1、上海海事大学计算机系 L黄晓霞,计算机原理与系统,计算机原理与系统,2,课程简介,课程邮箱 课程特点 课程教学计划 课程学习过程要求 教学内容安排,计算机原理与系统,3,课程邮件,xinx_ xinx13,计算机原理与系统,4,课程特点,专业必修的核心课程 计算机专业硕士研究生入学必考课程 教学内容 计算机硬件系统的基本组成及运行原理 各功能部件的构成原理和运行原理 计算机硬件系统及功能部件的设计简介,计算机原理与系统,5,计算机组成原理 与先修后继课程的关系,先修 数字电子技术 汇编语言程序设计,本课程位置与作用专业主干课程之一专业基础课与专业课的重要纽带，承上启下的作用,后继操作系统计算机
2、网络计算机接口技术嵌入式系统单片机原理、可编程逻辑器件等,计算机原理与系统,6,课程教学计划 教材,主教材: 计算机组成与结构王爱英 主编 清华大学出版社。参考教材： 数字电子技术基础 阎石主编 实验教材：计算机原理与系统实验指导书 上海海事大学,计算机原理与系统,7,学 时: 上课学时:71实验学时:10,课程教学计划 学时,学 分: 4.5,计算机原理与系统,8,计算机组成原理: 期末考试：70 平时成绩: 30（包括作业、考勤、课堂小测验及期中考查，期中考试时间暂定在10.28（第八周）,课程教学计划 成绩构成,计算机原理与系统,9,课程学习过程要求,上课:听课投入上课不迟到、不无故缺勤
3、 作业:作业本（封面写上学号和姓名） 认真复习相关内容 相互探讨，独立完成 按时按质交作业，难题集中讲解 实验: 预习操作报告,计算机原理与系统,10,教学内容安排,教材总目录 第一章 计算机系统概论 第二章 （数字电路基础）计算机的逻辑器件 第三章 （数据表示）运算算法和运算部件 第四章 主存储器 第五章 指令系统（汇编语言程序设计简介） 第六章 中央控制器 第七章 存储系统 第八章 辅助存储器 第九章 输入输出设备 第十章 输入输出系统 第十一章 计算机系统,计算机原理与系统,11,Chapter 1 计算机系统概论,计算机的发展简史 计算机硬件 计算机的语言 计算机的应用 （计算机网络）
4、 计算机的性能指标,生活中的计算机系统,Product:Vendo Vue 40 vending machine.Microprocessor: Two 16-bit Hitachi H8/300H Processors A robot hand dispenses items,Product: Cannon EOS 30D Digital Camera Microprocessor: DIGIC II Image Processor,Product: NASAs Twin Mars Rovers. Microprocessor: Radiation Hardened 20Mhz PowerP
5、C Commercial Real-time OS Software and OS was developed during multi-year flight to Mars and downloaded using a radio link,Photograph courtesy of NASA/JPL CALTECH,Product: Atronic Slot Machine Microprocessor: X86 OS: Windows CE Slots are networked to a casinos back office computer system. State Gami
6、ng agencies audit code and payoff odds.,Product: LG VoIP Phone Microprocessor: Freescale i.MX21 ARM OS: Windows CE,计算机原理与系统,18,1.1计算机的发展简史,Chapter 1 计算机系统概论,Pascal发明的史上第一台机械式计算机就是一台十进制计算机，它利用齿轮装置来保存十进制数据，并通过齿轮旋转来完成十进制的加法，齿轮传动来完成进位。,计算机原理与系统,19,1.1 计算机的发展简史,一、第一台计算机ENIAC、时间（1946）、地点、特点,Chapter 1 计算机系
7、统概论,1946年研制成功的第一台电子计算机ENIAC也沿用了这一惯例即采用十进制，它是由一圈共10个真空管来表示一位十进制数据的，计算实现起来非常复杂。,计算机原理与系统,20,世界第一台电子计算机ENIAC 埃尼阿克 宾夕法尼亚大学摩尔工程学院 莫奇利和埃克特领导的研究小组,1946年2月14日 The Electronic Numerical Integrator And Computer 17468个电子管 60000个电阻器 10000个电容器 6000个开关 30吨 160平方米 174千瓦 5000次加法/秒,缺点： 十进制 人工改接连线,计算机原理与系统,21,1.1计算机的发
8、展史,二、冯 诺依曼计算机设计思想 计算机的工作方式-存储程序的工作方式 提出：1946 冯 诺依曼提出计算机的若干设计思想 要点： 计算机采用二进制表示数据和指令 存储程序的工作方式 计算机硬件组成及各部件功能 EDVAC,采用存储程序方案 EDVAC (Electronic Discrete variable Automatic Computer)。离散变量自动电子计算机。,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,22,冯诺依曼计算机结构,以运算器为核心、以存储程序原理为基础,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令驱动,指令流,控制命令,数据流,人们将编好的程序和原
