上海海事大學計算機組成原理第一章

上海海事大學計算機系Lhuangxiaoxia@163.com

黃曉霞計算機原理與系統(tǒng)計算機原理與系統(tǒng)2課程簡介課程郵箱課程特點課程教學計劃課程學習過程要求教學內容安排計算機原理與系統(tǒng)3課程郵件xinx_13@163.comxinx13計算機原理與系統(tǒng)4課程特點專業(yè)必修的核心課程計算機專業(yè)碩士研究生入學必考課程教學內容計算機硬件系統(tǒng)的基本組成及運行原理各功能部件的構成原理和運行原理計算機硬件系統(tǒng)及功能部件的設計簡介計算機原理與系統(tǒng)5《計算機組成原理》

與先修后繼課程的關系先修數(shù)字電子技術匯編語言程序設計

本課程位置與作用專業(yè)主干課程之一專業(yè)基礎課與專業(yè)課的重要紐帶，承上啟下的作用

后繼操作系統(tǒng)計算機網絡計算機接口技術嵌入式系統(tǒng)單片機原理、可編程邏輯器件等計算機原理與系統(tǒng)6課程教學計劃

——教材主教材:《計算機組成與結構》王愛英主編清華大學出版社。參考教材：數(shù)字電子技術基礎閻石主編實驗教材：計算機原理與系統(tǒng)實驗指導書上海海事大學計算機原理與系統(tǒng)7學時:上課學時:71實驗學時:10課程教學計劃

——學時學分:4.5計算機原理與系統(tǒng)8計算機組成原理:期末考試：70％平時成績:30％（包括作業(yè)、考勤、課堂小測驗及期中考查，期中考試時間暫定在10.28（第八周））課程教學計劃

——成績構成計算機原理與系統(tǒng)9課程學習過程要求上課:聽課投入

上課不遲到、不無故缺勤作業(yè):作業(yè)本（封面寫上學號和姓名）認真復習相關內容相互探討，獨立完成按時按質交作業(yè)，難題集中講解實驗:預習——操作——報告計算機原理與系統(tǒng)10教學內容安排教材總目錄第一章 計算機系統(tǒng)概論第二章（數(shù)字電路基礎）計算機的邏輯器件第三章（數(shù)據(jù)表示）運算算法和運算部件第四章 主存儲器第五章 指令系統(tǒng)（匯編語言程序設計簡介）第六章 中央控制器第七章 存儲系統(tǒng)第八章 輔助存儲器第九章輸入輸出設備第十章輸入輸出系統(tǒng)第十一章計算機系統(tǒng)計算機原理與系統(tǒng)11Chapter1計算機系統(tǒng)概論計算機的發(fā)展簡史計算機硬件計算機的語言計算機的應用（計算機網絡）計算機的性能指標生活中的計算機系統(tǒng)Product:VendoVue40vendingmachine.Microprocessor:

Two16-bitHitachiH8/300HProcessorsArobothanddispensesitemsProduct:CannonEOS30DDigitalCameraMicroprocessor:DIGICIIImageProcessorProduct:NASA'sTwinMarsRovers.

Microprocessor:

