计算机组成(5)

1、计算机组成原理主 讲：曹桂涛 副教授办 公 室：理科楼B219E_mail:gtcaosei.ecnu.edu Tel:62605341-1505/5/20241编辑课件课程说明课程必修课，36学时，2学分教材白中英.计算机组成原理第4版.科学出版社,2000.参考资料张晨曦等.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，2004.5/5/20242编辑课件成绩平时成绩：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“计算机组成实践课程18学时，0.5学分 实验报告要求交纸质版实验时间按照实验室安排另行通知5/5/20243编辑课件主要内容1.计算机系统概论2.运算方法和运算器3.存储系统4.指令系统5.中央处理器6.总线系统7.外围设备8.输入/输出系统5/5/20244编辑课件第1章 计算机系统概论n计算机的分类和应用n计算机硬件n计算机软件n计算机系统的层次结构5/5/20245编辑课件1.1 计算机的分类和应用n什么是电子数字计算机？n计算机有些类别？n计算机能干什么？5/5/20246编

2、辑课件电子计算机概念n机械式计算与电子式计算n模拟计算机与数字计算机n计算机与计算器n计算机的根本特征n自动、高速、精确n计算机的根本运算n算术运算n逻辑运算5/5/20247编辑课件计算机分类n按用途分l通用计算机l专用计算机n按规模分l巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机5/5/20248编辑课件计算机的应用n科学计算运算速度n信息处理存储容量n测量与控制自动化n其它应用nCAD、CAM、CAICAD：计算机辅助设计 Computer Aided Design CAM：计算机辅助制造 Computer Aided Manufacturingn CAI：计算机辅助教学 Computing Assisted Instructionn人工智能领域5/5/20249编辑课件1.2 计算机硬件n计算机的硬件组成n计算机的硬件开展5/5/202410编辑课件计算机的硬件组成 五大局部五大局部:运算器、控制器、存储器、输入设备、输运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备出设备 说明说明:细实线：控制线细实线：控制线 虚线：反响线虚线：反响线 粗线：粗线：数据线数据线控制器输入设备存储

3、器输出设备运算器结果结果数数据据取数取数存数存数输入命令输入命令输出命令输出命令5/5/202411编辑课件计算机的硬件组成续1.I/O设备设备:2.CPU:CPU=控制器控制器Controller+运算器运算器ALU+Regs(1)控制器控制器:功能功能(2)ALU(Arithmetic Logical Unit):算术逻辑部件算术逻辑部件,是直接进行数据变换与运算的部件是直接进行数据变换与运算的部件.ALU的最根的最根本操作是加法和逻辑运算本操作是加法和逻辑运算.例例:A-B=A+-B补补,(3)存放器组存放器组:暂存运算中间结果暂存运算中间结果 m*n=m+m+mm/n=m-n-n按时钟提供统一节拍按时钟提供统一节拍对指令所含操作做时序分配对指令所含操作做时序分配按时序发出控制信号按时序发出控制信号,驱动各部件协调工作驱动各部件协调工作 通用存放器组通用存放器组:存放操作数存放操作数 专用存放器组专用存放器组:存储特定信息存储特定信息5/5/202412编辑课件计算机的根本组成续计算机的根本组成续 算术逻辑部件算术逻辑部件(ALU)工作示意图工作示意图状态标志寄存器通用存放器累加

4、器ALUBA结果C=A+B标志每位对应一个特征5/5/202413编辑课件计算机的根本组成计算机的根本组成(续续)3.存储器存储器(Memory，记忆装置，记忆装置)(1)功能:保存程序、原始数据及中间结果。(2)特点:取之不尽，新来旧去。存 写,取 读.采用线性地址存取方式采用线性地址存取方式 地址地址 单元内容单元内容可按位(b),字节(B),半字、字(W),双字(DW)编址。以字节(B)编址居多，即1个 存储单元存1个字节的信息。存储器容量:即存储器中存储单元的数量。信息m-1信息m信息m+1n-1nn+15/5/202414编辑课件计算机的根本组成计算机的根本组成(续续)(3)存储器的三大指标存储器的三大指标容量容量(C)+价格价格(P)+速度速度(S)容量大容量大 速度速度 ,速度速度 本钱本钱 容容量量采用分级存储方式来解决上述矛盾采用分级存储方式来解决上述矛盾主存辅存cacheCPU主存辅存辅助软硬件主辅存两级存储系统主辅存两级存储系统cache主辅存三级存储系统主辅存三级存储系统辅存主存5/5/202415编辑课件计算机工作流程n冯诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按

5、地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行n工作流程l根据算法编写程序l存储程序l执行程序5/5/202416编辑课件Von Neumann 型计算机特点n以ALU为中心，I/O与M之间的数据传送经过ALU。ALU、M、I/O的联系由CPU集中控制。n程序和数据放在同一个主存中，无区分的信息位。n存储器按地址访问线性编址的一维空间。n指令在存储器中是顺序存储的。n指令由操作码和地址码组成。n数据以二进制编码表示。5/5/202417编辑课件控制器的根本任务 按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令；依此类推。5/5/202418编辑课件程序对计算机的控制程序对计算机的控制n 举例举例:a+|b|=n解题步骤解题步骤:nstep1:取a nstep2:取bnstep3:判断nstep4:执行执行a+bnstep5:转转step7nstep6:执行执行a-bnstep7:结束结束n 条件转移类指令条件转移类指令:对对step3类似的操类似的操作可用条件转移类指令

