計算機原理

ComputerPrinciple

基本結(jié)構(gòu)BasicArchitecture

工作原理Principle

設(shè)計方法LayoutMethods

■

?1、計算機系統(tǒng)組成

?2、計算機的工作過程

?3、計算機的分類

?4、計算機的應(yīng)用與發(fā)展

?重要性

?計算機專業(yè)的專業(yè)課程；

?后續(xù)課程的知識基礎(chǔ)課程;

?繼續(xù)深造的必考課程；

學習的意義

口主題：

每位學生都應(yīng)該了解計算機的內(nèi)部機理。

□啟迪：

A如何使程序運行更快，應(yīng)用程序需要那種類型硬件

?技術(shù)、結(jié)構(gòu)如何設(shè)計、工作

第一章緒論

1、計算機及其發(fā)展史

?計算史

1.手工計算

?計數(shù)工具：繩結(jié)

?計算工具：算籌

??

?計算尺

2011年8月217

2011年8月219

1、計算機及其發(fā)展史

?計算史

2.機械計算

?Pascal的AddingMachine（加法器）

?DifferenceEngine（差動器）

?Differentialanalyzer（差分儀）

2011年8月2110

第一章緒論

addingmachine（力口法器）1642

第一章緒論

m二mr-tr

.

，，，，

，，，

，；

，，：

，f■.r,KaKW2t_

二二

二二

二三-|m

二

三二

三三

二二n

3C??B"J?-F-

-.?39n!.-sissssf.cs^

■ra>?Et.v2^

二

=1-X氨

第一章緒論

Differentialanalyzer（差分儀）1925

1、計算機及其發(fā)展史

?計算史

3.電子計算

?二進制與布爾代數(shù)

?“圖靈機”

?V.Atanasoff的ABC

?德國的G-Z1

?1946年ENIAC（埃尼阿克）

?英國的EDSAC

1、計算機及其發(fā)展史

圖靈的貢獻非常重要，計算機

領(lǐng)域世界最重要的獎項就被用

命名為“圖靈獎”。

?英國數(shù)學家艾蘭?圖靈40年代提出一種自動計算機器模

型，“圖靈機”。并提出圖靈原理：一切可能的機械

式計算過程都能由圖靈機實現(xiàn)。還指出，存在“通用

”圖靈機，它可實現(xiàn)所有圖靈機的功能。

?不必造加法機、乘法機、最大公約數(shù)機，只要造出

“通用圖靈機”功能等價的機器，就能解決所有計算

問題。

2011年8月21

第一章緒論

WorldWarandComputer

?USAABC

2011年8月2117

第一章緒論

1stComputer

?USAENIAC194630噸5000次計算/秒

9

第一章緒論

JohnvonNeumann

?USAENIAC

5000次加法/秒

體重28噸

占地170m2

18800只電子管

1500個繼電器

功率150KW

2011年8月2120

第一章緒論

EDSAC(CambridgeUniversity)

第一臺帶有

存儲結(jié)構(gòu)思

想的電子計

算機

2011年8月2122

1、計算機及其發(fā)展史

「計算史

4.計算機時代

?劃分標準—電子器件

2011年8月2123

1、計算機及其發(fā)展史

計算機發(fā)展的幾個階段

第一代第二代

（1946T956）（1957-1964）

電子管晶體管

5千~4萬（次/秒）幾十萬~百萬（次/秒）

1964年911機1966年112機

第四代第三代

（1971~90年代）（1965-1970）

大、超大集成電路中小集成電路

幾百萬~幾億（次/秒百萬~幾百萬（次/；

2011年8月21

1、計算機及其發(fā)展史

?計算史

4.計算機時代

?劃分標準—電子器件

電子二器件存儲兀件指令系統(tǒng)機器語言

第1代電子管磁鼓等定點匯編

第2代晶體管磁芯浮點Fortran等

第3代半導(dǎo)體存儲器微程序技術(shù)多道并行OS

第4代LSI、VLSI半導(dǎo)體存儲器并行、分布處理高級OS

2011年8月21

1、計算機及其發(fā)展史

計算機第一定律-----摩爾定律

晶

單

體

位

500

管

(mlpn)時

數(shù)

間

百

萬

執(zhí)

1.0條

行/

每

秒

0.1的

指

0.01

令

數(shù)

每18個月芯片能力增長一倍。

2011年8月2126

1、計算機及其發(fā)展史

「計算史

4.計算機時代

?劃分標準—規(guī)模

*巨型機

*大型機

*小型機

*工作站

*微型計算機

2011年8月2127

Hguicl-o

Thedoset-sized

systemunitfor

theIBMSX390

G4mainframe

computer

containsthe

processingunit,

memory,and

circuitryto

supportmultiple

terminals.

