1 计算机组成原理 蒋文斌 服务计算技术与系统教育部重点实验室， 集群与网格计算湖北省重点实验室 计算机科学与技术学院 主页： 电话： 87557047-8010.

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2 1 计算机组成原理 蒋文斌 服务计算技术与系统教育部重点实验室， 集群与网格计算湖北省重点实验室 计算机科学与技术学院 Email: wenbinjiang@hust.edu.cn 主页： http://grid.hust.edu.cn/wbjiang 电话： 87557047-8010

3 2 教材及参考资料： 1 、高建生等。计算机组成原理。华中科技大学出版社， 2004 2 、白中英。计算机组成原理 ( 第 3 版 ) 。科学出版社， 2000 3 、莫正坤，邵平凡。计算机组成原理。高等教育、中山大 学出版社， 2005 4 、郑纬民等译。计算机组成和设计：硬件 / 软件接口 ( 第 2 版 ) 。 清华大学出版社， 2003 5 、张昆藏 译。计算机组织与结构：性能设计。电子工业出 版社, 2001 6 、冯博琴。微型计算机硬件技术基础。高等教育出版社， 2003

4 3 课程要求及说明 1 、遵守课堂纪律 2 、考试重点（知识点）在课堂和作业中 体现 3 、闭卷考试

5 4 作用： 1 、更好地理解和用好作为工具的计算机。 （快速、正确理解所使用的系统） 2 、在本职工作中提供新的计算机系统解决方案。 ( 合作软硬结合系统的开发 ) 为什么要学这门课 课程内容：计算机硬件技术的基础知识、基本思想 和基本方法. （部件及之间的关系、工作原理与逻辑实现）

6 5 第 1 章 计算机系统概论 3 、 计算机硬件系统 4 、 计算机软件系统 5 、 计算机系统层次结构 1 、 计算机发展简史 2 、 计算机分类

7 6 1. 计算机的发展简史 类型时期主要器件重 要 特 征 第一代 1946- 1958 电子管机器语言，汇编语言，速度低，体 积大，价格昂贵，可靠性差，用于 科学计算 第二代 1958- 1964 晶体管算法语言，操作系统，体积缩小， 可靠性提高，从科学计算扩大到数 据处理 第三代 1964- 1971 中、小规模 集成电路 机种多样化， “ 小型计算 机 ” 出现， 体积小，可靠性大大提高，速度达 几 MIPS ，机种多样化， “ 小型计算 机 ” 出现，软件技术和外设发展迅速 应用领域不断扩大 第四代 1971- 中、大及超 大规模集成 电路 速度提高至 GIPS 乃至 TIPS 水平，多 机并行处理和计算机网络迅速发展。 “ 微型计算机 ” 出现

8 7 各时代代表机型 时代机型产地 一 ENIAC 1946 十进制 EDSAC 1949 二进制和 “ 存储程序 ” 103 （ M-3 ） 1957~59 美. 宾州大学 英. 剑桥大学 中科院计算所 二 IBM 7090 1958 DJS-21,108,X-2,441B IBM 中国 三 IBM360/370 系列 CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1 NOVA,PDP-11 DJS-130/200 IBM CDC 美 中国 四 微型机 APPLE, IBM-PC VAX 系列 长城 0520, ……………. APPLE ， IBM DEC 长城计算机

9 8 世界上第一台电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer) ，由美国宾夕 法尼亚大学于 1946 年研制成功并投入使用。

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12 11 第四代计算机中 微处理器的发展： Intel 4004 1971 年 1 月， Intel 公司的霍夫研制成功世界上第 一块 4 位芯片 Intel 4004 ，标志着第一代微处理器 问世，微处理器和微机时代从此开始。 1971 年 11 月， Intel 推出 MCS-4 微型计算机系统 （包括 4001 ROM 芯片、 4002 RAM 芯片、 4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器）

13 12 4004 4004 包含 2300 个晶体管，尺寸规格为 3mm×4mm ，计算 性能远远超过当年的 ENIAC ，最初售价为 200 美元。

14 13 8008 1972 年 4 月，霍夫等人开发出 第一个 8 位微处理器 Intel 8008 。 由于 8008 采用的是 P 沟道 MOS 微处理器，因此仍属第 一代微处理器。

15 14 8080 第二代微处理器 1973 年 8 月，霍夫等人研制出 8 位微处理器 Intel 8080 ，以 N 沟道 MOS 电路取代了 P 沟道，第二代微 处理器就此诞生。 主频 2MHz 的 8080 芯片运算速度比 8008 快 10 倍， 可存取 64KB 存储器，使用了基于 6 微米技术的 6000 个晶体管，处理速度为 0.64MIPS 。

