WENJI01基本原理

1、計算機基本原理計算機基本原理吳云芳吳云芳北京大學信息科學技術(shù)學院北京大學信息科學技術(shù)學院wuyf_128/3328/33主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 計算機的發(fā)展歷程計算機的發(fā)展歷程2. 計算機的分類計算機的分類3. 存儲程序原理存儲程序原理4. 計算機的邏輯結(jié)構(gòu)計算機的邏輯結(jié)構(gòu)5. 總線總線6. 時鐘頻率時鐘頻率7. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)228/33第一臺電子數(shù)字計算機第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC誕生于誕生于 1946年美國賓夕年美國賓夕法尼亞大學，法尼亞大學， Electronic Numerical Integrator and Computer 體積：體積：90 立方米立方米重量：重量：30

2、噸噸占地：占地：170 平方米平方米耗電：耗電：140 千瓦千瓦器件：器件：1.8萬個電子管萬個電子管運算速度：運算速度：5000 次次/秒秒328/33計算機的發(fā)展歷程計算機的發(fā)展歷程第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代時時 間間1946195819581964196419711971主要電子器件主要電子器件電子管電子管晶體管晶體管中小規(guī)模集成中小規(guī)模集成電路電路大規(guī)模、超大大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路規(guī)模集成電路處理速度處理速度（指令數(shù)（指令數(shù)/秒）秒）幾千條幾千條幾百萬條幾百萬條幾千萬條幾千萬條數(shù)億條以上數(shù)億條以上微型化、能耗低、處理速度快、可靠性高、應用廣微型化、能耗低、處理速

3、度快、可靠性高、應用廣428/33摩爾定律摩爾定律1965 年摩爾預言：年摩爾預言：v半導體芯片上集成的晶體管數(shù)將半導體芯片上集成的晶體管數(shù)將每兩年每兩年翻一番。翻一番。微處理器的性能將每隔兩年提高一倍，而價格下微處理器的性能將每隔兩年提高一倍，而價格下降一倍。降一倍。 q發(fā)展方向：發(fā)展方向：更快、更小、更便宜。更快、更小、更便宜。528/33計算機的發(fā)展趨勢計算機的發(fā)展趨勢q微型化微型化更高的集成度和更低的功耗更高的集成度和更低的功耗q巨型化巨型化更高速度的運算和更大的存儲能力更高速度的運算和更大的存儲能力q網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化更大范圍的網(wǎng)絡連接和更快捷的接入方式更大范圍的網(wǎng)絡連接和更快捷的接入方式

4、q智能化智能化更高級的人類認知能力更高級的人類認知能力628/33計算機的分類計算機的分類按性能按性能1. 微處理器微處理器嵌入其他設(shè)備，作為嵌入其他設(shè)備，作為其控制中心其控制中心特點：體積小、低功耗、專用化特點：體積小、低功耗、專用化2. 微型計算機微型計算機個人計算機個人計算機PC第第1臺臺PC 1978年的年的IBM-PC特點：廉價、網(wǎng)絡特點：廉價、網(wǎng)絡/多媒體、人性化多媒體、人性化728/33計算機的分類計算機的分類按性能按性能3.大型計算機大型計算機用于大型企業(yè)、用于大型企業(yè)、事業(yè)單位，金融機構(gòu)作為集中事業(yè)單位，金融機構(gòu)作為集中計算和信息處理的計算機計算和信息處理的計算機特點：高速度

5、、高可靠性、大特點：高速度、高可靠性、大容量容量4.巨型計算機巨型計算機用于尖端科學用于尖端科學技術(shù)研究、國家機關(guān)、軍事機技術(shù)研究、國家機關(guān)、軍事機構(gòu)構(gòu)特點：超高速度、超大容量特點：超高速度、超大容量 銀河銀河-1號巨型計算機號巨型計算機828/33回到回到1946美籍匈牙利數(shù)學家馮美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼參加了諾依曼參加了ENIAC的研制工作，的研制工作，在他執(zhí)筆的在他執(zhí)筆的“101頁報告頁報告”中指出了中指出了“存儲程序存儲程序”原理：原理：v計算機應由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、計算機應由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成，應采用二輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組

