計(jì)算機(jī)組成原理1

計(jì)算機(jī)組成原理任課教師:高金山計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室:九教學(xué)樓北402:51688420(Email:jshgao@jshgao@gmail課程的性質(zhì)和任務(wù)：?計(jì)算機(jī)組成原理?ComputerOrganization是硬件課程中主干課程之一。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)主要部件的原理，學(xué)懂簡(jiǎn)單、完備的單臺(tái)計(jì)算機(jī)的根本構(gòu)成與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的入門性知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容課內(nèi)學(xué)時(shí)第一章概論2學(xué)時(shí)第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器12學(xué)時(shí)第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)10學(xué)時(shí)第四章指令系統(tǒng)4學(xué)時(shí)第五章中央處理器〔控制器〕12學(xué)時(shí)第六章系統(tǒng)總線2學(xué)時(shí)第七章I/O系統(tǒng)6學(xué)時(shí)〔第八章外圍設(shè)備學(xué)時(shí)〕參考資料：

白中英．計(jì)算機(jī)組成原理，科學(xué)出版社白中英，?計(jì)算機(jī)組組織與結(jié)構(gòu)題解、題庫(kù)、實(shí)驗(yàn)?，科學(xué)出版社，２００4，2曠海蘭等，計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與訓(xùn)練，中國(guó)水利電力出版社，2004，1馬洪連，計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)，大連理工大學(xué)出版社，2003，9徐愛(ài)萍，計(jì)算機(jī)組成原理題解，清華大學(xué)出版社，2002，3參考資料〔續(xù)〕

王愛(ài)英,?計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)?,清華大學(xué)出版社王誠(chéng),?計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)?,清華大學(xué)出版社DavidA.Patterson，JohnL.Hennessy.ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface，2005第一章概述本章知識(shí)要點(diǎn)：１.了解計(jì)算機(jī)的開(kāi)展歷史及應(yīng)用；２.掌握計(jì)算機(jī)的根本組成及特點(diǎn)；３.掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。1．1計(jì)算機(jī)的開(kāi)展與應(yīng)用1．1．1計(jì)算機(jī)的開(kāi)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)一系列歷史演變過(guò)程的產(chǎn)物。這個(gè)歷史演變過(guò)程可分為五個(gè)階段。第一階段：機(jī)械式計(jì)算工具這是對(duì)手工計(jì)算的革命，有助于減輕繁雜的計(jì)算勞動(dòng)。算盤：１３世紀(jì)，中國(guó)；計(jì)算尺：１６２１年，英國(guó)第二階段：機(jī)械式邏輯器是今天邏輯線路和計(jì)算機(jī)決策的先驅(qū)。邏輯演示器：萊布尼茲〔Leibniz,1646-1716〕?布爾代數(shù)?：１８５４年，英國(guó)數(shù)學(xué)家喬治.布爾〔自動(dòng)運(yùn)算部件〕第三階段：機(jī)械式輸入輸出裝置這是對(duì)人工輸入數(shù)據(jù)和讀出結(jié)果的重要改進(jìn)。第一臺(tái)機(jī)電式穿孔卡系統(tǒng)－造表機(jī)：１８８６年第四階段：完整的計(jì)算機(jī)器的形成具有完整含義的機(jī)械式計(jì)算機(jī)或機(jī)電式計(jì)算機(jī)。經(jīng)歷了大約120年的歷史〔１８２２年～１９４５年〕。英國(guó)數(shù)學(xué)家，劍橋大學(xué)教授，查爾斯.巴貝奇１８３４年創(chuàng)造分析機(jī)。其重要奉獻(xiàn)在于它包括了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)具有的五個(gè)根本局部：輸入裝置，輸出裝置，處理裝置，存儲(chǔ)裝置，控制裝置。第五階段：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相繼問(wèn)世馮.諾依曼，英籍匈牙利科學(xué)家參與了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“埃尼阿克〞的設(shè)計(jì)工作。提出了存儲(chǔ)程序原理，即馮.諾依曼原理，使機(jī)器能自動(dòng)地執(zhí)行程序；提出了馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。馮式結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器I/O控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器I/OI/O控制1．第一代計(jì)算機(jī)〔1946－1957〕主要特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)所使用的邏輯元件為電子管；存儲(chǔ)器采用延遲線或磁鼓；軟件主要使用機(jī)器語(yǔ)言，后期使用匯編語(yǔ)言。

