计算机组成原理1

计算机组成原理任课教师:高金山计算机系统结构教研室:九教学楼北402:51688420(Email:jshgao@jshgao@gmail课程的性质和任务：?计算机组成原理?ComputerOrganization是硬件课程中主干课程之一。通过学习本课程，要求学生掌握计算机主要部件的原理，学懂简单、完备的单台计算机的根本构成与内部运行机理，学习计算机设计中的入门性知识。教学内容课内学时第一章概论2学时第二章运算方法和运算器12学时第三章存储系统10学时第四章指令系统4学时第五章中央处理器〔控制器〕12学时第六章系统总线2学时第七章I/O系统6学时〔第八章外围设备学时〕参考资料：

白中英．计算机组成原理，科学出版社白中英，?计算机组组织与结构题解、题库、实验?，科学出版社，２００4，2旷海兰等，计算机组成原理学习指导与训练，中国水利电力出版社，2004，1马洪连，计算机组成原理学习指导，大连理工大学出版社，2003，9徐爱萍，计算机组成原理题解，清华大学出版社，2002，3参考资料〔续〕

王爱英,?计算机组成与结构?,清华大学出版社王诚,?计算机组成与设计?,清华大学出版社DavidA.Patterson，JohnL.Hennessy.ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface，2005第一章概述本章知识要点：１.了解计算机的开展历史及应用；２.掌握计算机的根本组成及特点；３.掌握计算机系统的层次结构。1．1计算机的开展与应用1．1．1计算机的开展计算机系统是经过一系列历史演变过程的产物。这个历史演变过程可分为五个阶段。第一阶段：机械式计算工具这是对手工计算的革命，有助于减轻繁杂的计算劳动。算盘：１３世纪，中国；计算尺：１６２１年，英国第二阶段：机械式逻辑器是今天逻辑线路和计算机决策的先驱。逻辑演示器：莱布尼兹〔Leibniz,1646-1716〕?布尔代数?：１８５４年，英国数学家乔治.布尔〔自动运算部件〕第三阶段：机械式输入输出装置这是对人工输入数据和读出结果的重要改进。第一台机电式穿孔卡系统－造表机：１８８６年第四阶段：完整的计算机器的形成具有完整含义的机械式计算机或机电式计算机。经历了大约120年的历史〔１８２２年～１９４５年〕。英国数学家，剑桥大学教授，查尔斯.巴贝奇１８３４年创造分析机。其重要奉献在于它包括了现代计算机具有的五个根本局部：输入装置，输出装置，处理装置，存储装置，控制装置。第五阶段：现代计算机系统相继问世冯.诺依曼，英籍匈牙利科学家参与了世界上第一台电子数字计算机“埃尼阿克〞的设计工作。提出了存储程序原理，即冯.诺依曼原理，使机器能自动地执行程序；提出了冯.诺依曼计算机体系结构。冯式结构改进后的结构控制器运算器存储器I/O控制器运算器存储器I/OI/O控制1．第一代计算机〔1946－1957〕主要特点：计算机所使用的逻辑元件为电子管；存储器采用延迟线或磁鼓；软件主要使用机器语言，后期使用汇编语言。

2．第二代计算机〔1958－1964〕主要特点：所使用的逻辑元件为晶体管；普遍采用磁芯作为主存储器；采用磁带或磁盘作为辅助存储器；出现了Fortran、Cobol等高级语言，并出现了机器内部的管理程序。3．第三代计算机〔1965－1971〕主要特点：硬件上，采用中、小规模集成电路,用半导体存储器；软件上，把管理程序开展成为现在的操作系统，采用了微程序控制技术，高级语言更加流行，如Basic、Pascal等。4．第四代计算机〔1972－〕主要特点：采用大规模集成电路及超大规模集成电路〔VLSI〕；计算机的操作系统更加完善，在语音、图像处理、多媒体技术、网络以及人工智能等方面取得了很大开展。

随着大规模集成电路技术的开展，微型计算机〔简称微机〕诞生了。〔1〕第一代微机１９８１年，ＩＢＭ－ＰＣ机，1983年，推出PC/XT机，使用Intel８０８８／８０８６微处理器，为16位机。〔2〕第二代微机１９８４年，286AT及其兼容机，16位机；(3)第三代微机１９８６年，386微机，32位机；〔4〕第四代微机1989年,Intel80486微处理器问世，32位〔５〕第五代微机1993年，Pentium,PentiumII,PentiumIII,PentiumⅣ。5．关于第五代计算机第五代计算机是通信、存储、信息处理和人工智能相结合的超巨型计算机。6．关于第六代计算机作为计算机的核心元件是更新的光电子元件、超导电子元件或生物电子元件。计算机的开展方向巨型化研制高速度、强功能的大型机和巨型机以适应军事和尖端工业的需要。巨型机的开展集中表达了计算机科学技术的开展水平，它可以推动计算机系统结构、硬件、软件的理论及技术、计算数学以及计算机应用等多个学科的开展，所以它的生产标志着一个国家的尖端科技的开展程度。微型化研制价格低廉的超小型机和微机以开拓应用领域和占领广阔市场，它的研制标志着一个国家的应用水平。信息家电、机顶盒—嵌入系统的用武之地嵌入式计算机技术应用实例路由器，网关—嵌入系统的网络应用火柴嵌入式WEBSERVER嵌入系统用于控制机器人网络化计算机网络就是按照约定的协议将假设干台独立的计算机通过通信线路相互连接起来，形成彼此能够相互通信的一组相关的或独立的计算机系统。它们有数据传输等功能，并具有共享数据、共享计算机资源以及均衡负荷等优点。机群:ClusterComputingClusterComputing是通过互联网把相互独立的计算机组装起来并能互相配合的进行并行计算的一类并行计算机体系结构；机群计算机的体系结构以数量为优势的机群并行计算机