9、始数据存入主存储器中，然后启动计算机工作，计算机在不需要人工干预的情况下，自动完成逐条取出指令并执行指令的任务。,计算机原理与系统,23,程序的执行过程,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n, ,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,计算机原理与系统,24,1.1 计算机的发展史,三、以器件划分计算机的发展史 1第一代 电子管计算机 1947-1957 2第二代 晶体管计算机 1958-1964 3第三代 集成电路计算机 1964-1972 4第四代 大规模集成电路计算机 1972-至今 （第五代，1981）,Chapter 1 计算机系统概论,
10、计算机原理与系统,25,真空电子管诞生,李德弗雷斯特 (Lee deForest 18731961) “电子管之父” “无线电之父”、“电视始祖” 1899（26岁）发明了电解检波器和交流发射机。 1906（33岁）年他发明了三极真空管（检波、产生振荡、放大电信号、改变电信号频率等）,真空电子管的诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。计算机历史由此跨进了电子的纪元。,计算机原理与系统,26,李德福雷斯特,13岁便“发明”了好几种小机器，一生获得了多达300余项专利。 20岁那年他考取了耶鲁大学谢菲尔德理学院的奖学金，班上的同学都叫他“学校里最平庸、最神经质的学生”。成功的原因 1.对于
11、电学、特别是电磁波传播有着近乎痴迷的兴趣。 2.耶鲁精神和美国精神,耶鲁精神和美国精神,耶鲁的精神-“我们需要接收这种观点，即希望的大门为我们打开，充沛的精力需要我们展现，伟大的思想和目标由之而激励，对未来的信念必然会在我们心中生根，这就是耶鲁的生活所带给你们的，这就是耶鲁的精神。 在耶鲁，大家都是为梦想而来，每个人都可以为自己的理想而努力奋斗 。 不仅是耶鲁人，那时的美国人都相信，即将到来的二十世纪将成为“美国的世纪”。美国的科技的高速发展，在美西战争中的辉煌胜利，还有人民高涨的爱国热情，都让人相信这个国家前途无限。美国在20世纪成为世界科技中心。,计算机原理与系统,28,三项发明助力计算机
12、产业腾飞,贝尔实验室肖克利等三人发明的晶体管 诺伊斯和基尔比发明的集成电路。 特德霍夫发明的微处理器。,计算机原理与系统,29,晶体管之父W.Shockley,威廉肖克利（William Bradford Shockley，1910年2月13日1989年8月12日）是一位英国出生的美国物理学家和发明家。 1947年12月（37岁），肖克利与合作者巴丁和布拉顿 共同发明了晶体管，分享了1956年度的诺贝尔物理学奖金。,计算机原理与系统,30,- Robert Noyce罗伯特诺伊斯1968年创办英特尔公司 1957年创办仙童半导体公司。 财富、威望和成就 三位一体的圣人,罗伯特诺伊斯(Rober
13、t Noyce)和德州仪器公司的杰克基尔比(Jack Kilby)在两年后分别发明了集成电路,计算机原理与系统,31,特德霍夫与4004微处理器,大学期间，每年暑假都到通用铁路信号公司的电子实验室做技师。在那儿，在电子跟踪电路，照明保护设计项目中，获得了专利申请的荣誉。大学毕业后一年，这两项专利被正式批准。 1958年，申请了斯坦福大学，在这里获得了电子工程硕士和博士学位。 在1971年（34岁），发明4004微处理器。用霍夫的话来说，“计算机这种智能体非常适合市场销售”。 霍夫一直认为微处理器的发明远不如知道这种产品拥有市场的感觉,计算机原理与系统,32,4004微处理器 Intel 400
14、4微处理器是世界上第一款商用计算机微处理器，是“一件划时代的作品”、 “人类历史上最具革新性的产品之一“。 。 它片内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108KHz，成本不到100美元。,计算机原理与系统,33,从器件发展而言 电子管、继电器存储 晶体管磁介质存储 集成电路 大规模和超大规模集成电路从结构的发展而言 单个CPU组成的单机系统 流水线机 多处理机 大规模的并行处理机从技术的发展上而言 变址技术 中断技术 微程序技术 缓冲技术共享 重用技术 虚拟技术,1.1计算机的发展简史,Chapter 1 计算机系统概论,计
15、算机原理与系统,34,也称为超级计算机，它是一个国家科技水平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值计算和信息处理能力，是每个时代计算机高精尖技术的集中代表。 1983年我国自行研制出了第一台银河巨型机。此后，我国自行研制的银河型巨型机每秒运算可达到120亿次。,（1）巨型机,不同类型计算机简介,计算机原理与系统,35,图1-5 第一台银河巨型机,图1-6 银河巨型机,“天河一号”,每秒计算1206万亿次的研制成功，世界上只有中、美能造, 第一台国产千万亿次超级计算机“天河一号” 2010.11，夺魁,计算机原理与系统,36,计算机原理与系统,37,20
16、14.6年全球超级计算机排行前10强,超级计算机500强排名2015发布 中国“天河二号”五连冠,计算机原理与系统,38,天河二号,天河二号已经是第五次拿到超级电脑运算能力的第一名了。位于中国国防科技大学的天河二号超级电脑，是中科曙光所开发，有312万颗核心处理器，其浮点运算速度达 33.86 petaflop/s，相当于第二快的超级电脑 Titan 的接近二倍。,计算机原理与系统,39,计算机原理与系统,40,位于美国能源部橡树岭国家实验室的Titan，是超级电脑领域知名的克雷电脑公司 (Cray) 打造的，其浮点运算能力为17.59 petaflop/s。,第三名的超级电脑Sequoia同
