计算机组成与结构 - 大连理工大学课程建设工程

T

计算机组成与结构

大连理工大学软件学院

软件工程系赖晓晨

far.away@

学习的思路

1.宏观的视角一知道自己在学什么、做什么

2.注重内容而非形式一叫什么、是什么、为什么

3.勤于思考，透过现象看本质！

4.培养独立解决问题的能力、树立学习的信心！

5.Google是最好的老师()

课程说明

学时：

力上课：64学时

成绩：

十期末闭卷考试

9平时成绩（课堂提出问题与回答问题、作业完成

情况）

答疑：

«课程网立占：

9邮箱：far.away@

几点要求

。按时上课，认真听讲，笔记、复习。

。课上随时可以提问，鼓励大家提问，欢迎大

家和我一起讨论问题！

请大家按时独立完成课后作业。

♦:♦课上请大家关掉手机。

参考书目

。王爱英《计算机组成与结构》第4版，清华

大学出版社

。王爱英计算机组成与结构习题集，清华大

学出版社

。戴梅萼《微机原理》清华大学出版社

郑纬民《计算机体系结构》清华大学出版社

目录

第1章概论第7章存储系统

第2章逻辑部件第8章辅助存储器

第3章运算方法和第9章输入输出设备

运算部件第10章输入输出系统

第4章主存储器第11章计算机系统

第5章指令系统

第12章计算机设计

第6章中央处理部件

第一章计算机系统概论

计算机的语言

计算机的硬件

♦:.计算机系统的层次结构

计算机发展简史和用途

计算机网络

n

第一节

计算机的语言.

I

计算机的概念、自然语

言、高级语言、机器语

言、指令、助记符

*

一、什么是计算机

计算机是一种

能够接受输入、处

理数据、存储数据、

产生输出的设备

二、计算机语言的概念

自然语言

❖高级语言

指令、指令集

♦:♦机器语言

❖助记符、汇编语言

指令的组成

一条指令通常由两部分组成

力操作码：规定该指令执行的运行类型

Y地址码（操作数）：规定对哪些数据进行运算

0011001

汇编语言

一条指令通常由两部分组成

力操作码：规定该指令执行的运行类型

Y地址码（操作数）：规定对哪些数据进行运算

0011001

助记符

-----------------------------源操作数

ADDAX,[9]目的操作数

计算机指令举例

♦:♦指令举例：y=ax+b

MOVAX,[08]

MULAX,[10]800101a

ADDAX,[9]900011b

MOV[11],AX1001100X

CALLPRT11y

HALT

MOVAX,[08]

计算y=ax+b的实例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作码地址码操作HALT

11011000(8)->AX

指令的操作码定义

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作码

41101011AX->(11)加法001

5111print减法010

6000halt乘法011

数据地址除法100

800101a取数101

900011b存数110

1001100X打印111

停机000

11y

MOVAX,[08]

计算y=ax+b的实例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作码地址码操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作码定义

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+(9)一AX指令操作码

41101011AX->(11)加法001

5111print减法010

6000halt乘法011

数据地址除法100

800101a取数101

900011b存数110

1001100X打印111

停机000

11y

MOVAX,[08]

计算y=ax+b的实例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作码地址码操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作码定义

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+(9)-AX指令操作码

41101011AX->(11)加法001

5111print减法010

6000halt乘法011

数据地址除法100

800101a取数101

900011b存数110

1001100X打印111

停机000

11y

MOVAX,[08]

计算y=ax+b的实例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作码地址码操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作码定义

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作码

41101011AX->(11)加法001

5111print减法010

6000halt乘法011

数据地址除法100

800101a取数101

900011b存数110

1001100X打印111

停机000

11y

MOVAX,[08]

计算y=ax+b的实例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作码地址码操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作码定义

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作码

41101011AX->(11)加法001

5111print减法010

6000halt乘法011

数据地址除法100

800101a取数101

900011b存数110

1001100X打印111

停机000

11y

MOVAX,[08]

计算y=ax+b的实例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作码地址码操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作码定义