Herocomputers

Atypicalminicomputer

handlesprocesshgtaskslor

multipleusers

AstandarddesktopnicroconvuterMsonades＞：AinlCTOComputefatowercasecontainsthe

andrunsonpoverfromanelectrical刖outlet.samebasiccomponentsasastandarddesktop

Thedisplayscreenisusuallyplacedontopofthemicrocomputer,butthevertically-OTientedcaseis

horizontaldesktopcaselargeandallowsmoreroomfor

towerunitcanbeplacedonthe

deskspace.

Terminalsactaseachuser'smaininputandoutputdevice.

Theterminalhasake\tooardforinputandadisplayscreen

foroutput,butitdoesnotprocesstheuser'sdata.Instead,

process*ngrequestsmustbetransmittedfromtheterminal

totheminicomputer

Theminicomputerstoresdataforallthe

usersinonecentralizedlocation

2011年8月2128

1、計算機及其發(fā)展史

「計算史

4.計算機時代

?劃分標準—規(guī)模

?界限不明顯

?性能有交叉

?技術(shù)共享

?應(yīng)用領(lǐng)域不同

?基礎(chǔ)相同

2011年8月2129

1、計算機及其發(fā)展史

「計算史

5.計算機技術(shù)發(fā)展的推動力

?并行處理技術(shù)

?通常首先應(yīng)用于巨型機

?流水線技術(shù)

?緩存技術(shù)(Cache,Buffer)

?分支預(yù)判技術(shù)

?超流水技術(shù)、超標量技術(shù)、超長

指令字技術(shù)

2011年8月2130

1、計算機及其發(fā)展史

「計算史

5.計算機技術(shù)發(fā)展的推動力

?目標

?更大、更快、更強

?戰(zhàn)略

?Wintel(Windows+Intel)

?Workstation(UNIX+RISC)

2011年8月2131

2、計算機系統(tǒng)組成

?計算機的功能

?數(shù)據(jù)傳送功能數(shù)據(jù)源

?數(shù)據(jù)存儲功能數(shù)據(jù)

傳輸

?數(shù)據(jù)處理功能

?操作控制功能

數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)

?操作判斷功能存儲裝置處理

2、計算機系統(tǒng)組成

2011年8月2133

2、計算機系統(tǒng)組成

存儲程序原理

程序和數(shù)據(jù)都以二進制形式存儲在機

器中，計算機自動從機器中逐條取出指

令執(zhí)行。----vonNeumann體系結(jié)構(gòu)

2011年8月2134

?計算機硬件系統(tǒng)組成:

數(shù)據(jù)流

A現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)化為以存儲器為中心

運算器工作原理

2011年8月2137

2、計算機系統(tǒng)組成

?存儲器M（數(shù)據(jù)與指令）

?原理：二進制數(shù)據(jù)表示

?存儲單元的順序編號——地址

?存儲器的金字塔結(jié)構(gòu)

?兩級Cache機構(gòu)

存儲器的構(gòu)成

2011年8月2138

第一章緒論

金字塔結(jié)構(gòu)

Faster

Larger

2011年8月2139

第一章緒論

Cache

2011年8月2140

第一章緒論

StorageOrganization

—CPU

CPU

Pll圖1.4

2011年8月2141

?控制器cu

?根據(jù)預(yù)定的步驟，控制與協(xié)調(diào)各部

件的自動工作。管理機構(gòu)和指揮中

心。

2011年8月2142

?控制器cu

?功能實質(zhì)一.解釋程序：獲取指令、譯

碼、產(chǎn)生控制信號

?執(zhí)行程序

?組成：指令控制、地址形成、定時、微

操作控制

2011年8月2143

2、計算機系統(tǒng)組成

?控制器CU

?指令控制部件：

?PC：指令地址寄存器和計數(shù)器

?IR：當前正在執(zhí)行的指令

?ID：將指令轉(zhuǎn)換微操作控制信號

2011年8月2145

2、計算機系統(tǒng)組成

?控制器CU

?地址形成部件：

?AR：需要訪問的存儲器單元地址

?XR：變址尋址

?地址計算部件

?提供多樣靈活的尋址方式

2、計算機系統(tǒng)組成

?控制器CU

?定時部件:

?CP：主頻

?TSG：時序信號產(chǎn)生器

?節(jié)拍和主頻周期

2011年8月2147

?控制器cu

?微操作(Micro—operation)部件

?組合邏輯

?微程序

?微程序通常固化在ROM中

2011年8月2149

CPU

是中央處理器的英文縮寫，是運算器與控制器

兩者的統(tǒng)稱。

內(nèi)存、外存

內(nèi)存儲器外存儲蕭

存取速度快，基本上能與外存響應(yīng)速度相對較慢.(H

CPU速度相匹配。容洪可以做的很大，價格比

RAM和ROM較便宦.可常期保存大量程

ROM的最大特點是不會因序或數(shù)據(jù)。

斷電丟失信息，作BIOS

內(nèi)存

50

2011年821

2、計算機系統(tǒng)組成

?外設(shè)Device（輸入與輸出）

?主機：CPU、存儲器

?輸入設(shè)備

?輸出設(shè)備

,輸入輸出設(shè)備

?I/O的特點

?I/O設(shè)備的發(fā)展

2011年8月2151

?夕卜設(shè)Device=

?輸入設(shè)備

?鍵盤、鼠標、數(shù)字化儀、掃描儀、

攝像機

?輸出設(shè)備

?顯示器、打印機、繪圖機

?外存儲器

?互連結(jié)構(gòu)

2011年8月2152

?計算機軟件系統(tǒng)

?用戶與硬件間的接口

?控制硬件工作的指令、程序及符號語言

?程序和文檔

-軟件的作用

2011年8月2153

操作系統(tǒng)（核心）DOS、Windows系列、UNIX、LINUX等

語言處理程序VisualBasic、VisualC++等

系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)FoxBASE>FoxPro、Access等

網(wǎng)絡(luò)通信管理程序Windows2000>WindowsNT、UNIX等

常用的服務(wù)程序軟件調(diào)試程序、錯誤測試、診斷程序等

辦公自動化軟件Word、Excel、WPS等

應(yīng)用軟件防殺病毒KILL、KV3000、Rising

常用工具軟件WinZIP、WinRAR.NetAnts等

2011年8月2154

-軟件的設(shè)計

?軟件工程；

-軟件和硬件在功能上的等價性；

?系統(tǒng)設(shè)計時如何確定軟硬件的功能;

?固件Firmware

2011年8月2155

?計算機的層次結(jié)構(gòu)

2011年8月2156

temp=v[k];

v[k]=v[k+1];

v[k+1]=temp;

0($2)

4($2)

0($2)

4($2)

110001101010111101011000

010110000000100111000110

101011110101100000001001

000010011100011010101111

2011年8月2157

?計算機的層次結(jié)構(gòu)

?基礎(chǔ)和擴展的關(guān)系

-層次的劃分不是絕對的

3、分類

?計算機的工作特點

?運算速度快—主頻

?運算精度高—數(shù)據(jù)表示

?記憶功能強—存儲器

?通用性廣——處理對象

?自動運算——程序

2011年8月2160

3、分類

廠計算機的分類

?表示的信息和處理方式

?計算機的用途

?計算機的規(guī)模

?使用方式

,單機

?工作站

2011年8月21

4、計算機的應(yīng)用與發(fā)展

?應(yīng)用類型

?科學計算

I高速、大容量

-數(shù)據(jù)處理

?自動（實時）控制一自動執(zhí)行

?CAD

?智能模版科學研究助手

4、計算機的應(yīng)用與發(fā)展

?應(yīng)用領(lǐng)域

?中文信息處理

?計算機圖形學、圖形圖像處理

?多媒體技術(shù)

?計算機輔助技術(shù)

?計算機控制

?計算機信息處理

?計算機仿真

2011年8月2163

4、計算機的應(yīng)用與發(fā)展

?發(fā)展

?性能超級化

?超高性能微處理器

?并行處理技術(shù)的應(yīng)用

?體積微型化

?應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化

?處理智能化一新概念計算機的

2011年8月21

5、