1、计算机组成原理,张功萱,清华大学出版社,主讲：谭乐婷,计算机组成原理是计算机类学科本科教学中的一门重要专业基础课。在专业教学计划中占有重要地位和作用。它主要阐述构成一台计算机的基本原理，包括计算机的结构组成、各个功能部件的作用、工作原理及设计方法。学习本课程旨在建立计算机系统的整体概念，对培养设计开发计算机系统的能力有重要作用。该课程为今后学习计算机体系结构、计算机网络、计算机容错技术、计算机并行处理、计算机分布式处理技术等课程打好基础。计算机组成原理的先修课程为信息论导论、数字逻辑设计；后继课程为微机系统与接口、单片机应用技术等系列课程。 谭乐婷2010年9月,组成原理的地位和对象,1.地位
2、： 核心课程（与系统结构、操作系统构成3门专业核心课程） 2.对象： 计算机专业（科学与技术、软件工程、网络工程） 高年级课程,概论,知识结构,知识结构,计算机系统的硬件结构,I/O,系统总线,存储器,运算器,控制器,知识结构,运算器,内部互连,ALU,寄存器,CPU,I/O,系统总线,存储器,运算器,控制器,组成原理的主要内容,1.计算机信息表示（数据、指令） 2.运算器的算法 3.存储器的结构及设计 4.控制器的原理及设计 5.I/O设备原理 6.总线的原理与设计,第章 概论,1.1 计算机的发展历史,1.4 计算机系统的组织结构,1.3 计算机的软件系统,1.2 计算机系统的硬件组成,1
3、.5 计算机的特点和性能指标,约翰冯诺依曼 John Von Neuman （19031957） 美藉匈牙利人,开创了现代计算机理论，于1945年提出了“程序内存式”计算机的设计思想。这一卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则。,1946年，冯诺依曼开始研究程序编制问题，他是现代数值分析计算数学的缔造者之一，他首先研究线性代数和算术的数值计算，,冯诺依曼逝世后，未完成的手稿于1958年以计算机与人脑为名出版他的主要著作收集在六卷冯诺依曼全集中，1961年出版,阿兰麦席森图灵 Alan Mathison Turing （1912.6.231954.6.7） 英
4、国数学家、逻辑学家 被视为计算机之父,在他短暂的生涯中，图灵在量子力学、数理逻辑、生物学、化学方面都有深入的研究，在晚年还开创了一门新学科 非线性力学。24岁提出图灵机理论，31岁参与COLOSSUS的研制，33岁设想仿真系统，35岁提出自动程序设计概念，38岁设计“图灵测验”。这一朵朵灵感浪花无不闪耀着他在计算机发展史上的预见性。 “图灵机”与“冯诺伊曼机”齐名，被永远载入计算机的发展史中。为表彰他的贡献，专门设有一个一年一度的“图灵奖”，颁发给最优秀的电脑科学家。,1.1 计算机的发展史,一、计算机的产生和发展,1946年 美国 ENIAC,1955年退役,用手工搬动开关和拔插电缆来编程,
5、世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946),1.1,硬件技术对计算机更新换代的影响,1.1,电子管,晶体管,集成电路,1. IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution,212 992 个 CPU 最大平均速度 478 200 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,1.1,2.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution,65 536个 CPU 最大平均速度 167 300 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,1.1,3.SGI: SGI Altix ICE 8200,14
6、 336个 CPU 最大平均速度 126 900 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,1.1,4. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c,14 240个 CPU 最大平均速度 117 900 GFLOPS,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,1.1,最快的五台超级计算机（截止到 2007.11）,5. HP : Cluster Platform 3000 BL460c,13 728个 CPU 最大平均速度 102 800 GFLOPS,1.1,最权威的超级计算机排名的参考网址http:/www.top500.org
7、,1.1,二、微型计算机的出现和发展,微处理器芯片,存储器芯片,1971年,1970年,1.1,Moore 定律,Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出,1.1,Intel 公司的典型微处理器产品,8080 8位 1974年 8086 16位 1979年 2.9 万个晶体管 80286 16位 1982年 13.4 万个晶体管 80386 32位 1985年 27.5 万个晶体管 80486 32位 1989年 120.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1993年 310.0 万个晶体管 Pentium Pro 64位（准） 1995年 550.0 万个晶体管
8、 Pentium 64位（准） 1997年 750.0 万个晶体管 Pentium 64位（准） 1999年 950.0 万个晶体管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 万个晶体管,你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个45纳米晶体管。你可以在一个针头上摆放3万多个45纳米晶体管，加起来约合150万纳米。一个小数点(直径约为0.1毫米或10万纳米)可填入2千多个45纳米晶体管。一个45纳米晶体管可在1秒钟内切换约3千亿次。一个45纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速(每秒30万公里)穿行0.1英寸所需的时间。,2007 年 英特尔采用45nm工艺技术，芯片上可集成
9、23 亿 个晶体管,三、软件技术的兴起和发展,操作系统（OS）,数据库,DOS（Disk Operation System：磁盘操作系统） UNIX：1971年贝尔实验室 Windows 1.0是在1985年正式推出的。 LINUX:1991年,第一个数据库管理系统IDS由通用电气(GE)公司的Charles Bachman在1961开发出。 1979年Oracle公司引入了第一个商用SQL关系数据库管理系统。,例：已知X=5, Y=3, 求X+Y=？,用计算机求解，需要解决：,如何表示数据,如何对数据进行运算处理,需设置哪些部件来实现运算,1.2 计算机系统的硬件组成, 计算机由五大部件组成
10、, 指令和数据用二进制形式表示,一、冯诺依曼计算机的特点, 采用存储程序方式,算术运算 逻辑运算,存放数据 和程序,将信息转换成机 器能识别的形式,将结果转换成 人们熟悉的形式,指挥程序 运行,冯诺依曼计算机硬件框图,ALU,主存 辅存,CPU,主机,I/O设备,硬件,CU,2.现代计算机硬件框图,由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成,1. 计算机系统,计算机系统,计算机的实体， 如主机、外设等,一、 计算机的软硬件概念,1.3 计算机的软件系统,按任务需要编制成的各种程序,用来管理整个计算机系统,系统软件,应用软件,语言处理程序,操作系统,服务性程序,数据库管理系统,网络软件,软 件,标准
11、程序库,系统软件,语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序,操作系统 DOS UNIX Windows,服务性程序 装配 调试 诊断 排错,数据库管理系统 数据库和数据库管理软件,网络软件 对网络资源进行组织和管理,标准程序库 求解初等函数、线性方程组等计算程序,语言处理程序（编译程序、解释程序）,解释将源程序逐段地转换为具有相同功能的指令序列。 编译将整个源程序全部转换为指令序列。,（边翻译、边执行）,（先翻译、后执行）,1.什么是机器语言? 2.什么是汇编语言？ 3.什么是高级语言？,机器语言 面向机器,汇编语言 面向机器,高级语言 面向问题,FORTRAN 科学计算和工程计算,PASC
12、AL 结构化程序设计,C 面向对象,Java 适应网络环境, 各种语言处理程序,2. 计算机的解题过程,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机器 M0,1.4 计算机系统的组织结构,1.5 计算机硬件的主要技术指标,1.基本字长 2.数据通路宽度 3.运算速度 4.主存储器容量 5.外存容量 6.配置的外围设备及其性能 7.系统软件配置,1.机器字长,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数 与 CPU 中的 寄存器位数 有关,主频,221 = 256 KB,3.存储容量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二进制信息的总位数,1 K 8位,64 K 32位,