16 15 Intel 8086 第三代微处理器 1978 年 6 月， Intel 推出 4.77MHz 的 8086 微处理器， 标志着第三代微处理器问世。它采用 16 位寄存器、 16 位数据总线和 29000 个 3 微米技术的晶体管，售 价 360 美元。

17 16 Z80 微处理器 Zilog 公司于 1976 年开发的 Z80 微处理器，广泛用 于微型计算机和工业自动控制设备。当时， zilog 、 Motorola 和 Intel 在微处理器领域三足鼎立。

18 17 第一台微型计算机： Altair 8800 1975 年 4 月， MITS 发布第一个通用型 Altair 8800 ， 售价 375 美元，带有 1KB 存储器。这是世界上第一台 微型计算机。 Altair 定位在青年电脑迷市场 Paul Allen 和 Bill Gates 在三周内为 Altair 开发出 BASIC 语言， MITS 成为两个未来富翁的第一个客户

19 18 Apple 1976 年 3 月， Steve Wozniak 和 Steve Jobs 开发出微 型计算机 Apple I ， 4 月 1 日愚人节这天，两个 Steve 成 立了 Apple 计算机公司。 Apple II 是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价 为 1300 美元。 Apple II 及其系列改进机型风靡一时， 这使 Apple 成为微型机时代最成功的计算机公司。

20 19 1981-PC 元年 早在 1980 年 7 月，一个负责 “ 跳棋计划 ” 的 13 人小组秘密来 到佛罗里达州波克罗顿镇的 IBM 研究发展中心，开始开发 后来被称为 IBM PC 的产品。一年后的 8 月 12 日， IBM 公司 在纽约宣布第一台 IBM PC 诞生，这个开创计算机历史新 篇章的时刻。 第一台 IBM PC 采用了主频为 4.77MHz 的 Intel 8088 操作系统是 Microsoft 提供的 MS-DOS IBM 将其命名为 “ 个人电脑（ Personal Computer ）

21 20 计算机的发展日新月异 从计算机的规模，运算速度上看， 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机 从 CPU 的发展来看 4004 － >8008->8086->8088->80186- >80286->80386->80486-586- >pentium->PII->PIII->P4

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23 22 我国计算机技术的发展 1953 年开始研究， 1958 年研究出第一台计算机， 103 型 通用计算机 50 年来相继研究出了第二代，第三代计算机。 80 年代研究出了每秒１亿次的巨型机，银河 I,II, 其他如曙 光天演 ( 清华 BBS, 学校高性能计算中心 ) 。 1985 年 6 月，中 国第一台自行研制的微机长城 0520 研制成功，其广告词 是： “ 一台我们自己制造的能够处理中文的电脑 ” 。 在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算 机的核心部件 CPU 技术还远远落后。 中科院研究开发的龙芯／ GODSON

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25 24 计算机发展的理论基础和规律 1 、逻辑代数 2 、图灵机： 英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来 的。现代通用数字计算机的数学模型 3 、冯. 诺依曼计算机原理： 二进制 存储程序并按地址顺序执行 ( 程序控 制） 4 、 Moore 定律： 微处理器内晶体管数每 18 个月翻一番 5 、 Bell 定律： 如果保持计算能力不变，微处理器的价格每 18 个月减少一半 6 、 Gilder 定律： 未来 25 年（ 1996 年预言）里，主干网的带宽将每 6 个月增加 一倍 7 、 Metcalfe 定律： 网络价值同网络用户数的平方成正比 8 、半导体存储器发展规律： DRAM 密度每年增加 60% ，每三年翻四倍 9 、硬盘存储技术发展规律： 硬盘的密度每年增加约一倍

26 25 计算机发展的趋势 总趋势：速度越来越快，体积越来越小， 成本越来越低，功耗越来越低 成本越来越低，功耗越来越低 1 、微型计算机已迈入 64 位的新时代 2 、精减指令计算机（ RISC ）正在逐步取代复杂指令计算机 （ CISC ） 3 、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用 4 、大规模并行处理系统（ MPP ）的处理速度已达到 TFLOPS （每秒 10 12 条浮点指令, 万亿）级 5 、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在 加紧研究、试制之中。 随着电子器件速度极限的逼近．人们又开始了全新 时代计算机的研究 》》