RadiationHardened

20MhzPowerPC

CommercialReal-timeOS

SoftwareandOSwasdevelopedduringmulti-yearflighttoMarsanddownloadedusinga

radiolinkPhotographcourtesyofNASA/JPLCALTECHPr樹od逮uc孤t:屯A弱tr職on罩ic碧S童lo納t祖Ma溉ch夜in矩e喉M呈ic術ro輛pr寶oc邊es丈so自r:磨X超86阻OS運:黃Wi猴nd呼ow飛s土CE害Sl扛ot沃s遮ar翠e豪ne孔tw姿or樂ke斑d燥to采a戀c芒as器in域o’s書ba絞ck冷o喊ff悶ic揉e餅co駐mp門ut凈er精s掛ys盯te駱m.乖S款ta廁te材G秤am榜in萍g屯ag球en芒ci扭es病a逝ud技it刃c炒od石e霉an穗d宵pa籮yo罪ff你o淹dd紀s.Pr茄od羽uc意t:嚼L議G企Vo繞IP親Ph傍on拐e涉M缺ic成ro壇pr微oc縣es移so心r:靈Fr蠢ee可sc蒙al信e佛i.邪MX吊21廣AR貴M盾OS訴:踏Wi禮nd床ow繁s母CE計算氏機原大理與勇系統(tǒng)181.喪1計算教機的貸發(fā)展稠簡史Ch帆ap到te珍r檔1計算銅機系窩統(tǒng)概刊論Pa等sc饅al發(fā)明估的史灘上第寬一臺機械時式計貧算機就是很一臺尼十進浪制計科算機蔑，它校利用俗齒輪誘裝置面來保尾存十傲進制壟數(shù)據(jù)糊，并聚通過蓮齒輪袋旋轉皮來完候成十堵進制父的加獄法，到齒輪峽傳動慨來完青成進郊位。計算艷機原裁理與稅系統(tǒng)191.字1計算蹈機的營發(fā)展國簡史一、膛第一獎臺計含算機EN墨IA圈C、時碧間（19頓46）、地點東、特既點Ch獎ap膜te據(jù)r幸1計算典機系早統(tǒng)概鋼論19駱46年研統(tǒng)制成滲功的升第一開臺電默子計閉算機EN句IA決C也沿督用了悟這一顫慣例累即采攜用十蚊進制僚，它洪是由荷一圈旋共10個真撓空管偶來表駝示一湖位十縱進制津數(shù)據(jù)蓄的，糟計算正實現(xiàn)袋起來振非常算復雜嫌。計算盯機原南理與嗎系統(tǒng)20世界待第一算臺電射子計冷算機邁－EN袋IA檔C埃尼僻阿克賓夕接法尼幼亞大特學摩我爾工投程學茂院莫奇速利和餓?？吮硖仡I歷導的國研究萄小組19扁46年2月14日Th君e款El詞ec鈔tr緩on經ic諷N念um份er判ic哄al渾I幼nt繡eg衡ra框to焰r預An垃d疫Co死m(xù)p撓ut里er17塘46閥8個電權子管60域00億0個電籍阻器10濁00圖0個電搏容器60駐00個開港關30噸16武0平方籃米17顆4千瓦50忘00次加反法/秒缺點扮：十進伙制人工案改接箭連線計算淹機原再理與叮系統(tǒng)211.扮1計算琴機的維發(fā)展浴史二、標馮·諾依矛曼計再算機什設計甘思想計算萌機的輸工作牛方式--捏--輪--忌-存儲抗程序尋的工齊作方勻式提出側：19性46馮·諾依訴曼提輔出計感算機哲的若掠干設執(zhí)計思慈想要點北：計算母機采膽用二屢進制遣表示熔數(shù)據(jù)橋和指宣令存儲裂程序采的工紛作方揀式計算譜機硬層件組問成及巡壽各部負件功祖能ED芝VA漲C,采用站存儲揚程序耍方案ED更VA宋C閉(E菌le巖ct吊ro固ni繩c滑Di術sc箏re站te嚇v古ar域ia根bl徹e畫Au旨to癢ma鼻ti伏c圍Co挖mp描ut貧er距)。離籃散變項量自釀動電頭子計私算機紗。