6、实现作可用条件转移类指令实现.a+b,b0 a-b,b0假设b0,执行step4假设b系统程序与应用程序划分n机器语言=汇编语言=高级语言n批处理=交互式操作系统n文件系统=数据库系统5/5/202428编辑课件1.4 计算机系统的层次结构n数据流与指令流l指令流=控制器l数据流=运算器n计算机层次结构l第一级 微程序设计级l第二级 一般机器级l第三级 操作系统级l第四级 汇编语言级l第五级 高级语言级n软、硬件的逻辑等价性5/5/202429编辑课件计算机的开展 1946:ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer):第一台真正意义上的数字电子计算机。开始研制于1943年，完成于1946年。负责人是John W.Mauchly和J.Presper Eckert。重30吨，18000个电子管，功率25千瓦。主要用于计算弹道和氢弹的研制。参考资料参考资料5/5/202430编辑课件计算机的史前文明n机械计算机n算盘公元前n计算尺1621年，William Oughtredn第一台机械计算机器Pascaline1642年n差分机18

7、22年5/5/202431编辑课件Pascalinen1642年，Blaise Pascal创造n功能：加法和减法运算手摇n1670年改进，能计算乘除法和平方根5/5/202432编辑课件差分机n1822年，Charles Babbage创造n1890年，Herman Hollerith创造机械式穿孔卡片制表系统，应用于美国人口统计n1896年，Herman Hollerith组建Tabulating Machine公司IBM公司前身5/5/202433编辑课件计算机的史前文明续n 重要事件n1848:英国数学家George Boole创立二进制代数学n1906:美国的Lee De Forest创造了电子管 n1924年:IBM公司成立n1937:英国剑桥大学的Alan M.Turing(1912-1954)出版了他的论文，并提出了被后人称之为“图灵机的数学模型n1938:Claude E.Shannon 发表了用继电器进行逻辑表示的论文 5/5/202434编辑课件计算机的史前文明续二n电子计算机n1935:IBM推出IBM 601机。这是一台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机 n1

8、937:BELL试验室的George Stibitz展示了用继电器表示二进制的装置。尽管仅仅是个展示品，但却是第一台二进制电子计算机n1939 1月1日:加利福尼亚的David Hewlet和William Packard 在他们的车库里造出了Hewlett-Packard计算机。名字是两人用投硬币的方式决定的。包括两人名字的一局部5/5/202435编辑课件计算机的史前文明续三l1939年11月:美国John V.Atanasoff和他的学生Clifford Berry 完成了一台16位的加法器，这是第一台真空管计算机l1941年12月:德国Zuse制作完成了Z3计算机的研制。这是第一台可编程的电子计算机。可处理7位指数、14位小数。使用了大量的真空管。每秒种能作3到4次加法运算。一次乘法需要3到5秒。l1943年1月:Mark I，自动顺序控制计算机在美国研制成功。整个机器有51英尺长，重5吨，75万个零部件，使用了3304个继电器，60个开关作为机械只读存储器。程序存储在纸带上，数据可以来自纸带或卡片阅读器。被用来为美国海军计算弹道火力表 5/5/202436编辑课件ENIAC以

9、后的计算机n晶体管时代n1947:Bell实验室的William B.Shockley、John Bardeen和Walter H.Brattain.创造了晶体管 n1949:EDVAC(electronic discrete variable computer)：第一台使用磁带的计算机n1950:软磁盘由东京帝国大学的Yoshiro Nakamats创造n1951:UNIVAC-1：第一台商用计算机系统。设计者：J.Presper Eckert 和John Mauchly。被美国人口普查部门用于人口普查，标志着计算机的应用进入了一个新的、商业应用的时代5/5/202437编辑课件ENIAC以后的计算机续n集成电路时代n1958年9月12日:在Robert NoyceINTEL公司的创始人的领导下，创造了集成电路n1963:PDP-8：DEC公司推出第一台小型计算机 n1970:第一块RAM芯片由INTEL推出，容量1K n1971年11月15日:Marcian E.Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004，含2300个晶体管n1976:Zilog推出Z80处理器。8位微

10、处理器n1976:6502,8 位微处理器发布，专为Apple II计算机使用n1979:Motorola公司发布68000微处理器。主要供给Apple公司的Macintosh5/5/202438编辑课件 ENIAC以后的计算机续二n个人计算机nAltair 88001975年nApple1976年nIBM PC1980年5/5/202439编辑课件Altair 8800n1975年，第一台个人计算机n8088CPUn256Byte内存n面板开关输入n面板小红灯输出5/5/202440编辑课件Applel1976年，带显示器和内置键盘的计算机l参与商务应用Visicalc程序，进行电子账务表格计算5/5/202441编辑课件IBM PCn1980年n价格低廉n直接采购部件n技术开放n兼容机的开展5/5/202442编辑课件1、按照Neumann原理，现代计算机应具备哪些功能？2、Neumann计算机应包含哪几局部？它们的作用各是什么？3、计算机的存储器采用分级方式是为了 A 减少主机箱的体积 B 解决容量、价格、速度三者之间的矛盾 C 保存大量数据方便 D操作方便4、运算器由许多部件组

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