数字逻辑与计算机组成原理：第一章 计算机系统概论
合集下载
计算机组成原理第1章
１.２ 计算机系统的组成
• 这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念。 • ③指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行
，程序分支由转移指令实现。 • ④计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本
部件组成，并规定了五部分的基本功能。 • 冯·诺依曼原理的基本思想奠定了现代计算机的基本架构，并开创了
上一页 下一页 返回
１.２ 计算机系统的组成
• 运算器的性能是影响整个计算机性能的重要因素，精度和速度是运算 器重要的性能指标。
• （３）控制器 • 控制器是整个计算机的控制核心。它的主要功能是读取指令、翻译指
令代码并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。当一条指令 执行完以后，控制器会自动地去取下一条将要执行的指令，依次重复 上述过程直到整个程序执行完毕。 • （４）输入设备 • 人们编写的程序和原始数据是经输入设备传输到计算机中的。
上一页 下一页 返回
１.１ 计算机的发展
• 归根结底，４０多年的实践证明摩尔定律有利于工业的发展及人类的 需求。直至今日，半导体工业还是按照ＤＲＡＭ每１８个月、微处理 器每２４个月集成度翻倍的规律发展着。
• 如果按照旧有方式制造电路，即将晶体管、电阻器和电容器安装在电 路板上构成电子设备，那么个人计算机、移动电话、计算机辅助设计 等都是不可能问世的。
• 主存储器主要由存储体、存储器地址寄存器（ＭｅｍｏｒｙＡｄｄｒ ｅｓｓＲｅｇｉｓｔｅｒ，ＭＡＲ）、存储器数据寄存器（Ｍｅｍｏ ｒｙＤａｔａＲｅｇｉｓｔｅｒ，ＭＤＲ）以及读写控制线路构成。
• （２）运算器 • 运算器是对信息进行运算处理的部件。它的主要功能是对二进制编码
进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。运算器的核心是算术 逻辑运算单元（ＡｒｉｔｈｍｅｔｉｃＬｏｇｉｃＵｎｉｔ，ＡＬＵ ）。
第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
第1章计算机系统概论
18800电子管 18800电子管 30吨 30吨 150平方米 150平方米 150kw 5000次十进制加法 次十进制加法/ 5000次十进制加法/秒
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 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。 存储程序控制计算机构想 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 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 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。 存储程序控制计算机构想 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 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
数字逻辑与计算机组成原理
n（字宽） 64
图1-5冯氏分类法及典型计算机系统
按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系 统分为以下4种。
（1）字串位串型（Word Serial Bit Serial， WSBS）：n=1，m=1 （2）字串位并型（Word Serial Bit Parallel， WSBP）：n=1，m＞1 （3）字并位串型（Word Parallel Bit Serial， WPBS）：n＞1，m=1 （4）字并位并型（Word Parallel Bit Parallel， WPBP）：n＞1，m＞1
m（字数）
16 384
MPP （1，16 384）
288
256
STARAN
（1，256）
64 32 16
1 EDVAC （1，1） 1
Cmmp （16，16）
PDP-11 （16，1）
16
PEPE （32，288）
IBM 370/168 （32，1） 32
ILLIAC-IV （64，64）
TI-ASC （64，32）
1.5 计算机系统结构的评价
1.5.1 系统运行速度 1．MIPS 指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的
数量。 MIPS=指令条数/执行时间
2．MFLOPS MFLOPS是指每秒钟百万次浮点运算数。 MFLOPS=程序中的浮点运算次数/运行时间
3．标准程序测试法 （1）基准测试程序 System Performance
1.1.2 计算机的应用
1．科学计算 2．数据处理 3．实时控制 4．计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造 (CAM)/计算机集成制造系统 5．计算机信息管理
1.1.3 计算机系统结构、计算机 组成和计算机实现
图1-5冯氏分类法及典型计算机系统
按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系 统分为以下4种。
（1）字串位串型（Word Serial Bit Serial， WSBS）：n=1，m=1 （2）字串位并型（Word Serial Bit Parallel， WSBP）：n=1，m＞1 （3）字并位串型（Word Parallel Bit Serial， WPBS）：n＞1，m=1 （4）字并位并型（Word Parallel Bit Parallel， WPBP）：n＞1，m＞1