Ch寄ap品te追r注1計算頁機系段統(tǒng)概敗論計算捎機原捎理與誘系統(tǒng)22馮·諾依純曼計你算機冷結構以運假算器協(xié)為核弱心、華以存儲覺程序佳原理為基葬礎運算充器輸出廚設備控制窄器輸入適設備存儲漠器指令嚇驅動指令固流控制怎命令數(shù)據(jù)笨流人們將編赴好的俊程序軋和原疑始數(shù)戴據(jù)存絡入主存虜儲器中，沸然后啟動計算釘機工傷作，無計算遷機在憐不需余要人握工干透預的瓣情況彼下，自動童完成逐條呢取出裁指令件并執(zhí)遼行指若令的完任務墳。計算營機原疼理與砍系統(tǒng)23程序污的執(zhí)字行過挺程程序指令1指令2指令3指令4指令n…續(xù)…取指久令指令拴譯碼取操剛作數(shù)執(zhí)行藥指令存結擱果指令頁周期操作孕碼操作嶺數(shù)執(zhí)行計算暴機原笨理與渾系統(tǒng)241.掀1計算芝機的百發(fā)展殿史三、萌以器乳件劃渠分計傍算機迅的發(fā)造展史1第一傲代煌電子賠管計查算機19手47楊-1漠95施72第二顫代姓晶體管管計賓算機19格58耀-1舒96雪43第三眨代顧集成蕩電路線計算污機19礙64吼-1子97奸24第四敞代堅大規(guī)她模集效成電騰路計惡算機19依72脅-至今（第欺五代魔，19炮81）Ch繭ap謝te法r傭1計算籌機系鼠統(tǒng)概態(tài)論計算握機原復理與崗系統(tǒng)25真空攏電子冬管誕蝴生李·德弗劃雷斯余特(L掘ee保d雞eF蔑or役es圈t柏18散73—19預61夕)“電子競管之腰父”“無線修電之賊父”、“電視所始祖”18櫻99（26歲）腥發(fā)明倉了電感解檢轎波器慶和交編流發(fā)限射機愿。19護06（33歲）暈年他掏發(fā)明盜了三臥極真類空管（檢波波、產屈生振意蕩、踢放大敘電信帥號、饑改變萄電信信號頻酸率等棟）真空交電子確管的敬誕生濕為通革訊、錦廣播雷、電倆視等臘技術晴的發(fā)含展鋪列平了濟道路妙。計朽算機鄭歷史楊由此伯跨進僻了電紫子的煎紀元謠。計算另機原賣理與茅系統(tǒng)26李·德·福雷邪斯特13歲便“發(fā)明”了好市幾種理小機忌器，雷一生雁獲得妹了多綱達30釘0余項籃專利者。20歲那陰年他喜考取緩了耶畢魯大劍學謝焰菲爾遭德理裹學院房誠的獎聾學金瞇，班屈上的眠同學賭都叫杠他“學校奏里最粱平庸快、最配神經規(guī)質的云學生”。成功租的原各因1.對于生電學倉、特鐘別是答電磁卻波傳匙播有短著近軌乎癡魂迷的盞興趣役。2.耶魯吼精神晶和美撞國精綢神耶魯鮮精神梳和美皇國精殘神耶魯培的精叫神--“我們免需要壞接收賽這種觸觀點瓣，即希望崇的大戲門為榮我們超打開約，充步沛的破精力鞠需要澇我們析展現(xiàn)械，偉拔大的膽思想葡和目補標由炸之而草激勵鞭，對摧未來招的信從念必渠然會農在我牙們心踢中生鑄根，這刷就是稍耶魯放的生仁活所暈帶給本你們雙的，雜這就及是耶謠魯?shù)哪_精神毫。在耶砍魯，俗大家帆都是塞為夢綁想而歸來，傳每個蘆人都朋可以完為自豬己的探理想淹而努喉力奮艱斗尺。不僅花是耶男魯人城，那澇時的堂美國膨人都絞相信草，即瞧將到仔來的債二十壤世紀饅將成班為“美國妙的世喪紀”。美餅國的脖科技副的高己速發(fā)吵展，課在美搬西戰(zhàn)詞爭中傻的輝絲式煌勝臣利，免還有閉人民倆高漲遞的愛田國熱療情，蹤蝶都讓院人相漏信這套個國滾家前兆途無芬限。美國蠢在20世紀糊成為習世界橋科技榮中心秤。計算杰機原帽理與麗系統(tǒng)28三項妄發(fā)明樂助力箏計算腹機產干業(yè)騰孕飛貝爾蕩實驗科室肖坦克利蒙等三煉人發(fā)諸明的焦晶體活管諾伊柱斯和壟基爾弓比發(fā)卷明的幻玉集成獻電路承。特德·霍夫誘發(fā)明術的微拐處理帽器。計算芳機原火理與叼系統(tǒng)29晶體雪管之臨父——W.貧Sh粘oc酬kl劈燕ey威廉·肖克拳利（Wi匯ll甜ia躲m的Br塑ad吊fo毯rd眨S疫ho獲ck值le皺y，19件10年2月13日－19商89年8月12日）楊是一刷位英迫國出鑰生的芽美國涉物理燈學家爭和發(fā)訴明家選。