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西安电子科技大学 计算机学院 20152015年年3 3月月9 9日日 MondayMonday 11:40:3311:40:33 计算机组织与体系结构 学时：7820 学分：5.5 车向泉 email: chexq 2 计算机组织与结构 教材： 计算机组成与系统结构 裘雪红等编著，西安电子科技大学出版社，2012.3 考核方式： 笔试（闭卷） 综合成绩期末考试×60%实验×20% 期中考试×10%平时成绩×10% 平时成绩：课堂测验，作业情况，到课情况。 3 计算机组织与结构 第1章 序论 第2章 计算机系统中的数据表示 第3章 运算方法与运算器 第4章 存储系统 第5章 指令系统 第6章 中央处理器 第7章 流水线技术与指令级并行 第8章 总线与输入/输出系统 第9章 并行体系结构 西安电子科技大学 计算机学院 20152015年年3 3月月9 9日日 MondayMonday 11:40:3311:40:33 计算机组成与体系结构 第1章 绪论 5 第1章 序论 n计算机的发展史 n计算机的基本组成 n计算机的分层组织结构 n计算机的分类、性能描述 西安电子科技大学 计算机学院 20152015年年3 3月月9 9日日 MondayMonday 11:40:3311:40:33 计算机组成与体系结构 第1章 绪论 1.1 计算机的发展史 7 n电子模拟计算机： 由模拟电子器件（如模拟加法器、减法器、乘法 器、除法器等等）构成 n电子数字计算机： 能对离散逻辑符号表示的数据或信息进行自动处理 的电子装置。 8 一、发展经历 n第0代：机械计算器 算盘、计算尺、手摇机械计算器 n第1代(19461954)：电子管计算机 电子管、电磁继电器，机器语言编程 如：ENIAC、IBM 701 n第2代(19551964)：晶体管计算机 晶体管、磁芯，监控程序，高级语言 如：IBM 7030、Univac LARC n第3代(19651974)：中小规模集成电路计算机 n第4代(19751990)：超大规模集成电路计算机 n第5代(1991？)：高性能智能计算机 Babbage Difference Engine 巴贝奇的差分机 nCharles Babbage 在英国皇家资金 援助下开发。 n能用20位十进制 计算完成7次多 项式的计算。 n1833年由于开发 费用耗尽导致开 发中断。 9 n1991年伦敦国家科学博物馆根据巴贝奇的设计，利用当时 机械加工的精度制作了阶差设施，证明了这台机器能够正 确运作。“Difference Engine No.2” Babbage Difference Engine 巴贝奇的差分机 存储阶差的 柱子(背面) 10 依次对7个阶差相加 将计算结果传给 打印机的轴 实现20位 加法的柱子 由人旋转 的手柄 传递动力 的轴 打印机的 印刷部分 石膏盘 输送部分 ENIAC 11 IBM 7030 12 IBM 7030 Stretch circuit board The IBM 7030 System Operator's Console 13 一、发展经历 n第0代：机械计算器 n第1代(19461954)：电子管计算机 n第2代(19551964)：晶体管计算机 n第3代(19651974)：中小规模集成电路计算机 小规模及中规模集成电路芯片、多层印刷电路板、 磁芯存储器，高级语言、分时操作系统 如：IBM 360，IBM 370，DEC PDP-8 n第4代(19751990)：超大规模集成电路计算机 n第5代(1991？)：高性能智能计算机 14 一、发展经历 n第0代：机械计算器 n第1代(19461954)：电子管计算机 n第2代(19551964)：晶体管计算机 n第3代(19651974)：中小规模集成电路计算机 n第4代(19751990)：超大规模集成电路计算机 l大规模、超大规模集成电路，半导体存储器 l微型计算机、单片微型计算机 lDOS、Windows、Unix lIBM 3090，VAX 9000，IBM PC 兼容机， 苹果Macintosh n第5代(1991？)：高性能智能计算机 15 一、发展经历 n第0代：机械计算器 n第1代(19461954)：电子管计算机 n第2代(19551964)：晶体管计算机 n第3代(19651974)：中小规模集成电路计算机 n第4代(19751990)：超大规模集成电路计算机 n第5代(1991？)：高性能智能计算机 l超大规模、超高速集成电路 l多处理器、多核处理器 l高性能计算机，如集群系统 16 二、摩尔定律 戈登·摩尔（Gordon Moore），1965 年， “摩尔定律”： 集成电路芯片的集成度每18个月翻一番。 “集成度提高100倍，则相对价格可以降低100倍、性 能可提高100倍、可靠性也可以提高100倍。” 摩尔定律的未来：新技术、新材料的出现，使芯片的 集成度进一步提高成为可能。 Fairchild Semiconductor Corporation n仙童半导体公司（飞兆半导体公司） n与德克萨斯仪器公司（TI）共同拥有集成电路发明 专利。 n“仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英，你一吹它 ，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。” Steve Jobs l查尔斯·斯波克(总经理)、杰里·桑德斯： 1967年 出走，在国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)担任CEO； l诺依斯、摩尔(研发部主管)、葛罗夫： 1968年， 脱离仙童公司自立门户， 创办Intel公司。 l桑德斯(销售部主任)： 1969年，带着7位仙童员 工创办AMD公司。 