2．第二代計(jì)算機(jī)〔1958－1964〕主要特點(diǎn)：所使用的邏輯元件為晶體管；普遍采用磁芯作為主存儲(chǔ)器；采用磁帶或磁盤作為輔助存儲(chǔ)器；出現(xiàn)了Fortran、Cobol等高級(jí)語(yǔ)言，并出現(xiàn)了機(jī)器內(nèi)部的管理程序。3．第三代計(jì)算機(jī)〔1965－1971〕主要特點(diǎn)：硬件上，采用中、小規(guī)模集成電路,用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；軟件上，把管理程序開(kāi)展成為現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，采用了微程序控制技術(shù)，高級(jí)語(yǔ)言更加流行，如Basic、Pascal等。4．第四代計(jì)算機(jī)〔1972－〕主要特點(diǎn)：采用大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路〔VLSI〕；計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)更加完善，在語(yǔ)音、圖像處理、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等方面取得了很大開(kāi)展。

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的開(kāi)展，微型計(jì)算機(jī)〔簡(jiǎn)稱微機(jī)〕誕生了。〔1〕第一代微機(jī)１９８１年，ＩＢＭ－ＰＣ機(jī)，1983年，推出PC/XT機(jī)，使用Intel８０８８／８０８６微處理器，為16位機(jī)?！?〕第二代微機(jī)１９８４年，286AT及其兼容機(jī)，16位機(jī)；(3)第三代微機(jī)１９８６年，386微機(jī)，32位機(jī)；〔4〕第四代微機(jī)1989年,Intel80486微處理器問(wèn)世，32位〔５〕第五代微機(jī)1993年，Pentium,PentiumII,PentiumIII,PentiumⅣ。5．關(guān)于第五代計(jì)算機(jī)第五代計(jì)算機(jī)是通信、存儲(chǔ)、信息處理和人工智能相結(jié)合的超巨型計(jì)算機(jī)。6．關(guān)于第六代計(jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)的核心元件是更新的光電子元件、超導(dǎo)電子元件或生物電子元件。計(jì)算機(jī)的開(kāi)展方向巨型化研制高速度、強(qiáng)功能的大型機(jī)和巨型機(jī)以適應(yīng)軍事和尖端工業(yè)的需要。巨型機(jī)的開(kāi)展集中表達(dá)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展水平，它可以推動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件、軟件的理論及技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多個(gè)學(xué)科的開(kāi)展，所以它的生產(chǎn)標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的尖端科技的開(kāi)展程度。微型化研制價(jià)格低廉的超小型機(jī)和微機(jī)以開(kāi)拓應(yīng)用領(lǐng)域和占領(lǐng)廣闊市場(chǎng)，它的研制標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的應(yīng)用水平。信息家電、機(jī)頂盒—嵌入系統(tǒng)的用武之地嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例路由器，網(wǎng)關(guān)—嵌入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用火柴嵌入式WEBSERVER嵌入系統(tǒng)用于控制機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是按照約定的協(xié)議將假設(shè)干臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)通過(guò)通信線路相互連接起來(lái)，形成彼此能夠相互通信的一組相關(guān)的或獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它們有數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并具有共享?shù)據(jù)、共享計(jì)算機(jī)資源以及均衡負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)群:ClusterComputingClusterComputing是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把相互獨(dú)立的計(jì)算機(jī)組裝起來(lái)并能互相配合的進(jìn)行并行計(jì)算的一類并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；機(jī)群計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)以數(shù)量為優(yōu)勢(shì)的機(jī)群并行計(jì)算機(jī)

