计算机组成原理 沈阳工业大学软件学院 姜岩

学习目的 了解计算机的组成 五大组成部件 掌握计算机的运行原理 计算机为什么能执行高级语言程序 掌握现代计算机中的一些核心技术 流水、Cache、并行 培养设计计算机的技能 提高编程能力 成为计算机专家、计算机科学家

主要教学内容 运算器的功能、组成和基本运行原理 控制器的功能、组成和运行原理 存储器及层次存储器系统 输入/输出设备和总线 输入输出系统 流水线技术 并行计算机系统

第一章计算机系统概述结构

1.1 计算机的发展

计算机的发展历史 第一代电子管计算机（1946～1957） 电子管：在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，以获得信号放大或振荡的电子器件。

第一代计算机 第一台电子计算机——ENIAC 第一台电子计算机（通用可编程序） 18000电子管 30吨 150平方米 150kw 1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer ) 第一台电子计算机（通用可编程序） 18000电子管 30吨 150平方米 150kw 5000次十进制加法/秒

ENIAC

ENIAC

ENIAC

第一代计算机 ENIAC的特点：十进制表示 程序用插线开关实现 为了改进程序的输入方式： 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一个计算机模型EDVAC Electronic Discrete Variable Automatic Computer EDVAC直到1952年才调试成功

第一代计算机 1953年，IBM公司推出了首台存储程序的计算机701，1955年又推出了702机，使之更适用于科学计算和商业应用，后来形成了700/7000系列，奠定了IBM成为计算机制造商的绝对权威地位。

人工智能之父 Alan Turing （1912～1954） 现代计算机之父 Von Neumann （1903～1957） Von Neumann 结构的计算机

第一代计算机 第一台Von Neumann 系统结构的计算机 中国于1958年研制成第一台电子计算机

第二代计算机 第二代晶体管计算机（1958～1964） 1947年在Bell实验室成功地用半导体硅作基片，制成了第一个晶体管，它的小体积、低耗电以及载流子高速运行的特点，使真空管望尘莫及。 代表性的计算机是IBM公司的IBM-7094机和CDC公司的CDC1604机。

IBM-7094机

第三代计算机 第三代集成电路计算机（1965～1971） 典型的代表为IBM的IBM-360和DEC的PDP-8 IBM System-360

IBM System-360

第四代计算机 第四代大规模集成电路计算机（1972－） 以大规模集成电路LSI（Large-Scale Integration）构成计算机的主要功能部件 主存储器采用集成度很高的半导体存储器 运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算 软件方面，出现了数据库系统、分布式操作系统等 计算机已成为一门独立的学科而迅猛发展着，并且正在影响改变着人类的生活方式。

硬件技术对计算机更新换代的影响

计算机的发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化

巨型化 超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”。 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。 1993年，德国曼海姆大学汉斯、埃里克等人发起创建了全球超级计算机TOP500排名榜。 TOP500已发展成为全世界最具权威的超级计算机排名榜，是衡量各国超级计算水平的最重要的参考依据。

性能前5的排名 第一名：天河二号。2013年11月发布的超算名单上，中国国防科技大学研制的天河二号超级计算机，以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度夺得头筹。 第二名：泰坦（Titan）。位于美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室中的Titan从冠军宝座退至第二。 第三名：红杉（Sequoia）。搭载IBM的BlueGene/ Q系统的Sequoia安装在美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，排名第三，下降了一个名次。 第四名：K超级计算机。富士通K计算机安装为日本神户化学研究所高级计算科学研究院（AICS），排名第四，基准测试速度为10.51 Pflop / 每秒，使用了705024颗SPARC64处理核心，运算速度为10.51千万亿次/秒。 第五名：米拉（Mira）。美国能源部阿尔贡国家实验室的Mira采用了第二代BlueGene/Q架构。每秒8.59千万亿次的运行速度，塞入的核心数量比排名第七的Juqueen要多得多：准确地说是786432个，因而性能几乎翻番。

微型化 计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。 1975年，ATARI-8800微电脑问世 1979年，夏普公司宣布制成第一台手提式微电脑 1982年，微电脑开始普及，大量进入学校和家庭

1975年4月，美国MITS公司推出了世界上第一台微型计算机Altair8800（牛郎星）型电脑， 采用Intel发布的8080 8位CPU

Apple -I型电脑 Apple - III型电脑

TOSHIBA在1985年推出T1100型笔记型计算机。 它采用Intel 8086处理器，主频不到1MHz，512K内存并带有9英寸的单色显示屏，没有硬盘。

2004年，NEC用五根笔造就PC电脑。 五根笔分别为虚拟屏幕投影机、虚拟键盘投影机、微处理器、网络摄影机和通讯装置，笔座为充电器。

微型化

Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出 微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番

网络化 计算机网络： 计算机技术与通信技术结合 的产物。 计算机网络的发展动力： 使用远程资源，共享程序、 数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。 一种奇特的工具： 网络是基于全人类智慧的崭新 的生产工具，越用越有价值。

智能化 “总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 ‘没有灵魂的机械’来”。 ——笛卡尔（1637） “总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 ‘没有灵魂的机械’来”。 ——笛卡尔（1637） 人类第一个“工业机器人”： 一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人 机械手（1962年出现） 第二代机器人 具有“感觉”的机器人 第三代机器人 装有启发式计算机的“智能机器人” Deepblue Garry Kasparov

