1、2021-11-251 同學們大家好！同學們大家好！謝謝大家的支持和協作！謝謝大家的支持和協作！2021-11-252計算機組成原理計算機組成原理 科學出版社科學出版社教材：計算機組成原理計算機組成原理 白中英主編 第三版主講人：計算機科學與工程系 李漢菊李漢菊 制作人：專升本200203班 鄧鄧 偉偉課時60，機時12，4.5學分2021-11-253參考書目：1. 計算機組成原理題解，題庫與實驗 科學出版社 第三版 白中英 楊春武 主編2. 計算機組成原理 第二版 華中科技大學出版社 莫正坤 高建生 主編3. 計算機組成與結構 清華大學出版社 王愛英 主編4. 計算機原理與系統結構 清華大

2、學出版社 候炳輝 主編5.計算機原理 李勇2021-11-254課程安排：60學時第一章 計算機系統概論 2 學時第二章 運算方法和運算器 12-14學時第三章 存儲系統 10-12學時第四章 指令系統 2- 4學時第五章 中央處理器 10-12學時第六章 總線系統 4學時 第七章 外圍設備 4- 6學時第八章 輸入輸出系統 6- 8學時復習 2 學時2021-11-255實驗安排：3個實驗12學時n1. 運算器組成實驗 74181芯片n2. 半導體存儲器實驗 2114芯片1K*4位n3. 時序電路n實驗指導書：計算機組成原理實驗指導書 王曉蘭 編n實驗指導老師：王曉蘭 TEL：8754378

3、5n實驗地址：南一樓 807n實驗時間：13，15，17周n星期五下午： 5-8節 （02010203班）n星期五晚上： 912 節 （0204-0206班）2021-11-256教學要求： 計算機組成原理是計算機科學與工程系的一門核心必修課，在先導課和后繼課之間起著承上啟下的作用。 學習這門課要求概念清晰,有較廣的知識面，注重培養自學能力,分析問題及動手設計,計算能力。 每人準備準備2個作業本個作業本。2021-11-257考核方式：全年級統一試卷平時成績 ： 20分 作業和到課情況10分 實驗10分考試成績 ： 80分 2021-11-258 第一章第一章 計算機系統概論計算機系統概論1.

4、1計算機的分類和應用計算機的分類和應用 1.1.1計算機的分類計算機的分類 電子計算機從總體上分為兩大類: 電子模擬計算機電子模擬計算機和電子數字計算機電子數字計算機。 數字計算機分為: 兩類兩類 專用計算機和通用計算機。 通用計算機分為: 六類六類巨型機,大型機,中型機,小型機,微型機和單片機。 2021-11-259數字計算機和模擬計算機的主要區別數字計算機和模擬計算機的主要區別 比較內容數字計算機模擬計算機數據比較方式數字0和1電壓計算方式數字計數電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數據存儲量大小邏輯判斷能力強無2021-11-2510通用計算機分類及比較 單片機 微型機 小

5、型機 中型機 大型機 巨型機低高高低體積功耗數據存儲量指令系統價格簡易性2021-11-25111.1.2 計算機的應用計算機的應用 計算機所以迅速發展,其生命力在于廣泛的應用。歸納下面七個方面： 1. 科學計算2. 自動控制 3. 測量和測試4. 信息處理（商務處理和管理應用）5. 教育和衛生6. 家用電器7. 人工智能2021-11-2512計算機的特點計算機的特點: 4點點1.計算機具有自動進行各種操作的能力2.計算機具有高速處理的能力3.計算機具有超強的記憶能力4.計算機具有很高的計算精度與可靠的 判斷能力2021-11-2513計算機的發展階段1 .1946年美國研制成功的ENIAC

6、，使用了18000多個電子管，占地170平方米,總重量30噸,耗電140千瓦， 每秒可以作5千次加減運算。2.當今最先進計算機依舊遵循馮馮若依曼若依曼基本原理運行 第一代 計算機46-50年代末 第二代 50末-60年代初 第三代 60年代中期-70年代初 第四代 70年代中期以后大規模和超大規模集成電路 2021-11-2514 微機的分類（微機的分類（4種）種）1按字長分有8位，16位，32位，64位。2按結構分有單片機，單板機，多芯片機，多板機3按用途分有工業過程控制機，數據處理機4按CPU芯片型號分有286，386，486，奔騰586中央處理器簡稱CPU（Central Process