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作码

41101011AX->(11)加法001

5111print减法010

6000halt乘法011

数据地址除法100

800101a取数101

900011b存数110

1001100X打印111

停机000

11y

计算机语言比较

汇编语言机器码

y=ax+bMOVAX,[08]11011000

MULAX,[10]20111010

ADDAX,[9]30011001

MOV[11],AX

41101011

CALLPRT

5111

HALT

6000

7

800101

900011

1001100

11

第二节

计算机硬件

计算机硬件组成部分、

总线

计算机硬件组成

♦:♦硬件是由电子的、磁性的、机械的器件组成

的物理实体，包括运算器、控制器（中央处

理器）、存储器、输入设备和输出设备等5

个基本组成部分。

CPU:

CentralProcessingUnit

硬件结构框图

硬件

主机外设

系

统

总

线计算机的硬件组成

算术运算、逻辑运算。加

法、移位

决定指令执行顺序、译码、

发出控制指令

地址选通、多级存储

接受原始数据，给出运算

结果

总线bus

ABus

CBus

DBus

a,bx

三总线结构计算机原理图

计算机的基本组成

第三节

计算机系统层次结构

虚拟机器、计算机语言

的演变、编程语言类型

计算机破件系统层次

计算机

系统级

寄存器级

门级

晶体管级

MOSTTL物理级

计算机软件系统层次

虚拟计舁机的层次结构

计算机体系的层次结构

软

件

部

分

硬

件

部

分

计算机语言

。机器语言：机器码结

构

^01110010化

。低级语言：汇编语言变

强

^movax,01h，

。高级语言：c、pascakfortun>basic

9for(i=0;i<100;i++);

。应用语言：数据库语言

^^Select

■■

计算机程序的执行方式

编译执行

解释执行

计算机系统与用户的关系

T

第四节

计算机发展简史

计算机阶段、计算机分

类、计算机用途

一、计算机发展历史

巴贝奇分析机

巴贝奇分析机部件

CharlesBabbage

1792-1871

后人复制的差分机

人类历史上第一台计算机：ENIAC

H重达30吨

占地170m2

H耗电150千瓦

H18000个电子管

H计算5000次/每秒

电子数字积分计算机

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator

OWN山

计算机发展历史

。第一代(1946——1957):电子管

ENIAC.ABC、IBM701

机器语言、汇编语言

科学计算

下

计算机发展历史世

纪

第二代(1958——1964)：晶体管最

伟

IBM7094.CDC1640大

的

发

高级语言明

数据处理、事物管理、工业控制

计算机发展历史

第三代(1965——1971)：集成电路

IBM360.IBM370、DECPDP-X

操作系统

文字处理、图形处理

计算机发展历史

。第四代（1972至今）大规模集成电路LSI和超

大规模集成电路VLSI微型机

牵牛星8800

苹果APPLE-2

IBM一PC

数据库、网络等社会的各个领域

二、计算机的分类

按处理对象分类

1.模拟计算机:

速度快、精度低

2.数字计算机：

精度高、便于存储

3.数字模拟混和计算机：造价高

计算机的分类

♦按用途分类

专用计算机：

功能单一、结构简单、

可靠屉高、适应性差）特定

情况下最有效、最经济、最

快速

通用计算机：一J

功能齐全、适应

性强，在某些具体

环境下运行效率低

计算机的分类

*按规模分类

Y巨型：速度最快,处理能力最强

i大中型：通用，较快，较强

i小型：规模小，结构简单，设计试制周期短

小微型：小，巧，轻，使用方便，价格便宜

巨型机

巨型机：

速度最快、处理

能力最强。

例如：曙光4000L644GB内存,浮点运

算达每秒3万亿次.目前多用于战略武器（如

核武器和反导弹武器）的设计，空间技术，

石油勘探，中、长期天气预报等领域。

TOP10SitesforJune2007/lists/2007/06人

Formoreinformationaboutthesitesandsystemsin“皿…蓝色基因：万亿次浮点

completelist,367

运算每秒

RankSiteComputer---------------------------------------------------------------------

BlueGene/L-eServerBlueGene

DGE/NNSA/LLNL

Solution

UnitedStates

IBM

2OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT4/XT3

UnitedStatesCrayInc.

RedStorm-Sandia/CrayRedStorm

3NNSA/SandiaNationalLaboratories4

Opteron2.4GHzdualcore

UnitedStates

CrayInc.