m（字数）
16 384
MPP （1，16 384）
288
256
STARAN
（1，256）
64 32 16
1 EDVAC （1，1） 1
Cmmp （16，16）
PDP-11 （16，1）
16
PEPE （32，288）
IBM 370/168 （32，1） 32
ILLIAC-IV （64，64）
TI-ASC （64，32）
1.5 计算机系统结构的评价
1.5.1 系统运行速度 1．MIPS 指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的
数量。 MIPS=指令条数/执行时间
2．MFLOPS MFLOPS是指每秒钟百万次浮点运算数。 MFLOPS=程序中的浮点运算次数/运行时间
3．标准程序测试法 （1）基准测试程序 System Performance
1.1.2 计算机的应用
1．科学计算 2．数据处理 3．实时控制 4．计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造 (CAM)/计算机集成制造系统 5．计算机信息管理
1.1.3 计算机系统结构、计算机 组成和计算机实现
最新计算机组成原理第1章-计算机系统概论教学讲义PPT课件
(3)控制器 *功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程
*程序执行过程： ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)； ②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)
取指阶段 取指令
分析指令
执行阶段 执行指令
指令地址 寄存器PC
指令内容 指令译码
寄存器IR
器ID
存储器
10
功能部件
+“1”
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
*(AC)+[Y]→AC的运算过程：
(0) (AC)为被加数
寄存器型运算器 存储器
(1) 加数[Y]→TEMP
TEMP
(2) (AC)＋(TEMP) (3) ALU结果→AC
AC
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容
15
……
*组成：
地 址 地址 译 码 器 命令
数据
存储阵列
…… I/O电路
0 1 … w-1
0 1
…
…
n-1
…
存储字长W
0
…
1
…
存储字 n-1
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码；
存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
指令内容
程序 逻辑顺序
A+0
int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
计算机组成原理课件--第1章 计算机系统概论
1.4 计算机的性能指标
• 1.4.1 机器字长
• 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数
– 目前，微型计算机的机器字长有8位、16位、32位几种档次，最 新推出的微处理器已达64位。
• 1.4.2 存储容量
• 存储容量表示存储器中存放二进制代码的总数，具 体表示有两种方法。
– （1）字节数 – （2）单元数（字数）×位数
1.3 计算机的层次结构
• 1.3.1 虚拟机的概念
• 虚拟机（Virtual Machine）是一个抽象的计算机，它将提供 给用户的功能抽象出来，使之脱离具体的物理机器，用户可 以不关心真实的计算机及其细节，它由软件实现，并与实际 机器一样，都具有一个指令集并可以使用不同的存储区域。
– 例如，一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序，对C语 言用户来说，这台机器就是以C语言为机器语言的虚拟机，对 Pascal用户来说，这台机器就是以P 1.1.5 计算机的应用和发展趋势
– 1．科学计算 – 2．数据处理 – 3．过程控制 – 4．人工智能 – 5．计算机辅助工程 – 6．信息高速公路 – 7．电子商务
1.1 计算机系统简介
• 计算机的系统结构仍在继续发展，其 发展趋势是：
– ① 由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提 供廉价的服务，因此计算机系统进一步发展的最终目标， 是将有线电视、数据通信和电话“三网合一”，进入以通 信为中心的体系结构。
拟机。
1.3 计算机的层次结构
• 1.3.2 虚拟机的层次结构
应用语言虚拟机 M 5（应用语言） 用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序
高级语言虚拟机 M 4（高级语言） 高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言程序（或某种中间语言程序或机
计算机组成原理第1章ppt课件
和电路实现。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
曹红根《计算机组成原理》第 1 章 计算机系统概论.ppt
8
1.2.2 冯·诺依曼计算机
1. 存储程序概念
(1) 采用二进制形式表示数据和指令 (2) 采用存储程序方式 (3) 计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储
器和控制器五大部件组成。
2021/3/18
9
2. 早期的冯·诺依曼计算机
2021/3/18
10
3. 现代计算机组组织结构
2021/3/18
⑵ 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。
