类1．按计算机处理数据的方式分类可分为3大类：模拟计算机（AnalogComputer）数字计算机（DigitalComputer）混合计算机（HybridComputer）。2．按计算机的使用范围分类专用计算机通用计算机第十一页，共56页。计算机的分类3．按计算机的类型与用途巨型机大型主机小型主机PC机（PersonalComputer个人计算机，微型计算机）

以微处理器为中央处理单元工作站一种主要面向特定专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力的高性能计算机。第十二页，共56页。超级计算机或称巨型机：计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；

存贮容量在1000万位以上。如美国的ILLIAC-Ⅳ，日本的NEC，欧洲的尤金，中国的“天河”计算机，就属于巨型计算机。大型主机：通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出现之前最主要的计算模式。高性能计算机第十三页，共56页。

计算机发展微型化计算机发展趋势巨型化网络化智能化ENIAC第十四页，共56页。Altair8800

计算机发展—微型化指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。计算机发展趋势第十五页，共56页。CRAY-Ⅱ

计算机发展—巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”国家智能计算机中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”银河Ⅱ计算机发展趋势速度更快的、存储量更大的和功能更强大。主要应用于天文、气象、地质和核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域，研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。第十六页，共56页。天河一号天河一号”是我国首台千万亿次超级计算机。第十七页，共56页。曙光星云第十八页，共56页。

计算机发展——网络化计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。计算机发展趋势计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享第十九页，共56页。

计算机发展——智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的‘没有灵魂的机械’来”。

——笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”：

一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人

机械手（1962年出现）第二代机器人

具有“感觉”的机器人第三代机器人

装有启发式计算机的“智能机器人”计算机发展趋势第二十页，共56页。计算机概述计算机的基本组成及工作原理图灵和图灵机132计算机问题求解4第二十一页，共56页。图灵及其贡献图灵(AlanTuring,1912~1954)，出生于英国伦敦，19岁入剑桥皇家学院，22岁当选为皇家学会会员。1937年，发表了论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》，提出了图灵机模型，后来，冯·诺依曼根据这个模型设计出历史上第一台电子计算机。1950年，发表了划时代的文章：《机器能思考吗?》,成为了人工智能的开山之作。图灵与图灵机你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？因为什么贡献而获奖呢？计算机界于1966年设立了最高荣誉奖：

ACM图灵奖。第二十二页，共56页。2.2图灵机的结构与原理1、图灵机的基本结构1936年，24岁的图灵构造了一台抽象的“计算机”，称为“图灵机”。图灵机由控制器、读写头和存储带组成。存储带：无限长，可左右移动，每个单元格中包含一个符号。控制器：包含控制规则和状态寄存器，控制规则就是图灵机程序，状态寄存器记录机器当前的状态，以及下一个新状态。读写头：负责读出和写入存储带上的符号。计算机界于1966年设立了最高荣誉奖：ACM图灵奖。仿制的“图灵机”模型第二十三页，共56页。2、专用图灵机的运算过程

f（x）=（X+1）函数运算的图灵机工作过程。假定x＝101字母表={0,1,*}存储带M*101*读写头指令当前状态M当前值M新值M移动新状态0初始**不动启动1启动**右移加法2加法01左移返回3加法10右移进位4加法**左移停机5进位01左移返回6进位10右移进位7进位*1右移溢出8溢出空*左移返回9返回11左移返回10返回00左移返回11返回**不动停机图灵机程序第二十四页，共56页。所谓计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长的纸带上的一串0或1，执行指令一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。什么是计算…1000111011010001…由“程序”控制，一步步将输入“转换”为输出输入输出程序通用机器图灵认为什么是计算?第二十五页，共56页。图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。…1000111011010001…由“程序”控制，一步步将输入“转换”为输出输入输出程序通用机器第二十六页，共56页。图灵机的思想是关于数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思想。输入被制成一串0和1的纸带，送入机器中----数据。如011…机器可对输入纸带执行的基本动作包括：“翻转0为1”，或“翻转1为0”,“前移一位”,“停止”。对基本动作的控制----指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以用0和1来表示：01表示“翻转0为1”(当输入为1时不变)，10表示“翻转1为0”(当输入0时不变),11表示“前移一位”,00表示“停止”。输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成,如:011110110111011100…

