上海海事大学-计算机组成原理-第一章

1、上海海事大学计算机系 L黄晓霞 计算机原理与系统2课程简介n课程邮箱n课程特点n课程教学计划n课程学习过程要求n教学内容安排计算机原理与系统3课程邮件nxinx_ xinx13计算机原理与系统4课程特点n专业必修的核心课程n计算机专业硕士研究生入学必考课程n教学内容n计算机硬件系统的基本组成及运行原理n各功能部件的构成原理和运行原理n计算机硬件系统及功能部件的设计简介计算机原理与系统5计算机组成原理 与先修后继课程的关系n先修n数字电子技术n汇编语言程序设计n 本课程位置与作用n 专业主干课程之一n 专业基础课与专业课的重要纽带，承上启下的作用n 后继n 操作系统n 计算机网络n 计算机接口技术n 嵌入式系统n 单片机原理、可编程逻辑器件等计算机原理与系统6课程教学计划教材主教材: 计算机组成与结构王爱英 主编清华大学出版社。参考教材： 数字电子技术基础 阎石主编 实验教材：计算机原理与系统实验指导书 上海海事大学计算机原理与系统7学 时:n上课学时:71n实验学时:10课程教学计划学时学 分:n4.5计算机原理与系统8计算机组成原理:n期末考试：70n平时成绩: 30（包括作业、考勤

2、、课堂小测验及期中考查，期中考试时间暂定在10.28（第八周）课程教学计划成绩构成计算机原理与系统9课程学习过程要求n上课:听课投入上课不迟到、不无故缺勤n作业:作业本（封面写上学号和姓名）n认真复习相关内容n相互探讨，独立完成n按时按质交作业，难题集中讲解n实验: 预习操作报告计算机原理与系统10教学内容安排 教材总目录n第一章计算机系统概论n第二章 （数字电路基础）计算机的逻辑器件n第三章 （数据表示）运算算法和运算部件n第四章主存储器n第五章 指令系统（汇编语言程序设计简介）n第六章 中央控制器n第七章 存储系统n第八章 辅助存储器n第九章 输入输出设备n第十章 输入输出系统n第十一章 计算机系统计算机原理与系统11Chapter 1 计算机系统概论计算机的发展简史 计算机硬件 计算机的语言 计算机的应用 （计算机网络） 计算机的性能指标 生活中的计算机系统Product:Vendo Vue 40 vending machine.Microprocessor: Two 16-bit Hitachi H8/300H ProcessorsA robot hand dispenses

3、itemsProduct: Cannon EOS 30D Digital CameraMicroprocessor: DIGIC II Image ProcessorProduct: NASAs Twin Mars Rovers.Microprocessor: Radiation Hardened 20Mhz PowerPCCommercial Real-time OSSoftware and OS was developed during multi- year flight to Mars and downloaded using a radio linkPhotograph courtesy of NASA/JPL CALTECHProduct: Atronic Slot MachineMicroprocessor: X86OS: Windows CESlots are networked to a casinos back office computer system. State Gaming agencies audit code and payoff odds.Produ

4、ct: LG VoIP PhoneMicroprocessor: Freescale i.MX21 ARM OS: Windows CE计算机原理与系统181.1计算机的发展简史Chapter 1 计算机系统概论Pascal发明的史上第一台机械式计算机就是一台十进制计算机 ，它利用齿轮装置来保存十进制数据，并通过齿轮旋转来完成 十进制的加法，齿轮传动来完成进位。计算机原理与系统191.1 计算机的发展简史一、第一台计算机ENIAC、时间（1946）、地点、特点Chapter 1 计算机系统概论1946年研制成功的第一台电子计 算机ENIAC也沿用了这一惯例即 采用十进制，它是由一圈共10个 真空管来表示一位十进制数据的 ，计算实现起来非常复杂。计算机原理与系统20世界第一台电子计算机ENIAC 埃尼阿克宾宾夕法尼亚亚大学摩尔工程学院莫奇利和埃克特领导领导 的研究小组组 1946年2月14日The Electronic Numerical Integrator And Computer17468个电子管 60000个 电阻器 10000个电容器 6000个开关30吨 160平方米 174

5、千瓦 5000次加法/秒缺点：十进制人工改接连线计算机原理与系统211.1计算机的发展史二、冯 诺依曼计算机设计思想计算机的工作方式-存储程序的工作方式提出：1946 冯 诺依曼提出计算机的若干设计思想要点：1. 计算机采用二进制表示数据和指令2. 存储程序的工作方式3. 计算机硬件组成及各部件功能EDVAC,采用存储程序方案EDVAC (Electronic Discrete variable Automatic Computer)。离散 变量自动电子计算机。Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统22冯诺依曼计算机结构 以运算器为核心、以存储程序原理为基础运算器输出设备控制器输入设备存储器指令 驱动指令流控制命令数据流人们将编好的程序和原始数据存入主存储器中，然后启动计算机工作，计算机在不需要人工干预的情况下，自动完成逐条取出指令并执行指令的任务。计算机原理与系统23程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n 取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码 操作数执行计算机原理与系统241.1 计算机的发展史三、以器件划分计算机的发展史1第一代 电子管计算机 1