总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲
突，且总线上的各部件可以共享总线信息。
2021/3/18
16
3. 总线的分类
• 按总线所在位置分 (1) CPU内部总线 (2) 部件内总线 (3) 系统总线 (4) 外总线
采用总线结构的好处：
• 可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部 件的负载
2021/3/18
21
1.5 计算机的特点和性能指标
1.5.1 计算机的工作特点 (1) 能自动连续地工作 (2) 运算速度快 (3) 运算精度高 (4) 具有很强的存储能力和逻辑判断能力 (5) 通用性强
2021/3/18
22
1.5.2 计算机的性能指标
1. 基本字长 2. 主存容量 3. 运算速度 4. 所配置的外部设备及其性能指标 5. 系统软件的配置
2021/3/18
3
1.1.1 计算机硬件—更新换代
1. 电子管时代（1946年-1959年） 2. 晶体管时代（1959年-1964年 ） 3. 中、小规模集成电路时代（1964年-1975年） 4. 超、大规模集成电路时代（1975年-1990年） 5. 超级规模集成电路时代（1990年-现在）
• 可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。
计算机组成原理第一章 计算机系统概论
目标系统运行。 解释系统 ：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再
执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果。
1.3 计算机系统的层次结构
应用程序级 （高级语言机器）
用编译程序翻译成汇编语言程序
中间级/平台级 （汇编语言机器）
用汇编程序翻译成机器语言程序
软
件
操作系统级 （操作系统语言机器）
✓ 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬 件完成，也可以由软件来完成。
✓ 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、 存储容量、变更周期等。
目标程序
早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能 执行，所以又叫做目的程序。
• 程序首地址
PC
ห้องสมุดไป่ตู้
• 启动程序运行
• 取指令 PC MAR M MDR IR (PC )+ 1 PC
• 分析指令 OP(IR)
CU
• 执行指令 Ad(IR)
MAR
M
MDR
ACC
…
• 打印结果 • 停机
3、计算机硬件的主要技术指标
① 机器字长：CPU 一次能处理数据的位数，与 CPU 中的 寄存器位数 有关
➢ 指令和数据用二进制表示； ➢ 指令由操作码和地址码组成 ➢ 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访 ➢ 指令在存储器内按顺序存放。 ➢ 以运算器为中心，目前逐步发展为以存储器为中心
目前，大多数计算机仍然沿用这种体制，称为冯•诺依曼体制。把这 种思想称为称为冯•诺依曼思想（存储程序概念）。
2、计算机硬件框图 1）以存储器为中心的计算机硬件框图
软件与硬件的功能分配与逻辑上的等价性
执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果。
1.3 计算机系统的层次结构
应用程序级 （高级语言机器）
用编译程序翻译成汇编语言程序
中间级/平台级 （汇编语言机器）
用汇编程序翻译成机器语言程序
软
件
操作系统级 （操作系统语言机器）
✓ 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬 件完成，也可以由软件来完成。
✓ 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、 存储容量、变更周期等。
目标程序
早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能 执行，所以又叫做目的程序。
• 程序首地址
PC
ห้องสมุดไป่ตู้
• 启动程序运行
• 取指令 PC MAR M MDR IR (PC )+ 1 PC
• 分析指令 OP(IR)
CU
• 执行指令 Ad(IR)
MAR
M
MDR
ACC
…
• 打印结果 • 停机
3、计算机硬件的主要技术指标
① 机器字长：CPU 一次能处理数据的位数，与 CPU 中的 寄存器位数 有关
➢ 指令和数据用二进制表示； ➢ 指令由操作码和地址码组成 ➢ 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访 ➢ 指令在存储器内按顺序存放。 ➢ 以运算器为中心，目前逐步发展为以存储器为中心
目前，大多数计算机仍然沿用这种体制，称为冯•诺依曼体制。把这 种思想称为称为冯•诺依曼思想（存储程序概念）。
2、计算机硬件框图 1）以存储器为中心的计算机硬件框图
软件与硬件的功能分配与逻辑上的等价性
第1章计算机系统概论
▪ 上海超级计算中心的“曙光”5000A位列第15名。
2020/4/5
18
超级计算机世界500强 排行榜前十名榜单（2010.6）
1.美国克雷公司 美洲豹 1.75 petaflop/s
2.中国曙光公司 星云 1.27 petaflop/s
3.美国IBM公司 走鹊
1.105 petaflop/s
4.美国克雷公司 克拉肯
▪ 这是自2004年以来，日本制造的超级计算机第一 次成为全球速度最快的超级计算机。据悉，K Computer的计算性能高达10petaflop/s（千万亿 次/秒），远超去年11月时位于榜首的超级计算机。 去年11月时排在计算性能排行榜第一位的是中国 天津国家超级计算中心的天河-1A，它的计算性 能为2.6petaflop/s。