6、成，應采用二進制進行運算，應將程序也像數(shù)據(jù)一樣，用二進制進行運算，應將程序也像數(shù)據(jù)一樣，用二進制表示并存儲在計算機內(nèi)部，以便能在程序進制表示并存儲在計算機內(nèi)部，以便能在程序的控制下自動進行計算。的控制下自動進行計算。這一思想被譽為計算機發(fā)展史上的這一思想被譽為計算機發(fā)展史上的里程碑里程碑，標志著計算，標志著計算機時代的真正開始。馮機時代的真正開始。馮諾依諾依曼被稱為曼被稱為“計算機之父計算機之父”。928/33馮馮諾依曼機諾依曼機計算機由五個部分組成：計算機由五個部分組成：q 控制器控制器q 運算器運算器q 存儲器存儲器q 輸入設(shè)備輸入設(shè)備q 輸出設(shè)備輸出設(shè)備v 由這五部分組成的計算機，一般稱

7、為由這五部分組成的計算機，一般稱為馮馮 諾依諾依曼機曼機，我們目前使用的計算機都是，我們目前使用的計算機都是馮馮 諾依曼機。諾依曼機。1028/33存儲程序原理存儲程序原理1.采用二進制編碼形式表示數(shù)據(jù)和程序；采用二進制編碼形式表示數(shù)據(jù)和程序；2.要執(zhí)行的程序存儲在存儲器中，計算機能夠要執(zhí)行的程序存儲在存儲器中，計算機能夠自動地依次從存儲器中取出指令執(zhí)行；自動地依次從存儲器中取出指令執(zhí)行；3.計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本部件組成。備、輸出設(shè)備五大基本部件組成。1128/33計算機的邏輯結(jié)構(gòu)計算機的邏輯結(jié)構(gòu)存儲器存儲器輸輸入入設(shè)

8、設(shè)備備輸輸出出設(shè)設(shè)備備運運算算器器控控制制器器輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指指令令地址地址狀態(tài)和請求狀態(tài)和請求命令和應答命令和應答狀態(tài)和請求狀態(tài)和請求命令和應答命令和應答1228/33輸入設(shè)備輸入設(shè)備v輸入設(shè)備是用來輸入數(shù)據(jù)和程序的裝置，輸入設(shè)備是用來輸入數(shù)據(jù)和程序的裝置，其功能是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機器內(nèi)部其功能是將外界的信息轉(zhuǎn)換成機器內(nèi)部的表示形式并傳送到計算機內(nèi)部。的表示形式并傳送到計算機內(nèi)部。q常見的輸入設(shè)備包括：常見的輸入設(shè)備包括：鍵盤、鼠標、掃鍵盤、鼠標、掃描儀、數(shù)字照相機描儀、數(shù)字照相機等。等。1328/33輸出設(shè)備輸出設(shè)備v輸出設(shè)備是用來輸出數(shù)據(jù)和程序的裝置，輸出設(shè)備

9、是用來輸出數(shù)據(jù)和程序的裝置，其功能是將計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)其功能是將計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)換成人們所需要的形式并傳送到計算機換成人們所需要的形式并傳送到計算機外部。外部。q常見的輸出設(shè)備包括：常見的輸出設(shè)備包括：顯示器、打印機、顯示器、打印機、繪圖儀繪圖儀等。等。1428/33存儲器的概念存儲器的概念q存儲器是存儲器是用來保存數(shù)據(jù)和程序的裝置用來保存數(shù)據(jù)和程序的裝置。q廣義的存儲器包含內(nèi)存和硬盤，邏輯結(jié)廣義的存儲器包含內(nèi)存和硬盤，邏輯結(jié)構(gòu)上的存儲器僅指內(nèi)存。構(gòu)上的存儲器僅指內(nèi)存。1528/33存儲器的組成存儲器的組成q存儲器由一系列存儲器由一系列存儲單元存儲單元組成，每一個組成，每一個存

10、儲單元有一個唯一的存儲單元有一個唯一的地址地址，所有的存，所有的存儲單元形成一個儲單元形成一個線性的存儲空間線性的存儲空間。q按地址存取按地址存取的工作方式：每次讀、寫存的工作方式：每次讀、寫存儲器時都必須首先給出存儲單元的地址，儲器時都必須首先給出存儲單元的地址，然后按照地址訪問其中的內(nèi)容。然后按照地址訪問其中的內(nèi)容。1628/33存儲器的圖示存儲器的圖示 x+y40501234地址地址 內(nèi)內(nèi) 容容存儲單元存儲單元按地址存取按地址存取存儲容量用來描述存貯器所能存儲的數(shù)據(jù)的多少，單位存儲容量用來描述存貯器所能存儲的數(shù)據(jù)的多少，單位為字節(jié)。當前計算機存儲器的容量一般為字節(jié)。當前計算機存儲器的容量