机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，读一条指令执行一条指令。由此实现自动计算。第二十七页，共56页。图灵机所蕴含的计算思想图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一，为计算机设计指明了方向，也是算法分析和程序语言设计的基础理论。通用图灵机能根据输入编码的不同而改变，进一步展示了存储程序和程序控制思想（程序和其输入可以先保存到存储带上，按和谐一步步运行直到给出结果，并且结果也保存在存储带上）。计算机系统应该有：存储器（相当于存储带）中央处理器（控制器及其状态），并且字母表可以仅有和两个符号；为了能将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送出来展示给用户，计算机系统还应该有输入出设备；第二十八页，共56页。结论：图灵机模型被认为是计算机的基本理论模型----计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路，一个问题的求解可以通过构造其图灵机(即程序)来解决。图灵认为：凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决;凡是图灵机解决不了的问题任何算法也解决不了----图灵可计算性问题。图灵机是什么?第二十九页，共56页。计算机的基本组成及工作原理第三十页，共56页。

计算机硬件基本组成（外）存储器（内）存储器中央处理器（CPU）控制器输入设备输出设备数据流地址控制流运算器计算机工作原理第三十一页，共56页。存储器分类存储器分为两大类：内存储器和外存储器，简称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。存储器存储器内存储器外存储器ROM（ReadOnlyMemory）RAM（RandomAccessMemory）Cache磁盘（硬盘、软盘）光盘（CD-ROM、CD-RW、DVD、MO）闪存（CF卡、MMC卡、SD卡）磁带第三十二页，共56页。计算机硬件系统的基本组成及工作原理

⑴计算机硬件由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。⑵计算机内部采用二进制来表示程序和数据。⑶采用“存储程序”的方式，将程序和数据放入同一个存储器中（内存储器），计算机能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。第三十三页，共56页。计算机硬件系统的基本组成及工作原理

第三十四页，共56页。1.位（bit）

2.字节（Byte）

3.字（Word）

计算机中数据的单位第三十五页，共56页。位（bit）：表示存储数据的最小单位，二进制数“0”或“1”就是一位字节（Byte）：存储信息的基本单位，8位构成一个字节，可作为一个单元来处理的一串二进制数位字（word）：计算机处理数据时，CPU通过数据总线一次存取、加工和传送的数据称为字字长：计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，称为字长。

数据存储常用的基本单位第三十六页，共56页。位字位、字节、字……字节（8位）数据存储的组织形式第三十七页，共56页。注意：1B（字节）＝8bit（位）1KB＝210B1MB＝210K=220B1GB＝210M=230B1TB=210G=240B存储器的容量是以字节作为基本计数单位第三十八页，共56页。

计算机系统硬件（裸机）软件计算机系统系统软件（如操作系统）应用软件（如办公软件）认识操作系统LinuxWindowsNT、9X、2000、XPMacOSUNIXOS/2服务于其他程序的程序第三十九页，共56页。计算机软件系统

计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类第四十页，共56页。

什么是操作系统操作系统各种应用程序DOS管家婆

管理硬件资源

协调后台工作服务生

提供用户与计算

机的交互接口认识操作系统操作系统（OS）是控制计算机硬件和软件资源的一组程序操作系统就是操作计算机的系统软件第四十一页，共56页。操作系统的功能

处理器（CPU）管理文件管理存储管理

设备管理

用户接口

从资源管理的观点来看:第四十二页，共56页。微型计算机的组成1．微机的种类第四十三页，共56页。4.主板主板是微型计算机系统中最大的一块电路板，有时又称为母板或系统板，是一块带有各种插口的大型印刷电路板（PCB）。它将主机的CPU芯片、存储器芯片、控制芯片、ROMBIOS芯片等结合在一起。返回图6P55主板第四十四页，共56页。微型计算机的组成（1）主板（2）中央处理器（3）存储器（4）显卡（5）声卡（6）总线（7）输入设备（8）输出设备图P55主板第四十五页，共56页。微型计算机的组成（1）主板（2）中央处理器（3）存储器（4）显卡（5）声卡（6）总线（7）输入设备（8）输出设备第四十六页，共56页。微型计算机的组成

（1）主板（2）中央处理器（3）存储器（4）显卡（5）声卡（6）总线（7）输入设备（8）输出设备第四十七页，共56页。微型计算机的组成（1）主板（2）中央处理器（3）存储器（4）显卡（5）声卡（6）总线（7）输入设备（8）输出设备第四十八页，共56页。微型计算机的组成

（1）主板（2）中央处理器（3）存储器（4）显卡（5）声卡（6）总线（7）输入设备（8）输出设备第四十九页，共56页。计算机问题求解

第五十页，共56页。计算机问题求解模型

1、 计算机解决问题的过程计算1到100的和。（1） 分析问题：本题目就是一个求和的计算，但有规律，从1开始，逐个加1，一直加到100。第五十一页，共56页。计算机问题求解模型

（2） 用自然语言描述计算方法：Step1：设计算的结果用Sum表示，且为Sum赋初值0；Step2：自然数i赋初值为1；Step3：将i的值累加到Sum里面；*若i值小于100Sum+1→Sum