7、ing Unit)CPU主要包括運算器和控制器2個部件存儲器容量是指存儲器中包含的字節數通常用KB,MB,GB,TB為存儲器容量的單位1KB=1024字節，1MB=1024KB,1GB=1024MBCPU與內存和在一起稱為主機內存由半導體存儲器組成。2021-11-2515 外存儲器外存儲器常用的外存儲: 磁盤，光盤，磁帶等。 磁盤又分為: 硬盤和軟盤1.硬盤的容量大的多，目前硬盤的容量一 般是60-100G以上2.軟盤一般使用的3.5寸軟盤容量為1.44MB3.光盤簡稱CD-ROM容量為650MB4.移動閃存簡稱U盤容量一般32-128MB以上2021-11-25161.2 計算機的硬件計算

8、機的硬件1.2.1 數字計算機的硬件組成數字計算機的硬件組成 計算機的主要組成結構系統總線 BUS適配器控制器存儲器運算器輸入設備 I輸出設備 OCpu=運+控2021-11-2517 外部設備 CPU 計算機硬件系統基本組成框圖輸入設備輸出設備控制器運算器存儲器2021-11-25181.運算器運算器運算器好像一個由電子線路構成的算盤。主要功能： 加，減，乘，除，邏輯運算。 有時作為數據通道。例：MOV R1,R2 在運算中位數越多,計算的精度就越高， 但花費的電子器件也越多. 目前運算長度一般是: 8位，16位，32位或64位.2021-11-2519運算器結構示意圖： 運算單元電路寄存器

9、B累加器A2021-11-2520問題：問題：計算機中為何使用二進制計算機中為何使用二進制？n 二進制運算規律簡單n電子線路易實現n物理器件原因 例：電平的高低,脈沖的有無,燈光的亮熄等。n電子計算機中廣泛使用二進制數。2021-11-2521讀寫控制電路存儲單元存儲體存儲單元001111讀/寫命令地址總線存儲器組成框圖地址譯碼存儲單元000數據總線2.存儲器2021-11-2522存儲器的功能：保存信息 0/1 保存或“記憶”解題的原始數據和解題步驟存儲單元存儲單元: 把保存一個數的8/16個觸發器 叫存儲單元存儲單元。存儲地址存儲地址: 存儲器中的存儲單元的編號。存儲容量存儲容量: 存儲器

10、中存儲單元的總數。外存儲器外存儲器: 磁盤存儲器和光盤存儲器。內存儲器內存儲器: 半導體存儲器。2021-11-2523 3.控制器控制器是控制計算機各部件有條不紊工作的部件（1）計算程序指令：每一個基本操作就叫一條指令計算程序：解釋某一個問題的一串指令序列（2）指令的形式存儲程序: 將解題的程序(指令序列)存放到存儲器中.程序控制: 控制器依據存儲的程序來控制全機協調的 完成計算任務.操作碼地址碼2021-11-2524 （3）控制器的基本任務： 按照計算機程序所安排的指令序列， 從存儲器取出一條指令放到控制器中， 對該指令的操作碼進行分析判斷， 然后根據指令性質，執行這條指令,進行相應的操

11、作。 接著從存儲器中取第二條指令,再執行。 把取指令的一段時間叫做取指周期取指周期， 執行指令的一段時間叫做執行周期執行周期。2021-11-2525 （4）適配器與輸入輸出設備 輸入設備輸入設備：能夠把人們用文字或語言所表達的問題直接送到計算機內部處理（如鍵盤，鼠標，掃描儀） 輸出設備輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其他機器設備所能接受和識別的信息形式。（如打印機，顯示器） 計算機的輸入輸出設備通常稱為外圍設備外圍設備。 一個典型的計算機系統具有各種類型的外圍設備，有各種類型的適配器，它使得被連接的外圍設備通過系統總線與主機進行聯系，使主機和外圍設備協調的工作。 適配器適配器的作用：保

