计算机组成与系统结构 陈泽宇 副教授.

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1 计算机组成与系统结构 陈泽宇 副教授

2 第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统

3 1.1 计算机的分类、发展与应用 1.1.1 计算机的分类 计算机的发展概况 计算机的应用

4 电子数字计算机（通常简称为计算机） 是按照一系列指令来对数据进行处理的机器 计算机拥有众多的物理形态 个人计算机（Personal Computer，PC） 便携计算机（Portable Computer） 又称膝上型计算机（Laptop Computer） 嵌入式计算机（Embedded Computer） 使用最为广泛的计算机形态

5 根据Church–Turing理论， 任何一台具有最基本功能的计算机，原则上都能够执行任何其他计算机可以执行的任务 只要不考虑时间和存储容量，性能和复杂度均相差甚远的各种计算机，都能够执行相同的运算任务

6 美国SGI公司为NASA制造 的Columbia超级计算机
GNUX（GNU+Linux）操作系统下 运行视频会议软件的手表计算机

7 1.1.1 计算机的分类 1．计算机分类 2．通用计算机分类

8 1．计算机分类 根据效率、速度、价格、运行的经济性、适应性划分 通用计算机 功能齐全，通用性强，适应面广，可完成各种工作 但是牺牲了效率、速度、经济性 专用计算机 专为某些特定问题而设计，功能单一，结构简单 可靠性高、速度快、成本低，最有效、最经济、最快速 但是其适应性很差

9 2．通用计算机分类 通用计算机分为6类，区别在于体积、复杂度、功耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模、价格 超级计算机（Supercomputer） 大型机（Mainframe） 服务器（Server） 工作站（Workstation） 微型机（Microcomputer） 单片机（Single-Chip Computer）

10 超级计算机 用于科学计算 运算速度快，数据存储容量大，结构复杂，价格昂贵 单片机 单片集成电路（Integrated Circuit，IC）做成 体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜 大型机、服务器、工作站、微型机 结构规模和性能指标依次递减；今天的工作站可能是明天的微型机，而今天的微型机也可能是明天的单片机

11 1.1.2 计算机的发展概况 1．第一台通用电子数字计算机 2．数字计算机的发展史 3．计算机体系结构的发展过程

12 “Computer”一词 最初指的是从事数值运算的人 往往借助于某种机械运算装置来完成数值运算工作 现在专指计算机，即电子数字计算机

13 1．第一台通用电子数字计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机） 1946年，美国宾夕法尼亚大学 1.8万个电子管，占地170平方米 总重量30吨，耗电140千瓦 每秒5000次加减运算 科学史上划时代创新，奠定现代电子数字计算机基础 最初结构设计不灵活，每次重新编程必须重新连线

14 存储程序体系结构（Stored-Program Architecture）
给定一个指令序列（即程序）并存储它们，在未来某个时间里从存储器中读出，依照程序给定的顺序执行它们 现代计算机的主要特征，就在于这种可编程能力 冯·诺伊曼体系结构（von Neumann Architecture） 早在ENIAC完成之前，数学家冯·诺伊曼就在其论文中提出了存储程序计算机的设计思想 因此，存储程序体系结构又称冯·诺伊曼体系结构 大多数当代计算机仍然采用冯·诺伊曼体系结构

15 从使用器件角度，计算机的发展大致经历了5代变化
2．数字计算机的发展史 从使用器件角度，计算机的发展大致经历了5代变化 时间 使用器件 执行速度(次/秒) 典型应用 第1代 1946~1957 电子管 几千至几万 数据处理机 第2代 1958~1964 晶体管 几万至几十万 工业控制机 第3代 1965~1970 小规模/中规模集成电路 几十万至几百万 小型计算机 第4代 1971~1985 大规模/超大规模集成电路 几百万至几千万 微型计算机 第5代 1986~ 甚大规模集成电路 几亿至上百亿 单片计算机

16 第一代计算机 1946年到1957年 使用电子管（Vacuum Tube）作为电子器件 使用机器语言与符号语言编制程序 体积庞大，存储容量小，成本很高，可靠性较低 主要用于科学计算 在此期间，形成了计算机的基本体系结构，确定了程序设计的基本方法

17 第二代计算机 1958年到1964年 使用晶体管（Transistor） 开始使用计算机高级语言 体积缩小，存储容量扩大，成本降低，可靠性提高 不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制 “工业控制机”开始得到应用

18 第三代计算机 1965年到1970年 使用小规模集成电路（SSI）与中规模集成电路（MSI） 操作系统开始出现 计算机小型化、微型化 用于科学计算、文字处理、企业管理和自动控制等领域 出现了管理信息系统（Management Information System，MIS） “小型计算机”开始出现

19 第四代计算机 1971年到1985年 使用大规模集成电路（LSI）与超大规模集成电路（VLSI） 在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手 由几片大规模集成电路组成的“微型计算机”开始出现，并进入家庭

20 第五代计算机 1986年开始 采用甚大规模集成电路（ULSI） 由一片甚大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现

21 电子管计算机在整个1950年代居于统治地位 1960年代，晶体管计算机逐渐取而代之 1970年代，集成电路技术的采用和其后微处理器的产生，导致计算机有了一次新的飞跃 1980年代，计算机被个人广泛使用，成为现在无处不在的个人计算机 1990年代以来，几乎所有的现代电子设备都会包含某种形式的计算机在内

22 3．计算机体系结构的发展过程 在冯·诺伊曼体系结构的基础上，以提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性、方便用户使用为目的，不断采用新的器件、研制新的软件 主要是指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构、多媒体体系结构、操作系统和数据库管理系统的形成和发展

23 1.1.3 计算机的应用 1．科学计算 2．自动控制 3．测量测试 4．信息处理 5．教育卫生 6．电子电器 7．人工智能

24 1．科学计算 领域 数学、化学、原子能、天文学、地球物理学、生物学 航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质找矿、天气预报 益处 大大减轻计算工作量 一些以往无法解决、无法及时解决或无法精确解决的问题得到圆满的解决

25 2．自动控制 有了体积小、价廉、可靠的微型机和单片机作为工具，自动控制进入了以计算机为主要控制设备的新的发展阶段

26 3．测量测试 提高测量精度 提高工作效率 完成非人力所能完成的测量和测试任务 高温、低温、有毒、辐射环境的测量和测试，核爆炸时的数据采集

27 4．信息处理 人本身就是一个非常高级的信息处理系统 一台计算机实际上就是一台信息处理机 用来处理文字、表格、图像、声音等信息 信息处理的典型应用 办公自动化、管理信息系统、电子银行（e-Banking）、电子购物（e-Shopping）、网上订票、虚拟图书馆、网络流媒体（Streaming Media）

28 5．教育卫生 计算机辅助教学（Computer-Aided Instruction，CAI） 基于网络的现代远程教学（Distance Learning，或e-Learning） 使用计算机的各种医疗设备 CT图像处理设备、心脑电图分析仪、血液分析仪 专家系统 中医专家诊疗系统、各种疾病的电子诊疗系统

29 6．电子电器 电子电器产品中广泛应用了各种嵌入式计算机 微波炉、洗衣机、家用空调、DVD播放机、电子玩具、游戏机 电子电器产品网络化 许多家用电器可通过有线或无线的网络连接（如Internet、红外线、蓝牙等），完成自身程序的自动更新、远程控制等复杂任务

30 7．人工智能 人工智能 使计算机模仿人的高级思维活动 文字识别、图形识别、景物分析、语音识别、语音合成、语言理解 机器人 人工智能研究中最突出的成就

31 本讲到此结束，谢谢！