计组ch1计算机系统概论

2021/7/22计算机组成原理陳偉婷办公室：理科大楼B223C课程说明2021/7/222课程必修课，36学时，2学分教材白中英.计算机组成原理（第四版）.科学出版社,2007.参考资料张晨曦等.计算机体系结构.北京:高等教育出版社,2000.蒋本珊编著.计算机组成原理[M].北京：清华大学出版社，2004.成绩平时成绩：40%期末考试：60%。作业必须手写，上课之前交上一次作业实验与本课程对应的实验：“计算机组成实验”期中考试后开始2021/7/223主要内容2021/7/224

计算机系统概论

运算方法和运算器

存储系统

指令系统

中央处理器

总线系统

外围设备

输入/输出系统第1章

计算机系统概论2021/7/225

计算机的分类和应用

计算机硬件

计算机软件

计算机系统的层次结构

计算机发展简史1.1

计算机的分类2021/7/226电子计算机从总体上来说分为两大类：电子模拟计算机特点:数值由连续量来表示，运算过程也是 连续的。电子数字计算机特点:按位运算，并且不连续地跳动计算。数字计算机分类2021/7/227数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分：专用计算机：-专为某些特定问题设计的功能单一的计算机。是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。通用计算机：－功能齐全，适应性很强，但是牺牲了效率、速度和经济性。通用计算机分类通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可分为：超级计算机大型机服务器工作站微型机单片机2021/7/228全球超级计算机前十位（

2011年11月）2021/7/229名称 运行速度（千万亿次/秒）日本“京”10.512中国“天河一号”2.566美国“美洲豹”1.759中国“星云”1.271日本“燕子2.0”

1.192美国“Cielo”1.1107美国“昴宿星”1.0888美国“Hopper”1.0549法国“Tera-100”1.05010美国“走鹃”1.042全球超级计算机前十位（

2010年11月）2021/7/2210运算速度为持续速度¤

1中国天河一号（TH—1A），每秒2566万亿次¤

2美国Cray

Jaguar，每秒1759万亿次¤

3中国曙光星云，每秒1271万亿次¤

4日本NEC/HP

TSUBAME，每秒1192万亿次¤

5美国Cray

Hopper，每秒1054万亿次¤

6法国BULL

Tera—100，每秒1050万亿次¤

7美国IBM

Roadrunner，每秒1042万亿次¤

8美国Cray

KrakenXT5，每秒831.7万亿次¤

9美国IBM

JUGENE，每秒825.5万亿次¤

10美国Cray

CieloXE6，每秒816.6万亿次工作站服务器2021/7/2211112021/7/2212计算机的应用2021/7/2213CAD：计算机辅助设计ComputerAidedDesignCAM：计算机辅助制造ComputerAidedManufacturing科学计算（运算速度）信息处理（存储容量）测量与控制（自动化）人工智能领域其它应用CAI：计算机辅助教学

Computing

AssistedInstruction…

…2021/7/2214第1章

计算机系统概论2021/7/2215

计算机的分类和应用

计算机硬件

计算机软件

计算机系统的层次结构

计算机发展简史冯·诺依曼型计算机2021/7/2216设计思想：存储程序并按地址顺序执行使用二进制数并存储程序按地址自动执行五大部件：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备1.2

计算机的硬件组成输入设备存储器输出设备结果2021/7/2217数据存数

取数运算器五大部分:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备实线：控制流

虚线：反馈线

粗线：数据流输入命令

输出命令控制器数字计算机的主要组成结构2021/7/2218运算器算术运算和逻辑运算在计算机中参与运算的数是二进制的运算器的长度一般是8、16、32或64位运算电路单元寄存器B累加器A2021/7/2219存储器2021/7/2220存储数据和程序（指令）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）¤

位(bit)1位二进制信息（0或1）数字计算机的最小信息单位¤

字节（Byte）1Byte=8bit¤

字（Word）计算机一次所能处理的一组二进制数,至少由一个以上的字节组成通常把组成一个字的二进制位数叫做字长¤

存储器容量即存储器所有存储单元的总数，常用KB、MB、GB、TB等来表示1KB＝1024B＝210Byte，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB＝1024GB2021/7/2221手工计算y=ax+b-c存储器的三大指标容量(C)+价格(P)+速度(S)容量大 速度

,

速度 成本 容量采用分级存储方式来解决上述矛盾辅存CPU主存辅存辅助软硬件主辅存两级存储系统cache主辅存三级存储系统辅存主存

cache

主存2021/7/2222控制器2021/7/2223指挥和控制计算机中各部件使其协调一致工作。指令：操作码+地址码程序：指令的有序集合指令系统：一台计算机所拥有的全部指令存储程序的概念¤

