计算机组成原理01绪论课件

计算机组成原理第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向1、课程的目的，内容和要求本课程主要讲授计算机的硬件系统工作的基本原理，对计算机的硬件工作机理，计算机的硬件和软件之间的关系，计算机的性能指标等方面有一个比较系统的了解。先修课计算机导论后续课嵌入式系统操作系统计算机接口技术单片机原理与应用是计算机专业的一门考研课课程的内容绪论计算机的逻辑部件运算方法和运算器指令系统存储系统CPU总线系统输入输出系统输入输出设备课程的组成课堂授课（38学时）课上实验（10学时）作业测验和考试成绩评定：平时30%+期末考70%总成绩=出勤+作业+测验+实验+考试30%课程的要求不迟到早退不旷课记笔记及时完成作业，不完成没有成绩测验和考试不缺席及时反馈意见参考资料王爱英主编，计算机组成与结构（第5版），清华大学出版社，“十一五”国家级规划教材（第4版）王诚等，计算机组成与设计，清华大学出版社徐煜明主编，数字电子技术与逻辑设计教程，电子工业出版社，“十一五”国家级规划教材白中英主编，计算机组成原理，科学出版社，“十一五”国家级规划教材侯炳辉等编著，计算机原理与系统结构，清华大学出版社，高等学校教材第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向2、计算机的发展、分类及应用人类的计算工具算盘计算尺机械计算机模拟计算机数字计算机1943——1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机（简称“（ENIAC）埃尼亚克”）是世界上第一台电子计算机——现代计算机的始祖。1.8万多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平米，耗电140千瓦，每秒钟能计算5000次加法。缺点：1.存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数

2.用线路连接的方法来编排程序，每次解题都需要人工改接连线，准备时间大大超过了实际计算时间电子管计算机-ENIACENIAC40年代的编程方法第一台具有存储程序功能的计算机

与此同时，冯.诺依曼与莫尔小组合作研制EDVAC(埃德瓦克)(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，即电子离散变量自动计算机)计算机，采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯.诺依曼计算机。电子计算机之父——美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼冯.诺依曼计算机的基本特点计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成；采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器中运算；数据以二进制码表示；指令由操作码和地址码组成；指令在存储器中按执行顺序存放；机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器

冯式结构改进后的结构计算机发展阶段第一代——电子管计算机时代（约1946-1957年）第二代——晶体管计算机时代（约1958-1964年）第三代——中小规模集成电路计算机时代（约1965-1970年）第四代——大规模超大规模集成电路计算机时代（约1971年至今）我国计算机的发展1

我国计算机的研究工作是从1956年开始的。

1958年，我国第一个计算技术研究所——中国科学院计算机技术研究所正式建立。

1958年10月，我国研究成功电子管数字计算机。

1964年，晶体管数字计算机问世。

1971年，开发出了集成电路数字计算机。我国计算机的发展21975年，开始研制微型计算机。1978年，研制出了每秒500万次的大型计算机。1984年，国防科技大学成功研制出每秒1亿次的“银河”电子计算机，随后又研制出了“银河II型”机和“银河III型”机。2000年，超级计算机最高浮点运算速度达到每秒1万亿次，我国的神威号计算机的运算速度达到3840亿次，使我国成为美国、日本之后国际上第三个拥有高速计算机的国家。2013年，我国制造出世界上最快的计算机——天河-2，每秒54.9千万亿次浮点计算能力的超级计算机，比美国最快超级计算机的速度快一倍我国计算机的发展32016年，在全球超级计算机500强榜单中，使用中国自主芯片制造的“神威太湖之光”取代“天河二号”登上榜首，“神威太湖之光”的浮点运算速度为每秒9.3亿亿次，不仅速度比第二名“天河二号”快出近两倍，其效率也提高3倍。更重要的是，与“天河二号”使用英特尔芯片不一样，“神威太湖之光”使用的是中国自主知识产权的芯片。“神威太湖之光”超级计算机“神威太湖之光”超级计算机的交换机网线我国计算机的发展4“神威太湖之光”采用中国自主研发的晶片技术，共安装多达40960个处理器核心，系统峰值性能为每秒12.5亿亿次，运算性能可达每秒9.3亿亿次，性能功耗比为每瓦特60.5亿次，均居世界第一。“神威太湖之光”这部超级电脑1分钟的运算能力，相当于全球72亿人同时使用电脑连续32年；若以2016年生产的主流笔电或个人桌机来说，“神威太湖之光”这部超级电脑相当于2百多万台电脑。我国计算机的发展52017年全球最快超级电脑最新排行榜出炉，国际TOP500组织，于6月19日公布全球超级电脑的榜单，根据Top500所公布的榜单，今年的冠亚军和去年一样，都是由中国的“神威太湖之光”和“天河二号”携手夺下。2018年最快电脑是美国——Summit，中国的“神威太湖之光”排名第二，“天河二号”排名第四。但中国在TOP500榜单上的系统数量仍超过其他任何国家。此次名单上有202台中国超级计算机和124台美国超级计算机。计算机的分类按信息的形式和处理方式分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机