27 26 二十一世纪的计算机 光计算机： 光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光 学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计 算成为可能。 生物计算机： 生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算 不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解 问题。生物计算的主要形式是学习和记忆 。生物系统在解决复杂图形和 多重模式判定方面有独特的优势。 量子计算机： 量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大 的革命潜力 。 信息存储器 目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约 7 平方纳米大小的 位元上，每一平方纳米就能存储 250GB 的信息。

28 27 计算机 电子模拟计算机 电子数字计算机 通用计算机 专用计算机 巨型机巨型机 大型机大型机 中型机中型机 小型机小型机 微型机微型机 单片机单片机 2 、计算机的分类

29 28 3 、计算机硬件系统 计算机硬件：一切构成计算机的物理实体 硬件系统构成思想：计算机的基础理论（冯诺依曼思想： 存储程序，程序控制等，大部分已经有 50 年）未变 因此，计算机的关键部件没有大的改变 即：计算机五大功能部件

30 29 计算机硬件系统的组成 运算器（完成算术运算，逻辑运算） 主存储器（存放程序以及数据） 控制器（控制指令的执行序列，根据指令的功能 给出实现指令功能所需要的控制信号） 输入设备，能将人能够识别的信息形式转换为机 器能够识别的形式 输出设备

31 30 计算机硬件组成框图 主机 外围设备 CPU 运算器控制器存储器接口 —— 输入设备 接口 —— 输出设备 系统总线

32 31 CPU 的组成 示意图 1. 控制器 从内存取出一条 指令, 并指出下条指 令的地址 ; 对指令进行译码, 产生相应的控制信号 ; 指挥并控制 CPU, 内存和 I/O 设备之间 的数据传送. 2. 运算器 加工信息. 包括 : 算术运算， 逻辑运算 注意： 寄存器、总线的位 宽 / 字长

33 32 对计算机硬件的理解 硬件：对数字操作的机器系统 数字硬件： 对数字进行处理、传输、和存储的硬件 转换硬件： 将各种形式的信息转换为数字信息，或者将数 字信息转换为各种形式的硬件（图像、声音、文 字输入输出设备，目前重要的设备是显示器）

34 33 数字技术的三分天下 处理： CPU, DSP, ASIC 传输： 总线 (CPU 内部、系统总线, I/O 总线 ), 网络（ LAN ， WAN ， INTERNET, 无线网） 存储： RAM ， ROM ， FLASH ，硬盘，光盘， 存储系统（ RAID ， SAN ， NAS ）

35 34 4 、计算机软件系统 软件系统，计算机硬件是载体， 软件是灵魂。 系统软件 、 应用软件 一切程序的集合 固件：具有软件功能，具有硬件形态的 部件

36 35 对软件的理解 可运行的思想和内容的数字化 思想：算法、规律、办法 --- 程序表达 内容：图形、图像、数据、声音、文字等 归结为程序和数据（统称二进制表示的信息） 软件的核心 : 算法 ( 一个好的算法可以代替大量的硬件 : FFT, MPEG)

37 36 硬件是相似的， 软件则各有各的不同 各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏（只有 三个部分：处理、传输、存储） 今后的各种信息工具和设备外部虽然千变万化， 内部都是一样的（统一性） 软件是思想和内容的数字化，各个领域都有自己 的软件，所以是各不相同的 真正的价值体现在软件 硬件与软件可以互相转化，软件固化成为固件

38 37 计算机软件系统分类 软件系统 应用软件系统软件 数据处理程序数据处理程序 情报检索程序情报检索程序 科学计算程序科学计算程序 自动控制程序自动控制程序 工业设计程序工业设计程序 语言处理程序语言处理程序 标 准 子 程 序 SIN 服务性程序服务性程序 ＤＢ系统ＤＢ系统 操作系统操作系统

39 38 5 、计算机系统的层次结构 5. 应用程序级 4. 语言处理程序及 其他系统软件级 3. 操作系统级 2. 机器指令系统 级 1. 微程序级 传统机器级

40 39 计算机系统 硬件系统软件系统 外设外设 主机主机 应用软件应用软件 系统软件系统软件 固件 存储器存储器 CPUCPU 控制器控制器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 运算器运算器 综合起来

41 40 本章重点内容 1. 计算机发展的四个阶段的特点 2. 计算机硬件组成框图 3. 冯. 诺依曼计算机的主要特征 4. 计算机软件系统的分类 5. 计算机固件的概念

42 41 QUESTION ？