19收47年12月（37歲）地，肖惑克利派與合撓作者顏巴丁耳和布泉拉頓務共皆同發(fā)縱明了仁晶體狀管，塌分享冷了19垂56年度論的諾嚴貝爾將物理秤學獎暑金。計算勺機原舌理與雹系統(tǒng)30--Ro蝕be萌rt蓬N頂oy雄ce羅伯燥特·諾伊春斯19阻68年創(chuàng)耍辦英難特爾罵公司19常57年創(chuàng)牛辦仙化童半讓導體糊公司貝。財富發(fā)、威珠望和架成就三位速一體淺的圣墳人羅伯藝特·諾伊象斯(R紡ob添er議t話No酷yc軋e)和德窄州儀侍器公孤司的泥杰克·基爾程比(J叮ac弦k稍Ki手lb肢y)在兩濫年后停分別補發(fā)明暫了集俊成電牛路計算廟機原悅理與步系統(tǒng)31特德·霍夫逃與40鮮04微處袍理器大學結期間浮，每筒年暑情假都到上通用垂鐵路膜信號命公司僵的電子廳實驗蒼室做矩技師。在專那兒認，在電子非跟蹤志電路，照明如保護肯設計馬項目中，森獲得蹄了專爺利申吊請的蒜榮譽雹。大學渾畢業(yè)叢后一重年，這酸兩項理專利快被正隸式批換準。19框58年，攝申請銳了斯憤坦福禁大學第，在緣瑞這里逝獲得京了電告子工眠程碩阿士和受博士跳學位河。在19轉71年（34歲）江，發(fā)妹明‘40耕04’微處廈理器碌。用霍筒夫的鑰話來奔說，“計算娘機這亦種智友能體鴿非常俘適合頑市場祥銷售”?；舴虬阋恢悲B認為查微處聾理器匯的發(fā)僵明遠員不如奧知道鈴這種傾產品稱擁有降市場碼的感暫覺計算縫機原搏理與輩系統(tǒng)3240卻04微處伏理器In慶te足l徒40包04微處包理器巧是世顫界上混第一暫款商檔用計養(yǎng)算機真微處扯理器滔，是“一件眠劃時美代的高作品”、"人類奧歷史啞上最拳具革掩新性貓的產訊品之先一"。。它片胖內集潛成了22截50個晶路體管堡，晶知體管卷之間煙的距蠢離是10微米濤，能撿夠處塑理4b拌it的數(shù)扯據(jù)，反每秒夜運算6萬次殺，運暫行的律頻率斜為10晝8K暖Hz，成智本不狡到10櫻0美元旗。計算已機原谷理與竊系統(tǒng)33從器瓣件發(fā)離展而膀言電子塑管、漆繼電遇器存并儲→晶體獲管磁霜介質尚存儲要→閃集姻成電炸路森→蓄大規(guī)落模和勵超大殃規(guī)模啦集成如電路從結清構的至發(fā)展政而言單個CP附U組成卷的單簡機系濁統(tǒng)塑→巡壽流水魄線機叼→截多睬處理茅機→佛大采規(guī)模篩的并院行處篩理機從技院術的扣發(fā)展絨上而械言變址生技術→中斷丑技術→微程榮序技校術→緩沖緒技術肢共享→重用洋技術→虛擬徐技術1.除1計算痛機的噴發(fā)展培簡史Ch嬸ap碼te探r技1計算對機系擾統(tǒng)概裕論計算溝機原更理與揀系統(tǒng)34也稱帆為超別級計勵算機嶄，它彈是一肅個國障家科歸技水洋平、竿經濟鼓實力臟和軍膚事威器力的層象征真。巨棵型機腥速度緊最快份，性冤能最捷強，丑技術董最復蒼雜，衛(wèi)具有餐巨大叮的數(shù)稈值計罪算和躺信息買處理灶能力寄，是援每個椒時代畜計算倘機高駱精尖腔技術瘋的集渴中代巾表。19菌83年我糾國自注行研嫂制出矩了第目一臺鏟銀河吃巨型雙機。雅此后患，我思國自甚行研嫁制的輩銀河談－Ⅲ型巨輪型機噴每秒彎運算置可達距到12抖0億次具。（1）巨距型機不同掀類型年計算括機簡乏介計算赴機原訂理與加系統(tǒng)35圖1-喉5第一向臺銀膏河巨爭型機圖1-封6銀河Ⅲ巨型蜜機“天河塵一號”每秒朱計算12憂06萬億夫次的劇研制汽成功肺，世遮界上王只有賤中、返美能邊造,第一耗臺國碼產千工萬億困次超粗級計薦算機——兄“天河盟一號”20紀10速.1襖1，奪授魁計算聾機原尾理與青系統(tǒng)36?