11、一般為為4G、8G等等。1728/33運算器運算器v運算器是進行算術(shù)運算（如加、減、乘、運算器是進行算術(shù)運算（如加、減、乘、除等）和邏輯運算（如非、與、或等）除等）和邏輯運算（如非、與、或等）的裝置。的裝置。q核心組成部件是核心組成部件是算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元 (ALU，Arithmetic-Logic Unit)。1828/33控制器控制器v控制器是指揮和控制計算機的所有部件控制器是指揮和控制計算機的所有部件協(xié)調(diào)工作的裝置，是整個計算機的控制協(xié)調(diào)工作的裝置，是整個計算機的控制中樞，其功能是執(zhí)行指令。中樞，其功能是執(zhí)行指令。1928/33中央處理器中央處理器CPU圖示圖示存儲器存儲器輸輸入入

12、設(shè)設(shè)備備輸輸出出設(shè)設(shè)備備運運算算器器控控制制器器輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指指令令地址地址狀態(tài)和請求狀態(tài)和請求命令和應答命令和應答狀態(tài)和請求狀態(tài)和請求命令和應答命令和應答 CPU2028/33中央處理器中央處理器CPUv運算器和控制器集成在一塊芯片上成為運算器和控制器集成在一塊芯片上成為中央處理器中央處理器 CPU，其功能是解釋和執(zhí)行，其功能是解釋和執(zhí)行指令，是計算機的心臟。指令，是計算機的心臟。q經(jīng)常經(jīng)常用用 CPU的型號作為衡量計算機性的型號作為衡量計算機性能指標的標準，如能指標的標準，如 586，P4 等。等。2128/33總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)運算器運算器存儲器存儲器輸入設(shè)備輸

13、入設(shè)備接口接口輸出設(shè)備輸出設(shè)備接口接口總線總線控制器控制器2228/33總線總線v總線（總線（bus）是指計算機部件與部件之間進行）是指計算機部件與部件之間進行信息傳輸?shù)囊唤M公共信號線，是能為計算機信息傳輸?shù)囊唤M公共信號線，是能為計算機的多個部件服務的公用的信息傳輸通路。的多個部件服務的公用的信息傳輸通路。1.用于傳送地址的總線稱為用于傳送地址的總線稱為地址總線地址總線。2.用于傳送數(shù)據(jù)的總線稱為用于傳送數(shù)據(jù)的總線稱為數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線。3.用于傳送狀態(tài)信號或命令信號的總線稱為用于傳送狀態(tài)信號或命令信號的總線稱為控控制總線制總線。2328/33時鐘頻率時鐘頻率v系統(tǒng)時鐘周期性地發(fā)出脈沖式信號，為

14、各系統(tǒng)時鐘周期性地發(fā)出脈沖式信號，為各種操作建立同步信號。通常在一個脈沖周期種操作建立同步信號。通常在一個脈沖周期內(nèi)，計算機完成一個基本操作。內(nèi)，計算機完成一個基本操作。ABv系統(tǒng)時鐘所發(fā)出的信號的頻率稱為時鐘頻率，系統(tǒng)時鐘所發(fā)出的信號的頻率稱為時鐘頻率，通稱主頻。通稱主頻。CPU 的主頻即的主頻即CPU在一秒鐘內(nèi)能在一秒鐘內(nèi)能夠完成的工作周期數(shù)。夠完成的工作周期數(shù)。2428/33時鐘頻率時鐘頻率q 時鐘頻率是計算機性能好壞的一個重要表征指標。時鐘頻率是計算機性能好壞的一個重要表征指標。一般而言，時鐘頻率越高，計算機速度越快。一般而言，時鐘頻率越高，計算機速度越快。q 時鐘頻率的單位是赫茲時鐘頻率的單位是赫茲Hz，兆赫兆赫MHz，千兆赫，千兆赫GHz，1 MHz 100萬赫茲，萬赫茲，1GHz=1000 MHz.2528/33計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成q硬件硬件：指組成計算機的各種：指組成計算機的各種電子和機械電子和機械裝置。裝置。是計算機系統(tǒng)的是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)。q軟件軟件：指發(fā)揮計算機功能的：指發(fā)揮計算機功能的程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)。是計算機系統(tǒng)的是計算機系統(tǒng)的靈魂靈魂。q硬件軟件硬件軟件：兩者：兩者不可分割，相互結(jié)合不可分割，相互結(jié)合才能充分發(fā)揮電子計算機系統(tǒng)的功能。才能充分發(fā)揮電子計算機系統(tǒng)