12、證外圍設備用計算機系統特性所要求的形式發送或接受信息。2021-11-2526世界第一臺電子計算機：ENIACn1946年在美國賓夕法尼亞大學研制成功。n電子管：18800多個n重量：36 噸n繼電器：1500只n電阻器：7000只n電容器：10000只n功耗：150 k Wn體積：85立方米n占地：170平方米2021-11-25271.2.2計算機系統結構的過去和未來計算機系統結構的過去和未來計算機的發展經歷了五代：第一代: 1946年 電子管計算機第二代: 1958年 晶體管計算機第三代: 1965年 中小規模集成電路計算機第四代: 1971年 大規模和超大規模集成電 路計算機.第五代:

13、 1986年巨大規模集成電路計算機2021-11-2528VLSI：超大規模集成電路小規模 門電路小于10個中規模 門電路小于100個大規模 門電路小于1000個超大規模 門電路大于幾千個門電路2021-11-2529 第一代計算機第一代計算機 （1946 1946 19581958） 特征特征：（1）以電子管為基本電子器件.（2）使用機器語言和匯編語言.（3）應用領域主要為科學計算.（4）運算速度每秒幾千幾萬次.（5）體積大,功耗大,價格昂貴且可靠性差.2021-11-2530 第二代計算機（第二代計算機（1958 1958 19641964） 特征特征： （1）晶體管取代電子管. （2）軟

14、件技術上出現算法語言及操作系統. （3）應用領域從科學計算擴展到數據處理. （4）運算速度每秒幾萬幾十萬次. （5）體積縮小,功耗降低,可靠性提高.2021-11-2531第三代計算機第三代計算機 （1964 1964 19711971） 特征：特征： （1）采用集成電路 （2）運算速度每秒幾十萬幾百萬次 （3）體積,功耗顯著減小,可靠性大大提高 （4）出現向大型和小型化兩極發展趨勢 （5）軟件技術與計算機外圍設備發展迅速，應用領域不斷擴大2021-11-2532 第四代計算機（第四代計算機（19711971至今）至今）特征：特征： （1）中，大及超大規模集成電路（VLSI）成為 計算機的主要

15、器件。 （2）運算速度從MIPS級提高到GIPS級乃至 TIPS級。 （3）采用了多機并行處理與網絡化技術。 （4）系統軟件的發展正向工程化及智能化發展。2021-11-2533運算速度運算速度：MIPS級:每秒106條指令GIPS級:每秒109條指令TIPS級:每秒1012條指令2021-11-2534 我國電子計算機的研究從1953年開始， 1958年研制出第一臺計算機。40多年來,相繼研制出第二代,第三代計算機。從1982 年開始,我國研制出每秒1億次的巨型機銀河,型,中型機,32位超級小型系列機。1995年5月,由中科院計算機研究所國家智能計算機研究中心研制的“曙光1000”大規模并行

16、處理機宣布誕生。我國計算機的發展概況我國計算機的發展概況：2021-11-2535我國首臺萬億次計算機誕生：n聯想深騰1800大規模計算機系統研制成功.n2002年8月29日 6位院士,7位專家鑒定會通過。n使用512個處理機求解153600階線性方程組,實測性能達到每秒1.027萬億次浮點運算。2021-11-2536n萬億次計算機機身總長14米,包含20個機柜,256個計算功能節點機,526個高性能至強處理器n萬億次計算機內存容量272GB系統總硬盤空間為6TBn實際運算速度排世界第24位n為國內第一個實測速度超過萬億次的計算機產品2021-11-2537計算機發展的總趨勢：計算機發展的總

17、趨勢： 計算機工業是當今世界發展最快的工業之一。90年代，微型計算機已邁入64位的新時代. 精減指令計算機（RISC） 復雜指令計算機（CISC） 隨機存儲器,光盤,Cache等信息存儲技術正已驚人的速度發展,網絡技術從傳統的高速網絡技術向異步傳輸模式（ATM）發展,多媒體計算機正在國際范圍內推廣使用,大規模并行處理系統（MPP）的處理速度已達到TFLOPS級,超立方體計算機,神經網絡計算機,光計算機等高性能的計算機正在加緊研究,試制之中。2021-11-2538計算機發展的總趨勢計算機發展的總趨勢n微型化微型化n巨型化巨型化n網絡化網絡化n智能化智能化2021-11-2539問題：問題：n馮