天河二號

(第一名)?

泰坦

(第二名，USA)?

Sequoia-blueGene(第三名,USA)?

KComputer

(第四名)?

米拉

(第五名,USA)?

PizDaint（第六名，Switzerland）?

Stampede

(第七名，USA)?Juqueen

(第八名，germany)

?

Vulcan-BlueGene(第九名)（USA）?

CrayXC30，（USA)計算摘機原永理與鼠系統(tǒng)3720親14.鬧6年全境球超柔級計鄭算機鍵排行蹦前1當0強超級鍵計算衣機50戶0強排誘名20再15發(fā)布茂中牌國“匪天河陣二號牙”五往連冠計算脾機原社理與欠系統(tǒng)38天河馬二號天河閥二號瘡已經退是第跟五次糠拿到血超級攤電腦轉運算貝能力嫌的第戰(zhàn)一名俱了。其位于顛中國鵲國防就科技普大學嫩的天莊河二陳號超呼級電渡腦，桌是中愛科曙后光所浙開發(fā)啦，有31喪2萬顆報核心議處理州器，屯其浮鍋點運串算速順度達33說.8確6毅pe軋ta閃fl殿op包/s，相此當于訂第二貪快的蘭超級丸電腦Ti裹ta帥n的接盛近二佩倍。計算探機原瞎理與爺系統(tǒng)39計算欄機原置理與故系統(tǒng)40位于趨美國能能源渾部橡嘴樹嶺滴國家爭實驗爺室的Ti嶺ta搶n，是叨超級狐電腦著領域拍知名云的克調雷電適腦公界司(C性ra列y)打造劣的，箱其浮裳點運費算能戲力為17略.5綿9邊pe唉ta剩fl砌op濱/s。第三姿名的逆超級奪電腦Se銜qu步oi脊a同樣觸位于次美國奸的能自源部排，勞痕倫斯甜利福壞摩爾孩國家謀實驗徒室（La鴨wr憑en征ce踢L壺iv講er拜mo槳re瞎N兵at辟io滋na白l衛(wèi)La里bo太ra距to務ry；LL輸NL），IB揪M所開沾發(fā)，倡浮點膊運算溜能力河為17艱.1藝7p膨et樹af河lo花p/懂s。第雹四名查則是演位于嗓日本蠢理化緩學研圾究所矮的京(K毒c岡om漆pu謹te貍r)，由拜富士嚇通打磨造。計算電機原照理與斧系統(tǒng)41z1前3的硬姿件擴羅展能待力：41顆可弟配置賢處理絕器、10連TB內存業(yè)務兆能力督：單豬日能課夠處兆理25億筆申交易抓。20震14年雙逐十一溝那天路，支不付寶偏總交延易2.胳78億筆系，其范中移膚動端視完成1.根97億筆雞，也縱就是閘說一凝臺滿壓配的z1狐3幾乎掀能處扭理10倍于饅支付泄寶雙溝十一糕的交截易量（2）大柴型計黎算機圖1-佛7舟IB余M大型葵機Z1嗚3ma培in丙fr界am厘e椅co蠟mp柴ut財er它們棉一般癢用于恩大型蛛事務撈處理扛系統(tǒng)計算喚機原然理與求系統(tǒng)42（Mi狡ni竭co可mp盜ut便er）小渡型機錢是指軋采用貿精簡土指令糾集處曬理器免，性儉能和綁價格搶介于PC服務重器和數(shù)大型美主機買之間圖的一蒸種計物算機（3）小披型計旱算機IB盼M刮Po匪we機r蜂78杏0計算橫機原遠理與詳系統(tǒng)43微型眠計算顛機（Mi恐cr親oc價om吸pu辨te匆r）簡侮稱微惠型機射或微闖機，犬是以奶微處散理器理為中墾央處鵝理器掙而組嗚成的還計算架機系水統(tǒng)。（4）微濟型計跨算機它是鍵性能憐價格梁比最蠅高、開應用劇領域書最廣醋的一痛種計布算機鍬。近嗽年來森，微渾型機飄的發(fā)粗展最設快、華市場相占有亭率最涌高，低其許何多性愛能達扇到甚盈至超滅過了所小型拘機的森水平叢。微孟型計陰算機有正不橋斷向刃微型濃化、蛇網絡耽化、援高性擁能、蔽多用野途發(fā)帽展。計算還機原寸理與芹系統(tǒng)44微型逼計算瓦機的覽分類勉方法姻很多柱。按解字長臟可分遼為8位、16位、32位、64位微稅型機欣計算皇機;按組償裝形他式可美分為僚非便增攜式茅和便啦攜式扛微型瞧計算掘機，溝前者款如臺襲式機慕（如圍圖1-堡8所示加），皂后者絞是一散種可罷移動興的微烈型機銷，如贏筆記腿本和逢掌上怎計算炕機（畜如圖1-狡9所示長）。圖1-借8臺式湯機圖1-辣9筆記散本計算渣機原烏理與欲系統(tǒng)45Ch響ap牢te上r莫1計算目機系字統(tǒng)概益論1.哨2計算借機的鑼硬件軟件漠與硬勤件計算節(jié)機是逼一種貝能夠平自動階、高脹速解夕決數(shù)她學問埋題及琴邏輯晝問題或的現(xiàn)恰代化抽電子周裝置菊。硬件忘構成擇了計令算機婆系統(tǒng)攻的物旦質基五礎軟件浮則是臉計算策機系岔統(tǒng)的稈應用挖基礎硬件忽和軟納件正違朝著她相互院滲透煤、相翻互融研合的糕方向刺發(fā)展廈。計算坊機原筑理與彎系統(tǒng)461.斷2計算皺機的句硬件一、居硬件繞系統(tǒng)CP梢U（運貼算器屢、控件制器水）——核心詳組合亮邏輯醉控制權器、盼微程勵序控涉制器存儲刺器——容量裳、速乳度、儉價格慈主存姿（內邀存）扒、輔字存（艷外存笑）、貴高速的緩沖遍存儲竊器（CA毅CH贊E）、惱虛擬盒存儲節(jié)器I/蕩O設備：I/吊O接口計算抓機硬瘋件（Ha邁rd死wa餅re）是矛指計川算機股系統(tǒng)爐使用遙的電沸子線蕉路和鈔電子眼元件爬等物籠理設齡備的捉總稱盾。Ch拐ap嫩te逼r撕1計算惹機系貫統(tǒng)概甩論計算盆機原股理與醒系統(tǒng)47運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備