IBMThomas工WatsonResearchCenterBGW-eServerBlueGeneSol

4

UnitedStatesIBM

StonyBrook/BNL.NewYorkCenterforNev-/YorkBlue^erverBlueGene

5ComputionalSoencesSolution

UnitedStatesIBM

ASCPurple-eServerpSeriesp5575

DOE/NNSA/LLNL

61.9GHz

UnitedStates

IBM

RensselaerPolytechnicInstitute」Computional

eServerBlueGeneSolution

7CenterforNanotechnologyInnovations

IBM

UnitedStates

Abe•PowerEdge1955,2.33GHz,

NCSA

8.Infiniband

UnitedStates

Dell

MareNostrum-BladeCenterJS21

§BarcelonaSupercomputingCenter

Cluster,PPC970,23GHz,Myrinet

Spain

IBM-----------------------

LeibnizPechenzentrumHLRB-II-Atox470C地球模拟器

10

GermanySGI43万亿次浮点运算每秒

v

侬、百可以修费眄日向加2007,~2007

大型机

♦:♦大型机：这覆盖国内常

说的大、中型机。特点

是通用，具有很强的综

合处理能力和管理能力。

主要用于大银行、大公

司、规模较大的高校和

科研院所。

zSeries800大型机

小型机

♦:♦小型机：结构简单，维护

方便，成本较低，易于推

广。不需要经长期培训即

可维护和使用5主要用于

企业管理、数据采集与分

析。

PDP-11小型机

微型机

微型机：

以小、巧、轻、

使用方便、价格便

宜、软件丰富、功

能齐全、等优势而

拥有广大的用户

三、计算机的用途

计算机的发展趋势

巨型化

微型化

多媒体摩尔定律

网名各化

智能化

摩尔定律

19751985

晶

体10M-Mlnm500

(mlp»)

Ctranflivtoro)^OOO

B百

管

Permitm25万

丸

数

条

行

、

10OKJZJaoaBo__!_1.0每

砧

秒

1OK0,1

.▼ftoao

✓4004I0.01

每三年芯片集成度翻2翻。

•Introducedin1970

曲;J•Firstmicroprocessor

3Bl•4bitarchitecture!

1•2,250transistors

•12mm2

遛ElJ•Clock:108kHz

、s

Intel8085Microprocessor

•Introducedin1974

•8-bitarchitecture

•Stillusedinsome

microcontroller

applications!

Intel8086Microprocessor

•Introducedin1979

•29,000transistors

•33mm2

•Clock:5MHz

16bitarchitecture

LSM

Intel386Microprocessor

•Introducedin1985

•275,000transistors

•43mm2

•Clock:16MHz

•32bitarchitecture

金端霆蒿潴

LSM

Intel486Microprocessor

•Introducedin1989

•1,200,000transistors

•81mm2

•Clock:25MHz

•32bitarchitecture

•1stpipelined

implementationof

IA32

LSM

IntelPentiumMicroprocessor

CLOCKDRIVER

CODE•Introducedin1993

CACHE

•3,100,000transistors

CODE

TLB•296mm2

COMPLEX

BUSINTERFACEINSTRUCTION•Clock:60MHz

LOGICSUPPORT

一鼻，•32bitarchitecture

SUPERSCALER

INTEGER

EXEClfflON

•1stsuperscalar

implementationofIA32

MPLOGIC

LSM

巨型化

运算速度可达每秒几

百亿次运算。1975年

世界上第一台超级计

算机“Cray-1”超级计

算机应用：天气预报、

地震机理研究、石油

和地质勘探，卫星图

像处理等大量科学计CRAY-II

算的高科技领域。

中国超级计算机银河

国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2

国超级计算机曙光

国家职能计算机中心推出的：“曙光1000”、

“曙光20001”和“曙光3000”

微型化

Altair8800

eMac

SayhellotoiMac.

平果iMac

Icam

•Thinkdifferent

yiHnoiki@muc.coiH

多媒体

。多媒体就是计算机集图.

形、图像、声音、文字

处理为一版。多工某体技

术的目标是：无论在彳十

么虚方）只需要简单的

设备藐能自由自在地以

交互法对话方式收发所，

需要的信息。多媒体技

术的实质就是让人们利

用计算机以更接近自然

方式交换信息。

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。

智能化

使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思

维、逻辑推理等能力。

GarryKasparov

智能化

*智能化机器人、机器狗、机器昆虫等

智能化

*智能化机器人、机器昆虫、机器狗等

29tM•com

T

第五节

计算机网络

网络基础、网络拓扑、

网络协议、网络设备

一、网^<^出

计算机网络的概念

计算机技术和通信技术相结合，产生了计

算机网络。

地理位置不同，并具有独立功能的多个计