指令和数据都以二进制的形式存放在存储器中（二进制原理）¤

机器自动顺序取出每条指令进行分析，执行其规定的操作（程序控制原理）计算机执行模拟过程控制器的基本任务控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。－取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；－执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。2021/7/2224I/O设备、适配器与总线2021/7/2225输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式适配器：相当于一转换器，以使主机和外围设备并行协调地工作总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路第1章

计算机系统概论2021/7/2226计算机的分类和应用计算机硬件计算机软件计算机系统的层次结构计算机发展简史计算机软件的组成与分类2021/7/2227计算机硬件是载体，软件是灵魂。凡是用于一台计算机的各种程序，统称为这台计算机的程序或软件系统。计算机软件的分类：系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。包括：1）各种服务性程序2）语言程序3）操作系统

4)

数据库管理系统应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。软件的发展演变2021/7/2228手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序操作系统分布式系统软件高级语言的出现1954年美国商业机器公司(IBM)的J.W.巴克斯等人发表第一个高级程序语言FORTRAN文本,1956年在IBM704型电子计算机上实现了第一个FORTRAN编译程序。2021/7/2229第1章

计算机系统概论2021/7/2230计算机的分类和应用计算机硬件计算机软件计算机系统的层次结构计算机发展简史1.4计算机系统的层次结构计算机层次结构2021/7/22312021/7/2232软、硬件的逻辑等价性2021/7/2233随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限变得模糊，实体硬件机的功能范围不断扩大。固件：从功能看是软件，从形态看是硬件。第1章

计算机系统概论2021/7/2234计算机的分类和应用计算机硬件计算机软件计算机系统的层次结构计算机发展简史计算机进展时序表2021/7/22351904年1939年1940年1943年弗来明发明真空管和二极管；阿塔纳索夫(John

Atanasoff)和拜利(CliffordBerry)在衣阿华大学发明第一台计算机。1973年关于一项专利侵权诉讼案裁定，该项研究是现代计算机的思想起源；德国的祖斯(KonradZuse)利用二进位数和布尔逻辑(Booleanlogic)开发出第一台可编程计算器，他的程序是在纸带上编辑的；世界上第一台电子管可编程逻辑计算器“克罗苏斯”在英国建成，用于破译德国纳粹的密码。

“克罗苏斯“平均两小时破译一份密码电报；1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管。2021/7/2236Konrad

Zuse

（1910-1995）1939至1941年Zuse完成了世界上第1台机电式、程序控制的数字计算机Z32021/7/22371945年图灵在《万用机器》(UniversalMachine)杂志上发表论文，阐述现代计算机原理1950年图灵发表论文“计算机与智能”，奠定了人工智能的基础2021/7/22381945年冯·诺依曼写出描述存储程序计算机的文件，奠定了计算机工业的基础。他的工作与图灵相对独立；冯·诺依曼是成就卓著的科学家，在现代数学、量子物理学、逻辑学、气象学、军事学、经济学、决策论、博弈论以及计算机等学科都做出了重大贡献。John

Louis

von

Neumann（1903-1957）2021/7/22391946年第一台电子数字计算机ENIAC在宾夕法尼亚大学诞生2021/7/2240Vacuum

tube

in

ENIAC2021/7/2241Input

Pannel2021/7/2242Cable2021/7/2243Programing2021/7/2244Debug(线路检查)2021/7/22451947年1949年贝尔电话实验室的巴顿、布拉泰因和肖克利发明晶体管;贝尔实验室公布香农(Shannon)的中继逻辑理论；1876年贝尔发明电话贝尔实验室2021/7/22461951年1952年“尤尼瓦克”（UNIVAC）成为第一台商用计算机；第一个数据库在美国无线电公司的“俾斯麦”(Bizmac）计算机使用；1952年海军上将霍伯研制出计算机程序编译器，导引了用户友好语言的创造，打开了通向更大规模计算机应用和用户的大门；Grace

M.

Hopper美国前总统里根在白宫给霍普颁奖2021/7/22471954年1955年1957年1958年1958年1958年阿姆代尔(GeneAmdahl)为IBM704型机开发出第一套计算机操作系统；约翰逊(ReynoldJohnson）开发出第一个磁盘驱动器；FORTRAN语言成为商用语言；德克萨斯仪器公司的基尔比发明集成电路；控制数据公司的克雷(SeymourCray)开发出第一台晶体管化的计算机；ALGOL计算机语言，一种专门为编程科学计算而设计的高层次语言投入使用；2021/7/22481959年1961年1962年1963年1964年1964年COBOL计算机语言创造出来；硅芯片首次出现；第一台小型机投入使用；SRI公司的英格利巴特(DouglasEnglebart)获得计算机鼠标概念的专利；IBM公司推出360型计算机，该型机在其生命周期内的销售额将达1000亿美元；凯迈尼(JohnKemeny)和库尔兹(ThomasKurtz)开发出BASIC计算机语言；2021/7/22491965年1965年英特尔公司总裁摩尔提出，集成电路的复杂性每18个月翻一番。在这后来成为著名的“摩尔定律”，并被应用到微处理器速度上；数字设备公司(DEC)推出PDP-8小型计算机；Moore2021/7/22501969年