计算机的应用 科学计算 过程控制 辅助设计/分析/制造/教学 数据处理 智能模拟 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI 数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化 智能模拟 人工智能、专家系统、自学习

1.2 计算机系统的基本组成 计算机系统的基本组成 1.2.1 计算机系统的分类 1.2.2

硬件组成 存储器、运算器、控制器、输出设备和输入设备。 计算机系统 软件组成 系统软件和应用软件。

1.2.1 计算机系统的基本组成 ㈠ 计算机的硬件组成 完成算术运算和逻辑运算。运算的中间结果可暂存在运算器内。 存储器 控制器 输入/输出设备 完成算术运算和逻辑运算。运算的中间结果可暂存在运算器内。 存放数据和程序，由存储单元组成。分为内存、外存和缓存。 控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。 转换人们熟悉的信息形式和机器能识别的信息形式。

1.2.1 计算机系统的基本组成 ㈡ 几种典型的计算机组成结构 ⑴ 典型的冯.诺依曼计算机结构 典型的冯.诺依曼计算机结构框图 运算器 (ALU) 控制器 存储器 输入设备 输出设备

1.2.1 计算机系统的基本组成 它的特点可归结为： 由运算器、存储器、控制器和输入/输出设备五大部件组成。 指令和数据均用二进制码表示且以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。 指令在存储器内按顺序存放，通常顺序执行，在特定条件下可改变执行顺序。

1.2.1 计算机系统的基本组成 ⑵ 以存储器为中心的计算机组成结构 以存储器为中心的计算机结构框图 计算结果 计算步骤和开始数据 控制器 输入设备 输出设备 存储器 以存储器为中心的计算机结构框图 运算器

1.2.1 计算机系统的基本组成 ⑶ 现代计算机的组成结构 CPU：运算器和控制器，核心部件为ALU和CU 主存储器M.M CPU与M.M合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。 I/O设备

1.2.1 计算机系统的基本组成 ㈢ 计算机系统的软件组成 1 2 系统软件 系统程序，管理系统、监视服务、合理调度系统资源。包括标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库管理系统、网络软件等。 2 应用软件 应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序，是用户在各自的行业中开发和使用的各种程序。

1.2.2 计算机系统的分类 计算机分类 ⑴ 按应用特点分类 专用 计算机 通用 计算机 针对某一特定应用领域或面向某种算法而研制的计算机。对指定的领域有较高的性价比；其它领域则低效。 通用 计算机 针对多种应用领域或面向多种算法而研制的计算机。有较复杂的软件及系统结构和较强的系统功能。

通用性最强、功能较高。有丰富的外设与通信接口和较强的I/O处理能力以及丰富的系统软件和应用程序包。 1.2.2 计算机系统的分类 ⑵ 按性能特点分类 性能、功能最强，数值计算能力和数据处理能力巨大。 巨型机 微型机 大型机 中型机 小型机 通用性最强、功能较高。有丰富的外设与通信接口和较强的I/O处理能力以及丰富的系统软件和应用程序包。 有一定的外设与通信接口和较强操作系统；配有高级语言和汇编语言。 性能价格比最好，价格最便宜，应用面最广。

1.3 计算机系统的层次结构 汇编 语言 程序 运行 第4级 汇编语言 计算机 程序员 高级 语言 运行 程序 第5级 高级语言 计算机 第一章 1.3 计算机系统的层次结构 汇编 语言 程序 运行 第4级 汇编语言 计算机 控制信息 状态信息 程序员 高级 语言 解释程序 编译程序 运行 程序 第5级 高级语言 计算机 控制信息 状态信息 程序员 键盘命令 系统原语 操作 系统 资源 第3级 操作系统 控制信息 状态信息 操作员 机器指令 系统 中央 处理机 机器 程序 第2级 机器语言 计算机 控制信息 状态信息 程序员 机器指令 时序 微程序 控制 寄存器 传送门 第1级 控制信息 状态信息 逻辑设计员 硬操作时序 硬联 逻辑 逻辑线路 内核 第0级 硬联逻辑 控制信息 状态信息 硬件维护员 设计员 应用 语言 程序 信息处理 系统 第6级 应用程序 控制信息 状态信息 用户

1.3 计算机系统的层次结构 计算机系统的层次结构： 特性： ⑴ 软件与硬件在逻辑上的等价性 ⑵ 透明性

计算机系统的层次结构 从语言功能层次划分 应用语言 物理计算机（硬件） 虚拟计算机（软件） 高级语言 汇编语言 系统原语 机器指令系统 机器指令时序 硬操作时序 第1级 第0级 第2级 第3级 第4级 第5级 第6级 从语言功能层次划分

计算机系统的层次结构 第0级由硬件实现。 第1级由微程序实现。 第2级是传统指令系统（机器语言）机器。 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器。 从学科领域来划分：第0级、第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。 它们之间仍有交叉：第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。

1.4 计算机硬件的主要技术指标 硬件的技术指标： 机器字长 存储容量 运算速度 其它因素 ( 1 ) 机器字长 CPU一次处理数据的位数 。与CPU寄存器位数有关，也会影响机器的运算速度。 ( 2 ) 存储容量 包括主存和辅存。前者指主存中存放二进制代码的总数，后者指系统中的外存储器容量。 ( 3 ) 运算速度 对速度的描述通常采用CPU时钟频率、每秒平均执行指令数、单独注明特定运算的时间等方式。 ( 4 ) 其它因素 所配置的外围设备的性能及系统软件的配置等情况等。 结束