很有可能成為占主導(dǎo)地位的高端計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)食物鏈高性能微處理器:平均18個(gè)月性能提高一倍，價(jià)格快速降低Moore’slaw

高速網(wǎng)絡(luò)：快速(100Mb/s)/千兆(1Gb/s)以太網(wǎng)高帶寬~1.2Gb/s低延遲(幾個(gè)~幾十us)高可靠性高速交叉開(kāi)關(guān)IBM,3COM,Intel,Cisco等高性能分布式并行計(jì)算軟件,工具的標(biāo)準(zhǔn)化：自由軟件Linux操作系統(tǒng)的成熟和流行.科學(xué)計(jì)算和商業(yè)應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力不斷增長(zhǎng)的需要和傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的高價(jià)格和低普及率。CAD/CAMAerospaceOilReservoirSimulationsLifeSciencesDigitalBiologyE-commerceRDCPS-ILinux機(jī)群性價(jià)比高適于中小規(guī)模并行油藏模擬問(wèn)題可用于對(duì)大規(guī)模并行油藏模擬問(wèn)題的調(diào)試消息傳遞軟件開(kāi)銷較大〔~130微秒〕特點(diǎn)：?jiǎn)我幌到y(tǒng)映像

智能化智能化就是使計(jì)算機(jī)具有人工智能，具有學(xué)習(xí)能力、能自動(dòng)進(jìn)行邏輯判斷、類似于人腦的思維；具有問(wèn)題求解和推理功能以及具有知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。多媒體化多媒體技術(shù)是把電視的視聽(tīng)信息傳播能力與計(jì)算機(jī)交互控制能力相結(jié)合。創(chuàng)造出能集文、圖、聲、像于一體的新型信息處理模塊。計(jì)算機(jī)多媒體化后，將具有全數(shù)字式、全動(dòng)態(tài)、全屏幕的播放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息的功能，具有控制和傳輸多媒體電子郵件、電視會(huì)議等多種功能，使人耳目一新。1．1．2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1．科學(xué)技術(shù)計(jì)算把科學(xué)技術(shù)及工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中的各種數(shù)學(xué)問(wèn)題的計(jì)算，統(tǒng)稱為科學(xué)技術(shù)計(jì)算。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，最早就是從這一領(lǐng)域開(kāi)始的．電子計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算和工程設(shè)計(jì)中大有作為，它不僅能減輕繁雜的計(jì)算工作量，而且解決了過(guò)去無(wú)法解決或不能及時(shí)解決的問(wèn)題.2．?dāng)?shù)據(jù)信息處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析、傳送、存儲(chǔ)及檢測(cè)等操作都稱為數(shù)據(jù)處理。管理信息系統(tǒng)〔MIS〕逐漸成熟，它把數(shù)據(jù)處理與經(jīng)濟(jì)管理模型的優(yōu)化計(jì)算和仿真結(jié)合起來(lái)，具有決策、控制和預(yù)測(cè)功能。MIS在引人人工智能之后就形成決策支持系統(tǒng)〔DDS〕，它充分運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)、管理學(xué)、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的最新成就，進(jìn)一步開(kāi)展了MIS。如果將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、系統(tǒng)科學(xué)及行為科學(xué)應(yīng)用于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理無(wú)法解決的結(jié)構(gòu)不清楚的、包括非數(shù)值數(shù)據(jù)型的信息的辦公事務(wù)上，就形成了辦公自動(dòng)化系統(tǒng)〔OA〕．3．計(jì)算機(jī)控制工業(yè)過(guò)程控制是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)很重要的領(lǐng)域。所謂過(guò)程控制，就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。被控對(duì)象可以是一臺(tái)機(jī)床、一座窯爐、一條生產(chǎn)線、一個(gè)車間，甚至整個(gè)工廠。計(jì)算機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相配合，使被控對(duì)象按照預(yù)定算法保持最正確工作狀態(tài)．適合于工業(yè)環(huán)境中使用的計(jì)算機(jī)稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)具有數(shù)據(jù)采集和控制功能，能在惡劣的環(huán)境中可靠運(yùn)行。此外，計(jì)算機(jī)控制在軍事、航空、航天、核能利用等領(lǐng)域的也有廣泛的應(yīng)用。4．計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)CAD(ComputerAidedDesign)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)．CAM(ComputerAidedManufacturing)是利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作。CAT(ComputerAidedTesting)是利用計(jì)算機(jī)幫助人們進(jìn)行各種測(cè)試工作。CAI(ComputerAidedInstruction)是利用計(jì)算機(jī)幫助教師和學(xué)生進(jìn)行課程內(nèi)容的教學(xué)和測(cè)驗(yàn)。CIMSComputer-IntegratedManufacturingSystem,計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)5．家庭電腦化隨著微型計(jì)算機(jī)價(jià)格的下降及性能的不斷提高，特別是多媒體技術(shù)的開(kāi)展，家用個(gè)人計(jì)算機(jī)〔簡(jiǎn)稱家用PC機(jī)〕正以空前的速度開(kāi)展著。PC機(jī)開(kāi)展的結(jié)果。這無(wú)疑會(huì)大大促進(jìn)家庭信息時(shí)代的到來(lái)。1．2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合，組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1．2．1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件是指計(jì)算機(jī)中的電子線路和物理裝置。具有五大部件：輸入設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器和輸出設(shè)備。運(yùn)算器與控制器合稱為CPU。