17、样位于美国的能源部，劳伦斯利福摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL），IBM 所开发，浮点运算能力为17.17petaflop/s。第四名则是位于日本理化学研究所的京 (K computer)，由富士通打造。,计算机原理与系统,41,z13的硬件扩展能力： 41颗可配置处理器、 10TB内存 业务能力：单日能够处理25亿笔交易。 2014年双十一那天，支付宝总交易2.78亿笔，其中移动端完成1.97亿笔，也就是说一台满配的z13几乎能处理10倍于支付宝双十一的交易量,（2）大型计算机,图1-7 IBM大型机Z13,mainfra
18、me computer,它们一般用于大型事务处理系统,计算机原理与系统,42,（Minicomputer）小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于PC服务器和大型主机之间的一种计算机,（3）小型计算机,IBM Power 780,计算机原理与系统,43,微型计算机（Microcomputer）简称微型机或微机，是以微处理器为中央处理器而组成的计算机系统。,（4）微型计算机,它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计算机。近年来，微型机的发展最快、市场占有率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、高性能、多用途发展。,计算机原理与系统,44,微型计算机的
19、分类方法很多。按字长可分为8位、16位、32位、64位微型机计算机;按组装形式可分为非便携式和便携式微型计算机，前者如台式机（如图1-8所示），后者是一种可移动的微型机，如笔记本和掌上计算机（如图1-9所示）。,图1-8台式机,图1-9笔记本,计算机原理与系统,45,Chapter 1 计算机系统概论,1.2 计算机的硬件 软件与硬件 计算机是一种能够自动、高速解决数学问题及逻辑问题的现代化电子装置。 硬件构成了计算机系统的物质基础 软件则是计算机系统的应用基础 硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展。,计算机原理与系统,46,1.2 计算机的硬件,一、硬件系统CPU（运算器、控制器）核
20、心 组合逻辑控制器、微程序控制器存储器容量、速度、价格 主存（内存）、辅存（外存）、高速缓冲存储器（CACHE）、虚拟存储器I/O设备：I/O接口,计算机硬件（Hardware）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,47,第10章,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,48,二、 计算机硬件组成及各部件功能,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,程序,结果,数据,结果,地址,指令,命令,状态,请求,命令,请求,命令,计算机：CPU 、存储器、输入输出设备（I/O）+总线 运算器ALU+控制器,Cha
21、pter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,49,微型计算机的概念结构,AB: Address Bus，DB: Data Bus，CB: Control Bus,各个部件如何连接起来？（p.6图1.1）,计算机原理与系统,50,Chapter 1 计算机系统概论,1.3 计算机软件 计算机语言发展史机器语言汇编语言高级语言,计算机原理与系统,51,一、机器语言 1、计算机采用二进制表示数据和指令数据、指令（产生控制命令） 计算机内采用二进制的原因： 信息数字化容易实现，运算简单 硬件上容易实现 （如在电路中能够与电子器件中 电压的高低、脉冲的有无对应起来）,0110101110010111
22、0,Chapter 1 计算机系统概论,2、存储程序的工作方式,计算机原理与系统,52,二、汇编语言 例： MUL B B (0101 0010 0010) MUL A E MUL A C SUB B A MOV D B 其中A、B、C、D、E中分别 存放a、b、c、d、4,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,53,三、高级语言BASIC、FORTRAN、C语言等 例： BASIC 中 LET d=b*b-4*a*c,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,54,1.4 计算机的应用,1.科学计算2.数据处理3.计算机控制4.计算机辅助设计/制造5.人工智能,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,55,1.5 计算机的性能指标,字长：参与一次运算的数的位数。8位、16位、32位、64位数据通路宽度：数据线位数 特例：INTEL 8088 字长16位，数据线8位，称准16位机主存容量：按字节编址用单元数表示：16M （16M8位） 按字编址用单元数位数表示 64k 16位外存容量：10.2G 20G运算速度 主频（CPU时钟频率） 每秒平均执行指令数（ips）（MIPS） 浮点运算速度兼容性、可靠性、可维护性、性价比,Chapter 1 计算机系统概论,计算机原理与系统,56,本章结束,谢谢！,