按规模分：

数字计算机

电子模拟计算机电子数字计算机

最有效、最经济和最快速，适应性差适应性好，牺牲了效率、速度和经济性计算机的应用

科学计算——计算机应用最早的领域数据处理计算机控制计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）人工智能嵌入式应用嵌入式在消费电子中的应用（1）手机（2）电子书阅读器（3）摄像机血糖仪便隽式心电监护仪智能输液泵嵌入式在医疗设备中的应用交换机路由器ADSL（宽带）上网嵌入式在网络中的应用嵌入式在汽车中的应用嵌入式在军事中的应用可穿戴产品Netatmo

June的智能手镯SmartyRing智能戒指大疆DJI精灵4PRO无人机无人机搭载机枪电影《战狼2》中的无人机电影中的无人机电影《战狼2》中的无人机第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向计算机里有什么？计算机系统的组成硬件：构成计算机系统的实际装置软件：为便于计算机应用和对硬件进行管理而编写的程序硬件软件指令系统指令系统计算机系统硬件软件主机外部设备

中央处理器CPU内存运算器控制器随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)输入设备：键盘、鼠标、光笔输出设备：显示器、打印机系统软件（操作系统、数据库系统等）应用软件（各种应用软件）外存储器：磁带、磁盘、光盘通信设备：网卡、调制解调器计算机系统的组成结构图第3章第6章第5章第7章指令系统IO系统第4章计算机系统的分类目前常用的是1966年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法，其中指令流是机器执行的指令序列，数据流是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列4类。单指令流单数据流（SISD）计算机系统由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从存储器取（或存）一个数据。为了提高运算速度，有些计算机设置了指令流水线和运算操作流水线，还有的设置了多个功能部件和多体交叉存储器单指令流多数据流（SIMD）计算机系统由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成。在程序运行时由指令控制部件向各个处理器传送同一条指令，处理器执行指令时所需的数据是从存储器中取的，各处理器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流多指令流单数据流（MISD）计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。这种计算机很少或根本不存在多指令流多数据流（MIMD）计算机系统由多台处理器（包括指令控制部件和处理器）和多个存储器组成，每台处理器执行各自的指令，存取各自的数据。原始数据计算结果输出设备计算步骤输入设备数据地址结果运算器指令存储器控制器计算机硬件的基本组成运算器和控制器总称为CPU冯·诺依曼型计算机的工作原理:

存储程序顺序控制主要硬件简介运算器完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件。组成：累加器（用符号LA）通用寄存器（用符号LB）算术逻辑单元（用符号ALU）

存储器内存储器外存储器只读存储器高速缓冲存储器寄存器又叫主存储器，简称内存或主存，存放当前正在计算机上运行的程序和数据主要硬件简介控制器用于控制整个计算机自动地、连续地和协调地完成一条条指令。组成：指令部件时序部件操作控制部件程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器ID由触发器组成一组逻辑电路时钟信号源、节拍发生器和微操作电路主要硬件简介

鼠标、软盘、键盘、触摸屏、声音识别器、图形识别器、摄像设备和光阅读机等。输出设备

打印机、绘图仪、显示终端、声响设备、大屏幕等。输入设备主机显示器键盘鼠标写字板PC机硬件配置第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向4、计算机软件

计算机软件是指计算机系统使用的各种程序和文档资料的总称分类：系统软件、应用软件操作系统(如DOS、Windows、UNIX、OS/2等)语言编译和解释系统网络软件、数据库管理系统(如FoxBASE、Oracle等)系统服务程序(如诊断程序等)系统软件系统软件应用软件信息管理软件(如工资管理软件、人事管理软件等)科学计算程序文字与表格处理软件(如WPS、Word、Excel等)图形与图像处理软件(Photoshop、3DMAX)等辅助设计软件(如CAD、CAM、CAI、CAT等)应用软件第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向5、计算机的语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言程序设计语言：人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或称程序设计语言,即编写程序所采用的语言就是程序设计语言。计算机语言分类：第一代——机器语言第二代——汇编语言第三代——面向过程程序设计语言第四代——面向对象程序设计语言第五代——基于Web的语言