6、947-19572第二代 晶体管计算机 1958-19643第三代 集成电路计算机 1964-1972 4第四代 大规模集成电路计算机 1972-至今（第五代，1981）Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统25真空电子管诞生李德弗雷斯特 (Lee deForest 18731961) “电子管之父” “无线电之父”、“电 视始祖” 1899（26岁）发明了电解检波器 和交流发射机。 1906（33岁）年他发明了三极真 空管（检波、产生振荡、放大 电信号、改变电信号频率等）真空电子管的诞生为通讯、广播、电视等技术的发 展铺平了道路。计算机历史由此跨进了电子的纪元。计算机原理与系统26李德福雷斯特 13岁便“发明”了好几种小机 器，一生获得了多达300余 项专利。 20岁那年他考取了耶鲁大 学谢菲尔德理学院的奖学金 ，班上的同学都叫他“学校 里最平庸、最神经质的学生 ”。成功的原因 1.对于电学、特别是电磁波 传播有着近乎痴迷的兴趣。 2.耶鲁精神和美国精神耶鲁精神和美国精神耶鲁的精神-“我们需要接收这种观点，即希望的大门为我们 打开，充沛的精力需要我们展现，伟大的思想和目标

7、由 之而激励，对未来的信念必然会在我们心中生根，这就 是耶鲁的生活所带给你们的，这就是耶鲁的精神。 在耶鲁，大家都是为梦想而来，每个人都可以为自己的理想 而努力奋斗 。 不仅是耶鲁人，那时的美国人都相信，即将到来的二十世纪 将成为“美国的世纪”。美国的科技的高速发展，在美西战 争中的辉煌胜利，还有人民高涨的爱国热情，都让人相 信这个国家前途无限。美国在20世纪成为世界科技中心。 计算机原理与系统28三项发明助力计算机产业腾飞贝尔实验室肖克利等三人发明的晶体管 诺伊斯和基尔比发明的集成电路。 特德霍夫发明的微处理器。 计算机原理与系统29晶体管之父W.Shockley 威廉肖克利（William Bradford Shockley，1910 年2月13日1989年8月12 日）是一位英国出生的美 国物理学家和发明家。 1947年12月（37岁），肖 克利与合作者巴丁和布拉 顿 共同发明了晶体管，分 享了1956年度的诺贝尔物 理学奖金。 计算机原理与系统30- Robert Noyce罗伯特诺伊斯1968年创办英特尔公司 1957年创办仙童半导体公司。 财富、威望和成就 三位一体的圣人罗

8、伯特诺伊斯 (Robert Noyce)和德 州仪器公司的杰克基 尔比(Jack Kilby)在 两年后分别发明了集 成电路计算机原理与系统31特德霍夫与4004微处理器大学期间，每年暑假都到通用铁路信号公司的电 子实验室做技师。在那儿，在电子跟踪电路，照 明保护设计项目中，获得了专利申请的荣誉。大 学毕业后一年，这两项专利被正式批准。 1958年，申请了斯坦福大学，在这里获得了电子 工程硕士和博士学位。 在1971年（34岁），发明4004微处理器。用霍夫的话来说，“计算机这种智能体非常适合 市场销售”。 霍夫一直认为微处理器的发明远不如知道这种产品 拥有市场的感觉 计算机原理与系统324004微处理器 Intel 4004微处理器是世界上第一款商用计 算机微处理器，是“一件划时代的作品”、 “ 人类历史上最具革新性的产品之一“。 。 它片内集成了2250个晶体管，晶体管之间 的距离是10微米，能够处理4bit的数据， 每秒运算6万次，运行的频率为108KHz， 成本不到100美元。计算机原理与系统33v 从器件发展而言电子管、继电器存储 晶体管磁介质存储 集成电 路 大规模和超大规

9、模集成电路v 从结构的发展而言单个CPU组成的单机系统 流水线机 多处理机 大规模的并行处理机v 从技术的发展上而言变址技术 中断技术 微程序技术 缓冲技术 共享 重用技术 虚拟技术 1.1计算机的发展简史Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统34也称为超级计算机，它是一个国家科技水 平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速 度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大 的数值计算和信息处理能力，是每个时代计 算机高精尖技术的集中代表。 1983年我国自行研制出了第一台银河巨 型机。此后，我国自行研制的银河型巨 型机每秒运算可达到120亿次。（1）巨型机不同类型计算机简介计算机原理与系统35图1-5 第一台银河巨型机 图1-6 银河巨型机 “天河一号”每秒计算1206万亿次的研制成功，世界上只有 中、美能造, 第一台国产千万亿次超级计算机 “天河一号” 2010.11，夺魁计算机原理与系统36 天河二号 ( 第 一名) 泰坦 ( 第二名 ，USA) Sequoia- blueGene( 第三 名,USA) K Computer ( 第四名) 米拉 ( 第五名 ,USA) Piz Daint（第六 名，Switzerland ） Stampede ( 第 七名，USA)Juqueen ( 第八 名，germany) Vulcan- BlueGene( 第九 名)（USA） Cray XC30，（ USA)计算机原理与系统372014.6年全球超级计算机排行前10强超级计算机500强排名2015发布 中国“天河二号 ”五连冠计算机原理与系统38天河二号天河二号已经是第五次拿到超级电脑运算能力 的第一名了。位于中国国防科技大学的天河二 号超级电脑，是中科曙光所开发，有312万颗 核心处理器，其浮点运算速度达 33.86 petaflop/s，相当于第二快的超级电脑 Titan 的 接近二倍。计算机原理与

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