18、馮若依曼若依曼基本原理是什么？n計算機與計算器的區別？計算機與計算器的區別？n我國計算機計算機是什么時侯研發的？2021-11-25401、馮 諾依曼型計算機的主要設計思想是什么？它包括哪些主要組成部分？答：馮 諾依曼型計算機的主要設計思想是：存儲程序并按地址順序執行，它由存儲器、控制器、適配器和輸入輸出設備組成。2、計算機與計算器的區別？答：計算器充其量只能算是一個運算器，只能進行簡單的數值運算，它不能進行存儲、控制等活動。而計算機具有完完善的存取、控制和輸入輸出等功能，可以應用到科學計算、自動控制、測量和測試、信息處理、教育和衛生、家用電器、人工智能等方面參考答案參考答案:2021-11-

19、25413、我國計算機是什么時侯研發的？答：我國電子計算機的研究從1953年開始， 1958年研制出第一臺計算機。 40多年來,相繼研制出第二代,第三代計算機。 從1982 年開始,我國研制出每秒1億次的巨型機銀河,型,中型機,32位超級小型系列機。 1995年5月,由中科院計算機研究所國家智能計算機研究中心研制的“曙光1000”大規模并行處理機宣布誕生。2021-11-2542計算機的系統結構的發展趨勢n計算機網絡和分布式計算機系統能為信息處理提供廉價服務，計算機系統的進一步發展，“三網合一”，將進入以通信為中心的體系結構。n計算機從數值計算為過渡到知識推理為主，使計算機進入知識處理階段。n

20、隨著大規模集成電路的發展，不僅用多處理機技術來實現計算機的功能，從而會出現計算機的動態結構，所謂的模塊化的計算機系統結構。n多媒體技術將有重大突破和發展，在微處理機，計算機網絡和通信等方面引起一次重大變革。2021-11-2543 計算機能得到廣泛的應用與它的特殊性能分不開的。 （1）快速性快速性： 電子計算機采用高速電子器件。 采用了存儲程序的設計思想。將要解決的問題和解決的方法及步驟預先存入計算機。 計算機的特性計算機的特性2021-11-2544 （2）通用性通用性： 計算機處理的信息是：數值數據，和非數值數據。這些非數值數據都可以用數字化編碼表示。任何復雜信息都可以分解成基本操作，編制

21、相應的程序，通過執行程序完成任務。 （3）準確性準確性： 一是計算精度高，二是計算方法科學。精度取決于運算中數的位數，位數越多越精確。還與計算方法有關。 2021-11-2545 （4）邏輯性邏輯性： 邏輯判斷與邏輯運算是計算機的基本功能之一。 上述的四大特性是從計算機的外部角度來認識的，它們與計算機內部的固有特點相關，下圖給出了兩者之間的關系。2021-11-2546 外部特征 內部特征 計算機外部特征和內部特點的對應關系快速性準確性數字化信息通用性存儲程序邏輯性邏輯判斷高速電子器件2021-11-2547名詞解釋名詞解釋：n字長字長:組成一個字的二進制位數。 例如8,16,32,64.n數

22、據字數據字:表示某字代表要處理的數據。n指令字指令字:表示某字為一條指令。n數據流數據流:在執行器周期中從內存讀出的信息流。由內存流向運算器。n三網合一三網合一：電話網，電視網，計算機網。2021-11-2548 存儲器的單位存儲器的單位n210=1KBn220=1MBn230=1GBn240=1TB bit 位 : 最小單位：0、1 Byte 字節：八個二進制位。 Word 字：計算機一個字與機器字長有關。2021-11-2549 數字電子計算機的完整定義數字電子計算機的完整定義： 數字電子計算機是一種能自動地高速地對各種數字化信息進行運算處理的電子設備。 自動的含義是指程序執行時，不再需要

23、人的干預，程序能連續發出各種命令，控制計算機完成預定的操作任務。它區別于過去的計算工具，（計算器）也區別于模擬電子計算機。2021-11-25501.3 計算機的軟件計算機的軟件 1.3.1 軟件的組成和分類 系統程序：用來簡化程序設計，簡化使用方 法，提高計算機的使用效率，發 揮和擴大計算機的功能和用途。 應用程序：是用戶利用計算機來解決某些問 題而編制的程序。軟件2021-11-2551系統程序的分類 各種服務性程序（診斷程序， 排錯程序） 語言程序（匯編程序，編譯程 序，解釋程序） 操作系統 數據庫管理系統系統程序2021-11-2552 通常將系統軟件分為：六類通常將系統軟件分為：六類