程序设计语言的种类Web语言

:Java、J++、HTML、XML高级语言

面向过程：BASIC、PASCAL、FORTRAN、C面向对象：C++、VisualBASIC机器语言:由0和1组成的二进制代码序

列，计算机可直接执行。汇编语言:将二进制形式的机器指令代

码序列用符号（助记符）表示。程序设

计语言5、计算机的语言—机器语言特点：

1.从形式上表现为由0、1序列组成的指令系统2.机器语言不需要经过任何翻译工作，执行效率高3.难记忆，难理解，难开发，难调试，易出错4.不同型号CPU的指令集有较大差异，对应的机器指令也不同，但同一系列的CPU指令集有向上兼容性，如：Intel80386指令集就包含了8086的指令集A0002002060120A202205、计算机的语言—汇编语言A0002002060120A20220MOVAL,VAR1ADDAL,VAR2MOVVAR3,AL优点：可读性较好，便于检查和修改错误缺点：1.基本操作简单，描述问题的能力差，编写程序工作量大，源程序较长。

2.编写的程序与问题的描述相差甚远，可读性仍不好。

3.依赖于计算机的硬件结构和指令系统，可移植性差5、计算机的语言—高级语言A0002002060120A20220MOVAL,VAR1ADDAL,VAR2MOVVAR3,ALC=a+b优点

1.与计算机的硬件结构和指令系统无关

2.表达方式比较接近自然语言

3.描述问题的能力强

4.可读性、通用性和可维护性好

5.与机器的字长、寄存器、内存单元地址等无关缺点1.高级语言必须翻译成机器语言才能执行，由于编译过程复杂死板，翻译出来的机器语言冗长，占内存大，速度慢；2.高级语言不能编写访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。解决第二个缺点的方法：提供高级语言与汇编语言的调用接口第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向6、计算机系统的层次结构用高级语言编写程序翻译成机器语言执行程序人工编写计算机上运行计算机上运行源程序目标程序输出结果计算机的解题过程6、计算机系统的层次结构虚拟机器M4(高级语言机器)虚拟机器M3(汇编语言或中间语言机器)虚拟机器M2(操作系统语言机器)实际机器M1(机器语言机器)高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言或中间语言程序本级语言程序经编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言一般用机器语言解释操作系统语言由硬件或微程序执行机器语言硬件依靠软件才存在的机器第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向7、计算机主要的技术指标字长指计算机中每次运算的数所包含的二进制数的位数。位数越多，表示数的精度越高。存储容量包括主存储器和外存储器的容量。主存容量是指主存储器存储单元的总数外存容量一般是指计算机系统中联机的外存储器的容量。运算速度指计算机每秒钟执行指令的条数。完成一条指令的时间（包括取出指令和执行指令的时间）称为指令周期。7、计算机主要的技术指标配置的软件及外围设备的种类计算机系统允许配置的系统软件种类满足用户的需要，用户可根据自己的需要选择购买系统软件和应用软件。可靠性、可用性和可维修性可靠性可用无故障平均间隔时间MTBF衡量,MTBF等于计算机系统有效使用时间除以故障次数。可用性是指计算机系统有效使用时间除以有效使用时间加上故障修复时间之和。可维修性用故障修复的平均时间来衡量。第一章绪论1、课程的目的，内容和要求2、计算机的发展、分类及应用3、计算机的硬件组成4、计算机软件5、计算机的语言6、计算机系统的层次结构7、计算机主要的技术指标8、计算机的发展趋势和方向8、计算机的发展趋势和方向巨型化微型化网络化智能化巨型化指计算机具有极高的运算速度、大容量的存布空间、更加强大和完善的功能，主要用于航空航天、军事、气象、人工智能、生物工程等学科领域。微型化大规模及超大规模集成电路发展的必然。从第—块微处理器芯片问世以来，发展速度与日俱增。计算机芯片的集成度每18个月翻一番，而价格则减一半，这就是信息技术发展功能与价格比的摩尔定律。计算机芯片集成度越来越高，所完成的功能越来越强，使计算机微型化的进程和普及率越来越快。网络化计算机技术和通信技术紧密结合的产物。尤其进入20世纪90年代以来，随Inter的飞速发展，计算机网络已广泛应用于政府、学校、企业、科研、家庭等领域，越来越多的人接触并了解到计算机网络的概念。计算机网络将不同地理位置上具有独立功能的不同计算机通过通信设备和传输介质互连起来，在通信软件的支持下，实现网络中的计算机之间共享资源、交换信息、协同工作。引算机网络的发展水平已成为衡量国家现代化程度的重要指标．在社会经济发展中发挥着极其重要的作用智能化让计算机能够模拟人类的智力活动，如学习、感知、理解、判断、推理等能力。具备理解自然语言、声音、文字和图像的能力，具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话。它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集记忆、检索有关知识的能力。柯洁大战阿尔法狗会弹钢琴的机器人Teo