很有可能成为占主导地位的高端计算机体系结构

计算机食物链高性能微处理器:平均18个月性能提高一倍，价格快速降低Moore’slaw

高速网络：快速(100Mb/s)/千兆(1Gb/s)以太网高带宽~1.2Gb/s低延迟(几个~几十us)高可靠性高速交叉开关IBM,3COM,Intel,Cisco等高性能分布式并行计算软件,工具的标准化：自由软件Linux操作系统的成熟和流行.科学计算和商业应用对计算能力不断增长的需要和传统超级计算机的高价格和低普及率。CAD/CAMAerospaceOilReservoirSimulationsLifeSciencesDigitalBiologyE-commerceRDCPS-ILinux机群性价比高适于中小规模并行油藏模拟问题可用于对大规模并行油藏模拟问题的调试消息传递软件开销较大〔~130微秒〕特点：单一系统映像

智能化智能化就是使计算机具有人工智能，具有学习能力、能自动进行逻辑判断、类似于人脑的思维；具有问题求解和推理功能以及具有知识库系统。多媒体化多媒体技术是把电视的视听信息传播能力与计算机交互控制能力相结合。创造出能集文、图、声、像于一体的新型信息处理模块。计算机多媒体化后，将具有全数字式、全动态、全屏幕的播放、编辑和创作多媒体信息的功能，具有控制和传输多媒体电子邮件、电视会议等多种功能，使人耳目一新。1．1．2计算机的应用1．科学技术计算把科学技术及工程设计应用中的各种数学问题的计算，统称为科学技术计算。计算机的应用，最早就是从这一领域开始的．电子计算机在科学计算和工程设计中大有作为，它不仅能减轻繁杂的计算工作量，而且解决了过去无法解决或不能及时解决的问题.2．数据信息处理对数据进行加工、分析、传送、存储及检测等操作都称为数据处理。管理信息系统〔MIS〕逐渐成熟，它把数据处理与经济管理模型的优化计算和仿真结合起来，具有决策、控制和预测功能。MIS在引人人工智能之后就形成决策支持系统〔DDS〕，它充分运用运筹学、管理学、人工智能、数据库技术和计算机科学技术的最新成就，进一步开展了MIS。如果将计算机技术、通信技术、系统科学及行为科学应用于传统的数据处理无法解决的结构不清楚的、包括非数值数据型的信息的办公事务上，就形成了办公自动化系统〔OA〕．3．计算机控制工业过程控制是计算机应用的一个很重要的领域。所谓过程控制，就是利用计算机对连续的工业生产过程进行控制。被控对象可以是一台机床、一座窑炉、一条生产线、一个车间，甚至整个工厂。计算机与执行机构相配合，使被控对象按照预定算法保持最正确工作状态．适合于工业环境中使用的计算机称为工业控制计算机。这种计算机具有数据采集和控制功能，能在恶劣的环境中可靠运行。此外，计算机控制在军事、航空、航天、核能利用等领域的也有广泛的应用。4．计算机辅助技术CAD(ComputerAidedDesign)就是利用计算机来帮助设计人员进行设计．CAM(ComputerAidedManufacturing)是利用计算机来进行生产设备的管理、控制和操作。CAT(ComputerAidedTesting)是利用计算机帮助人们进行各种测试工作。CAI(ComputerAidedInstruction)是利用计算机帮助教师和学生进行课程内容的教学和测验。CIMSComputer-IntegratedManufacturingSystem,计算机集成制造系统5．家庭电脑化随着微型计算机价格的下降及性能的不断提高，特别是多媒体技术的开展，家用个人计算机〔简称家用PC机〕正以空前的速度开展着。PC机开展的结果。这无疑会大大促进家庭信息时代的到来。1．2计算机系统的组成硬件与软件的有机结合，组成计算机系统。1．2．1计算机的硬件系统计算机的硬件是指计算机中的电子线路和物理装置。具有五大部件：输入设备、存储器、运算器、控制器和输出设备。运算器与控制器合称为CPU。

CPU1．存储器存储器的主要功能是存放程序和数据。分为内存和外存。〔哈佛Harward结构〕2．运算器运算器又称为执行部件。ALU是具体完成算术与逻辑运算的部件。存放器用于存放运算操作数。累加器除存放运算操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果。运算器一次能运算的二进制数的位数，称为字长。3．控制器控制器是全机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调地工作。其主要功能是取指令、分析指令、执行指令。4．输入设备将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、数码相机等。输入设备与主机之间通过接口连接。5．输出设备将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形式的设备。常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。1．2．2计算机的软件系统计算机的软件是指根据解决问题的方法、思想和过程编写的程序的有序集合。计算机的软件系统包括应用软件和系统软件两大类：应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序。系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和效劳等功能。软硬件等效性原理：硬件和软件在逻辑上是等效的。因此，计算机系统的软件与硬件可以互相转化，它们之间互为补充。固件：将程序固化在ROM中的部件，具有硬件的快速性和软件的灵活性的特点。1.2.3计算机系统的层次结构计算机系统存在着层次结构，即计算机系统具有层次性，它由多级层次结构组成。功能上看，现代计算机系统可分为五个层次级别。虚拟机器实际机器层次结构的特点：层次之间的关系紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的根底，站在不同的层次观察计算机系统，会得到不同的概念。1．3计算机的特点、性能指标及分类1．3．1计算机的工作特点快速性，通用性，准确性，逻辑性数字电子计算机是一种能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。1．3．2计算机的性能指标1．根本字长它是指参与运算的数的根本长度，用二进制数位的长短来衡量。2．主存容量主存容量可以以字长为单位来计算，