▪ –内存总容量98TB ；
▪ –点点通信带宽40Gbps ；
▪ –共享磁盘总容量为1PB
▪ 天河一号A
▪ –2048颗我国仿制sun公司的UltraSparc T2 处理器（飞腾FT-1000）八核心处理器
▪ –14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心 处理器
▪ –7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡
27
▪ 差距不容忽视——
▪ 核心差距在软件和应用，任务长期而艰巨
▪ 在硬件方面，不论是“天河一号”A，还是 “曙光星云”，其主要核心芯片都采用的 是美国的产品。在专家眼里，这个差距虽 然明显，但不是核心差距，更大的差距在 软件和应用方面，欠缺更多的是“软实 力”。
2020/4/5
28
▪ 北京时间2011年6月20日消息，据国外媒体报道， 国际超级计算机组织在德国汉堡召开2011年年会 并公布今年6月份的全球超级计算机500强名单。 今年排在超级计算机500强名单首位的超级计算 机是日本RIKEN高级计算机科学研究所的K Computer。
数字逻辑与计算机组成原理：第一章 计算机系统概论
这样，现代计算机可认为由CPU、主存与I/O 设备组成。
冯·诺依曼型计算机的三大特征
冯·诺依曼型计算机除了硬件由五大部分组 成的主要特征外，还具有“存储程序”和“ 采用二进制”两大主要特征。
要实现机器的自动计算，必须先将计算程序 与用到的数据存入计算机的存储器中，称为 “存储程序”。
在计算机中，计算程序及数据是用二进制代 码表示的，称为“采用二进制”。
Theoretical Peak (Rpeak)：54,902.4 TFlop/s
第一名：天河2号
Site:
Manufacturer: Cores:
Linpack Performance (Rmax)
Theoretical Peak (Rpeak) Nmax Power: Memory:
Processor:
1.2.2 存储程序工作方式
1．根据求解问题事先编制程序 2．将程序存入计算机中 3．计算机自动、连续地执行程序
首先，将指令和数据分开存放。 其次，在CPU中设置 一个程序计数器(PC)， 用它存放即将执行 指令所在的存储单元 的地址。
1.3 计算机的特点及应用
1.3.1 计算机的特点
（1）自动、连续地执行程序。 （2）运算速度快。 （3）运算精度高。 （4）存储能力强。 （5）通用性好。
1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
2.9 万个晶体管 13.4 万个晶体管 27.5 万个晶体管 120.0 万个晶体管 310.0 万个晶体管 550.0 万个晶体管 750.0 万个晶体管 950.0 万个晶体管 4 200.0 万个晶体管
Intel Xeon E5-2692v2 12C 2.2GHz
冯·诺依曼型计算机的三大特征
冯·诺依曼型计算机除了硬件由五大部分组 成的主要特征外，还具有“存储程序”和“ 采用二进制”两大主要特征。
要实现机器的自动计算，必须先将计算程序 与用到的数据存入计算机的存储器中，称为 “存储程序”。
在计算机中，计算程序及数据是用二进制代 码表示的，称为“采用二进制”。
Theoretical Peak (Rpeak)：54,902.4 TFlop/s
第一名：天河2号
Site:
Manufacturer: Cores:
Linpack Performance (Rmax)
Theoretical Peak (Rpeak) Nmax Power: Memory:
Processor:
1.2.2 存储程序工作方式
1．根据求解问题事先编制程序 2．将程序存入计算机中 3．计算机自动、连续地执行程序
首先，将指令和数据分开存放。 其次，在CPU中设置 一个程序计数器(PC)， 用它存放即将执行 指令所在的存储单元 的地址。
1.3 计算机的特点及应用
1.3.1 计算机的特点
（1）自动、连续地执行程序。 （2）运算速度快。 （3）运算精度高。 （4）存储能力强。 （5）通用性好。
1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
2.9 万个晶体管 13.4 万个晶体管 27.5 万个晶体管 120.0 万个晶体管 310.0 万个晶体管 550.0 万个晶体管 750.0 万个晶体管 950.0 万个晶体管 4 200.0 万个晶体管
Intel Xeon E5-2692v2 12C 2.2GHz
(完整版)第一章计算机系统概论习题参考答案
1．比较数字计算机和模拟计算机的特点。
解：模拟计算机的特点：数值由连续量来表示，运算过程是连续的；数字计算机的特点：数值由数字量（离散量）来表示，运算按位进行。
两者主要区别见P1 表1.1。
2．数字计算机如何分类？分类的依据是什么？解：分类：数字计算机分为专用计算机和通用计算机。
通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。
分类依据：专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。
通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等因素。
3．数字计算机有那些主要应用？（略）4．冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？解：冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是：存储程序和程序控制。
存储程序：将解题的程序（指令序列）存放到存储器中；程序控制：控制器顺序执行存储的程序，按指令功能控制全机协调地完成运算任务。
主要组成部分有：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。