从目前计算机的研究情况可以看到，未来计算机将有可能在光子计算机、生物计算机、量子计算机等方面的研究领域上取得重大的突破1、量子计算机定义量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理的量子物理设备。当某个设备处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。特点宏观上电子计算机用电位的高低来表示0和1以进行存储和计算。而量子元件通过控制粒子波动的相位来实现输出信号的强弱和有无，量子计算机通过利用粒子的量子力学效应，如光子的极化、原子的自旋等来表示0和1以进行存储和计算。1、量子计算机如何实现量子计算目前已经提出的方案主要是利用了冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。只是量子点方案和超导量子干涉方案更适合集成化和小型化。2、神经网络计算机生物大脑神经网络可看做一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算网络。神经网络能有效地组织和处理信息。对神经网络进行研究，并从大脑工作的模型中抽取计算机设计的模型就是所谓的神经网络计算机。神经网络计算机是模仿人的大脑的判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的计算机。以往的信息处理系统只能处理条理清晰、经络分明的数据。而人的大脑活动具有能处理零碎、含糊不清的信息的灵活性。神经网络计算机将类似于人脑的智慧和灵活性。2、神经网络计算机神经网络计算机的信息不是存储在存储器中，而是存储在神经元之间的联络中。若有节点断裂，电脑仍有重建资料的能力。它还具有联想、记忆、视觉和声音识别能力。日本科学家已开发出神经网络计算机用的大规模集成电路芯片，在1.5cm的硅片上可设置400个神经元和40000个神经键，这种芯片能实现每秒2亿次的运算速度。1990年，日本理光公司宣布研制出一种具有学习功能和大规模集成电路的“神经LST”。这是依照人脑的神经细胞研制成功的一种芯片，它处理信息的速度为每秒90亿次。2、神经网络计算机富士通研究所开发的神经电子计算机，每秒更新数据速度近千亿次。日本电气公司推出一种神经网络声音识别系统，能够识别出任何人的声音，正确率达99.8％。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电子计算机。右脑为经验功能部分,有1万多个神经元,用于图像识别；左脑为识别功能部分,含有100万个神经元,用于存储单词和语法规则。神经网络计算机具有智能性，能模拟人的逻辑思维、记忆、推理、设计分析和决策等智能活动，并能和人进行自然通信。3、化学、生物计算机在运行机理上，化学计算机以化学制品中的微观碳分子作信息载体，来实现信息的传输与储存。因此，它具有更小的体积、更快的运算速度和强大的计算能力，其信息传输速度可能比人脑思维速度还要快若干倍。1995年，来自各国的200多位有关专家共同探讨了DNA（脱氧核糖核酸）计算机的可行性，认为DNA分子间在酶的作用下可以从某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果，利用这一过程可以制成新型的生物计算机。3、化学、生物计算机生物芯片现今科学家已研制出许多种生物计算机的主要部件——生物芯片，例：合成蛋白芯片、血红素芯片、赖氨酸芯片等。世界上第一个“分子电路”美国明尼苏达州立大学已经研制出世界上第一个“分子电路”，由“分子导线”组成的显微电路只有目前计算机电路的千分之一。DNA计算机麦迪逊威斯康新大学的研究人员,利用人工合成的DNA链状结构制造出一台DNA计算机,并且很巧妙地让它来解决一些相对复杂的运算问题。这是一种非自动化的计算机－就像算盘一样,但是,这种计算方式可以像常规计算机一样实现自动化。3、化学、生物计算机生物计算机的速度据有关分析测量，如果生物计算机研制成功，其运算速度是目前传统计算机根本无法比拟的，它几十小时的运算量就相当于目前全球所有计算机运算量的总和。生物计算机的存储量生物计算机的存储量也大得惊人。科学家采用有机的蛋白质分子构成的生物芯片代替由无机材料制作的硅芯片，其大小仅为现在所用的硅芯片的十万分之一，而