24、 （1）操作系統操作系統： 是管理計算機各種資源，自動調度用戶作業程序，處理各種中斷的軟件。如批處理操作系統，分時操作系統及實時操作系統。 （2）語言處理程序語言處理程序： 一般分為解釋程序與編譯程序兩類。 （3）標準庫程序標準庫程序： 2021-11-2553 （4）服務性程序服務性程序： 提供各種運行所需的服務，是一種輔助計算機工作程序。 （5）數據庫管理系統數據庫管理系統： 用來管理系統中所有的文件，實現數據共享。 （6）計算機網絡軟件計算機網絡軟件： 是為計算機網絡配置的系統軟件。2021-11-2554 計算機系統的功能由硬件或由軟件實現，在邏輯功能上是等價的。 計算機系統的軟件與硬

25、件可以相互轉化，互為補充。 固件固件：程序固定在ROM中組成的部件。 固件的特點固件的特點： 具有軟件的靈活性、具有硬件的快速性。2021-11-25551.3.2 軟件的發展演變軟件的發展演變源程序翻譯成機器語言通常有兩種方法：通過編譯程序編譯程序翻譯成目標程序然后執行通過解釋程序解釋程序逐條翻譯，立即執行 手編程序（機器語言）匯編程序（匯編語言）源程序（算法語言）2021-11-25561.4 計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構n從功能上分為: 5個層次級別 (1)微程序設計級 (2)一般機器級 (3)操作系統級 (4)匯編語言級 (5)高級語言級2021-11-25575. 高級語

26、言級4. 匯編語言級2.一般機器級計算機系統層次結構計算機系統層次結構1. 微程序設級3. 操作系統級2021-11-2558說明: 一：1，2，3級是面向機器的，是為支持高層的需要而設置的，4，5級是面向程序員而設置的。其中4，5級采用的語言必須被翻譯成1，2，3數字化語言，才能被機器識別。 二：層次之間的關系十分密切，上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎。 三：層次的劃分不是絕對的，它是動態變的。 2021-11-2559多媒體技術簡介多媒體技術簡介:多媒體計算機硬件系統多媒體計算機硬件系統：主要包括媒體主機如個人機，工作站，超級微機等多媒體輸入設備多媒體輸入設備：攝像機，電視機，麥克風

27、，錄象機，錄音機，掃描儀，CD-ROM多媒體輸出設備多媒體輸出設備：打印機，繪圖儀，音響，電視機，喇叭，錄音機，錄象機,高分辨率的屏幕等多媒體存儲設備多媒體存儲設備：硬盤，光盤，聲像磁帶等多媒體功能卡多媒體功能卡：視頻卡，聲音卡，壓縮卡，家電控制卡，通訊卡等操作控制設備：操作控制設備：鼠標，鍵盤，觸摸屏，操作桿。2021-11-2560英文縮寫詞英文縮寫詞 ABUS address bus 地址總線AC access cycle存儲周期ACR accumulator累加器A/D analog to digital converter 模擬/數字轉換器ALU arithmetic logic u

28、nit 運算器，算術邏輯部件 2021-11-2561ASCII America sdandard code for informationg 美國信息交換標準碼ATMasynchronus transmission mode 異步傳輸模式BG bus grant 總線允許BIUbus interface unit總線接口單元BPIbits per inch位/英寸 CAIcomputer aided instruction 計算機輔助教學CPUCPUcentrol processing unit centrol processing unit 中央處理中央處理器器CRCcyclic redu

29、ndancy check 循環冗余校驗 2021-11-2562CRTcatheoderay tube陰極射線管CScontrol storage控制存儲器CSchip select片選CUcontrol unit控制部件D/Adigital to analog converter 數字/模擬轉換器DBRdata buffer register 數字緩沖寄存器DBUSdata bus數據總線DMAdirect memory access 直接存儲器存取EUexecutive unit執行部件 2021-11-2563GAL generic array logic 通用陣列邏輯GB giga bytes 千兆字節GIPS giga of instructions per seond 每秒千兆條指令GRgeneral register 通用寄存器IEEE