CPU1．存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。分為內(nèi)存和外存。〔哈佛Harward結(jié)構(gòu)〕2．運(yùn)算器運(yùn)算器又稱為執(zhí)行部件。ALU是具體完成算術(shù)與邏輯運(yùn)算的部件。存放器用于存放運(yùn)算操作數(shù)。累加器除存放運(yùn)算操作數(shù)外，在連續(xù)運(yùn)算中，還用于存放中間結(jié)果和最后結(jié)果。運(yùn)算器一次能運(yùn)算的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，稱為字長(zhǎng)。3．控制器控制器是全機(jī)的指揮中心，它使計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)協(xié)調(diào)地工作。其主要功能是取指令、分析指令、執(zhí)行指令。4．輸入設(shè)備將人們熟悉的信息形式變換成計(jì)算機(jī)能接收并識(shí)別的信息形式的設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等。輸入設(shè)備與主機(jī)之間通過(guò)接口連接。5．輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)果的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成人類或其他設(shè)備能接收和識(shí)別的形式的設(shè)備。常用的輸出設(shè)備有：打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等。1．2．2計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的軟件是指根據(jù)解決問(wèn)題的方法、思想和過(guò)程編寫的程序的有序集合。計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類：應(yīng)用軟件是用戶為解決某種應(yīng)用問(wèn)題而編制的程序。系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和效勞等功能。軟硬件等效性原理：硬件和軟件在邏輯上是等效的。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與硬件可以互相轉(zhuǎn)化，它們之間互為補(bǔ)充。固件：將程序固化在ROM中的部件，具有硬件的快速性和軟件的靈活性的特點(diǎn)。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在著層次結(jié)構(gòu)，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有層次性，它由多級(jí)層次結(jié)構(gòu)組成。功能上看，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為五個(gè)層次級(jí)別。虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：層次之間的關(guān)系緊密，上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的根底，站在不同的層次觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，會(huì)得到不同的概念。1．3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、性能指標(biāo)及分類1．3．1計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)快速性，通用性，準(zhǔn)確性，邏輯性數(shù)字電子計(jì)算機(jī)是一種能自動(dòng)地、高速地對(duì)各種數(shù)字化信息進(jìn)行運(yùn)算處理的電子設(shè)備。1．3．2計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1．根本字長(zhǎng)它是指參與運(yùn)算的數(shù)的根本長(zhǎng)度，用二進(jìn)制數(shù)位的長(zhǎng)短來(lái)衡量。2．主存容量主存容量可以以字長(zhǎng)為單位來(lái)計(jì)算，