總線和輸入輸出接口高速緩存虛擬存儲器(磁盤設備)第3章第6章第4、7、8章第9章第10章Ch檔ap絹te風r泛1計算雁機系嫩統(tǒng)概隱論計算非機原蕩理與舉系統(tǒng)48二、界計先算機屈硬件阻組成敗及各推部件吉功能運算鳥器存儲什器控制消器輸入鋤設備輸出譽設備程序結果數(shù)據(jù)結果地址指令命令狀態(tài)請求命令請求命令計算恩機：CP涼U、存棋儲器膊、輸牛入輸傾出設渣備（I/甜O）+總線運算裳器AL僵U+控制旺器Ch使ap導te朽r遺1計算示機系課統(tǒng)概懷論計算準機原穿理與栗系統(tǒng)49微型旁計算學機的憶概念葛結構AB盡:進Ad主dr紀es鍬s燭Bu斥s，DB愁:授Da嫩ta歷B發(fā)us，CB袍:也Co參nt兇ro撓l陰Bu勒s地址總線AB存儲器I/O接口輸入設備I/O接口輸出設備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口各個夜部件認如何剝連接庫起來嘗？（p.速6圖1.孔1）計算惹機原寬理與局系統(tǒng)50Ch上ap殼te嫌r集1計算培機系香統(tǒng)概吧論1.倒3計算維機軟源件計算聯(lián)機語完言發(fā)滑展史機器究語言匯編派語言高級匹語言計算扒機原搬理與泄系統(tǒng)51一、倒機器序語言1、計牌算機喂采用組二進儀制表攪示數(shù)椒據(jù)和魯