开发出PASCAL计算机语言；1971年

英特尔冷巴的4004通用型

4比特微处理器,开始向英特尔公司著

名的386、486系列计算机以及“奔腾”处理器过渡;1973年

施乐(Xerox)首次开发出以太网区域网络(LAN)技术；1975年

比尔·盖茨和保尔·艾伦创建微软公司；2021/7/2251+2021/7/2252=MicrosoftAltair8800+Bill

Gates=Microsoft牵牛星8800+比尔.盖茨=微软微软(Microsoft)的诞生（1975）1976年1976年1979年1980年1981年1982年1983年1983年史蒂夫·乔布斯(Steve

Jobs)和史蒂夫·乌兹尼亚克

(Steve

Wozniak)成立苹果计算机公司；

IBM公司阿兰·舒格特(AlanShugart)发明5.25英寸软盘；布瑞克林(DanBricklin)推出维西卡尔(Visicalc)制表软件；IBM公司艾斯特里奇(PhilipEstridge)开发出个人计算机(PC)机用的第一个硬驱动器，容量10MB；IBM公司推出PC机；第一台IBM兼容性PC机由哥伦比亚数据系统公司推出苹果计算机公司推出“麦金托什”计算机；微软公司推出微软窗口1.0软件。2021/7/2253现代计算机理论基础2021/7/2254布尔代数阿塔纳索夫计算机三原则图林机维纳现代计算机五大原则香农计算机开关电路冯诺依曼计算机原理电子计算机之父1939年年底，阿塔那索夫教授和贝利组成的团队发明了

Atanasoff-Berry计算机。它重700磅，有300多个真空管，以及1英里长的电线。它可以在每15秒钟完成一个计算操作。使用了电子真空管，采用二进制数代替十进制数，将电容器放置在一个旋转的圆筒中充当存储器，增加一个充电过程以防止因为掉电而引起存储的数据丢失。克利福德·贝利约翰·阿塔那索夫2021/7/2255现代电子计算机之父2021/7/22561944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼在第一台现代计算机

ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。冯·诺依曼体制引进存储程序概念，程序和数据一样放在同一个存储器中数据以二进制码表示机器以运算器为核心指令由操作码和地址码两部分构成计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分构成这些理论奠定了现代计算机的基本思想，到目前为止，大多数计算机沿用这一体制，人们称其为冯·诺依曼体制2021/7/2257数字计算机的发展2021/7/2258计算机发展的6个规律2021/7/2259Moore定律：¤

微处理器内晶体管数每十八个月翻一番；Bell定律：¤

如保持计算能力不变，微处理器价格，每十八个月减少一半；Gilder定律：¤

未来25年（1996年预言），主干网带宽每6个月增加一倍；Metcalfe定律¤

网络价值同网络用户数的平方成正比。半导体存储器发展规律：¤

DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍硬盘存储技术发展规律：¤

硬盘的密度每年增加约一倍Moore’s

Law2021/7/2260新摩尔定理由于国际互联网及电子商务的超高速的发展，从现在起，每18个月,新增的存储量等于有史以来存储量之和!———1998年图灵奖获得者Jim

Gray2021/7/2261计算机发展的趋势2021/7/2262速度越来越快体积越来越小成本越来越低功耗越来越低计算机系统的发展趋势2021/7/2263计算机网络与分布式计算机系统 以通信为中心的体系结构知识库与人工智能技术从数值计算为主发展到以知识推理为主，进入知识处理阶段多处理机并行计算技术：模块化计算机系统结构多媒体技术：在微处理器、计算机网络和通信等方面引起一次重大改革我国计算机技术的发展1958年：第一台电子管计算机103机(DJS-1)1965年：第一台晶体管计算机108机1970年：第一台集成电路计算机(DJS—100)1985年：银河－I巨型机1亿次/S国防科大1984年：长城0520系列(与IBM－PC兼容)1992.11：银河－II巨型机10亿次/S国防科大1997.6：

银河－Ⅲ巨型机

130亿次/S银河－II巨型机2021/7/2264计算机体系结构－计算机组成－计算机实现2021/7/2265计算机体系结构概念的实质是确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能。计算机组成（ComputerOrganization）指的是计算机体系结构的逻辑实现，包括物理机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于