17 18 二、摩尔定律 19 二、摩尔定律 20 二、摩尔定律 21 二、摩尔定律 1974年IBM的Robert Dennard等人提出了缩放定律缩放定律 ： 如果将芯片尺寸和电源电压减半，则： n性能提高：MOS晶体管的切换速度提高两倍； n耗电量下降：耗电量降至1/4； n单位晶体管的成本降低：芯片面积减至1/4，或在 同样的面积下制造4倍的晶体管。 提升性能的三大支柱： n提高频率 n并行处理 n功能扩展 22 二、摩尔定律 自20世纪70年代后期以来处理器性能的增长 西安电子科技大学 计算机学院 20152015年年3 3月月9 9日日 MondayMonday 11:40:3311:40:33 计算机组成与体系结构 第1章 绪论 1.2 计算机的基本组成 24 n硬件系统：计算机中看得见摸得着的物理实体。 n软件系统：计算机所配置的各类程序和文件，由于 它们是存放在内存或外存中的二进制编码信息，是 不能直接触摸而且修改相对比较容易，故称之为软 件。 l系统软件 l应用软件 25 实例 n可用的物品： l带有横格的纸 l算盘 l笔 l人 n计算：yaxbc 26 实例 n可用的物品： l带有横格的纸 l算盘 l笔 l人 n计算：yaxbc 行数解题步骤和数据 1取数 (9) 算盘 2乘法 (12) 算盘 3加法 (10) 算盘 4减法 (11) 算盘 5存数 y (13) 6输出 7停止 8 9a 10b 11c 12x 13y 27 实例 行数解题步骤和数据 1取数 (9) 算盘 2乘法 (12) 算盘 3加法 (10) 算盘 4减法 (11) 算盘 5存数 y (13) 6输出 7停止 8 9a 10b 11c 12x 13y 指令操作码 加法001 减法010 乘法011 除法100 取数101 存数110 打印111 停机000 28 实例 地址存储器 1101 1001 2011 1100 3001 1010 4010 1011 5110 1101 6111 0000 7000 0000 8 9a（二进制数） 10 b 11 c 12 x 13 y 指令操作码 加法001 减法010 乘法011 除法100 取数101 存数110 打印111 停机000 29 实例 n可用的物品： l带有横格的纸 l算盘 l笔 l人 n计算：yaxbc 地址存储器 1101 1001 2011 1100 3001 1010 4010 1011 5110 1101 6111 0000 7000 0000 8 9a（二进制数） 10 b 11 c 12 x 13 y 存储器 某种应用 程序 数据 运算器 输入输出系统 控制器 30 一、硬件系统 n早期的冯·诺依曼计算机 n早期的PC机 n目前的PC机 31 一、硬件系统 n早期的冯·诺依曼计算机 图1.1 早期计算机（硬件）的组成 程序 数据 结果 地址指令 数据结果 输入设备 存储器 输出设备运算器 控制器 32 一、硬件系统 n早期的冯·诺依曼计算机 图1.1 早期计算机（硬件）的组成 33 一、硬件系统 n早期的冯·诺依曼计算机 l在1946由冯·诺依曼提出 l计算机依据存储程序、程序控制的方式工作 l冯·诺依曼计算机的特点： p将计算机要处理的问题用指令编成程序。 p指令和数据以同等地位存放在存储器中，并可按地 址访问。 p以二进制形式表示指令和数据。 p在控制器的控制下，指令被逐条从存储器中取出来 执行，产生控制流，在控制流的驱动下完成指令的 功能。 p早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设 备通过运算器与存储器传送数据。 34 一、硬件系统 n早期的PC机 图1.2 微型计算机结构框图 35 一、硬件系统 n目前的PC机 图1.3 PC机主板结构 36 二、软件系统 n系统软件 l操作系统： p管理计算机硬/软件资源，控制程序运行， 改善人机交互，为应用软件提供支持 p处理器管理、存储管理、文件管理、设备管 理、作业管理 l语言处理程序 l各种服务支持软件 p调试程序、诊断程序、提示警告程序 n应用软件：用户在各自的应用中，为解决自己的有 关问题而编写的程序。 l科学计算、信息管理、过程控制、武器装备 西安电子科技大学 计算机学院 20152015年年3 3月月9 9日日 MondayMonday 11:40:3311:40:33 计算机组成与体系结构 第1章 绪论 1.3 计算机的分层组织结构 38 一、计算机分层结构形式 39 一、计算机分层结构形式 第6级（虚拟机器） 第5级（虚拟机器） 第4级（虚拟机器） 第3级（虚拟机器） 第2级（实际机器） 第1级（实际机器） 高级语言机器M5（高级语言） 应用语言机器M6（应用语言） 汇编语言机器M4（汇编语言） 操作系统机器M3 （作业控制语言等） 传统机器M2（机器指令系统） 微程序机器M1（微指令系统） 用户 软件工程师 软件工程师 计算机系统设计人员 硬件工程师 计算机操作员 软硬件分界 40 0 1 2 3 4 5 6 虚 拟 机 计算机 组成原理 计算机 系统结构 系统软件 应用软件 硬联逻辑 微程序 机器语言 操作系统 汇编语言 高级语言 应用语言 硬件 软硬件分界 41 二、计算机系统结构、组成与实现 n计算机系统结构 n计算机组成 n计算机实现 42 二、计算机系统结构、组成与实现 n计算机系统结构（Computer Architecture）： 从外部研究计算机系统。它是使用者（机器语言、 汇编语言、系统程序员）所看到的物理计算机的抽 象，是编写出能够在机器上正确运行的程序所必须 了解到的计算机的属性。 n计算机组成（Computer Organization）： 从计算机系统的内部来研究计算机的构成，主要内 容包括：运算方法、CPU 组成、主存储器和输入 输出设备、输入输出接口等。 43 二、计算机系统结构、组成与实现 n计算