5．什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？解：存储容量：指存储器可以容纳的二进制信息的数量，通常用单位KB、MB、GB来度量，存储容量越大，表示计算机所能存储的信息量越多，反映了计算机存储空间的大小。
单元地址：单元地址简称地址，在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号，称为单元地址。
数据字：若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据，则称数据字。
指令字：若某计算机字代表一条指令或指令的一部分，则称指令字。
6．什么是指令？什么是程序？解：指令：计算机所执行的每一个基本的操作。
程序：解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序，简称程序。
7．指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？解：一般来讲，在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息；而在执行周期中从存储器中读出的信息即为数据信息。
8．什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是适配器？简述其功能。
计算机组成原理-第一章-计算机系统概论
SGI Pleiades系统
美宇航局埃姆斯研究中心 51200个计算核心，最大平均速度 487005GFLOPS
天河2号
在德国举行的2015年国际超级计算机大会上发布全球超级计算机500 强最新榜单，中国“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速 度第五次蝉联冠军 ,312万个计算核心, 1.404 PB内存，而外部存储器
1.2计算机发展简史
1.2.4 计算机的性能指标
吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信 息量，单位是字节/秒（B/S）。
响应时间 表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度 量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。
利用率 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时 间所占的比率，一般用百分比表示。
程序执行时间Te为：
Te ＝ 指令条数 MIPS×106
MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：
程序中的浮点操作次数 MFLOPS ＝ 程序执行时间 ×10 6
MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器
速度越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作
其中1K=210,1M=220,1G=230 ,1T=240, 1P=250
2020/5/8
18
1.2计算机发展简史
1.2.3 微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件
都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这
美国Cray公司建造的一台超级电脑,位于橡树岭国家实验室造价一亿 美金,整个系统的内存容量达到300TB，硬盘空间高达10PB
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
的通用电子数字计算机方案EDVAC，这就是人们
通常所说的冯·诺依曼型计算机。
该计算机采用“二进制”代码表示数据和指 令，并提出了“程序存储”的概念，它奠定 了现代电子计算机的基础。
2．计算机的发展阶段
从第一台电子计算机的诞生到现在，人们根 据计算机所采用的电子器件的变化，将计算 机的发展分为四个时代。
1946年 美国 ENIAC 1955年退役
十进制运00 5 000
多个电子管 多个继电器 千瓦 吨 平方英尺 次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
IBM 360计算机
IBM公司1964年推出的IBM360是影响最大的最早采 用集成电路的第三代计算机
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位
计算机硬件系列课程结构
计算机系统结构
计算机系统的 软硬件功能分配
计算机组成原理 数字逻辑
计算机系统的 逻辑实现 计算机组成的 物理实现
数字逻辑与计算机组成原理 的关系
数字逻辑是计算机组成原理的先修课程
计算机组成原理课程中经常出现的译码器、 编码器、数据选择器、数据分配器、队列、 堆栈、锁存器、寄存器等术语，必须在数字 逻辑课程中牢固掌握基本概念。
➢ 1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair Kilby)、仙 童半导体公司的诺依斯(Robert Noyce)等人研究实现了 集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成 电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发 展的新的标志。
集成电路的分类 与数字集成电路的特点
➢ 集成电路分类
计算机组成原理课程的实践教学，需要用到 FPGA、ISP 一类高密度可编程器件和VHDL 硬件描述语言
数字逻辑
数字逻辑——
进入数字化世界的基础知识 计算机硬件系列课第一门 计算机组成的物理实现
数字集成电路—— 研究数值的逻辑加工和运算的电路
数字逻辑与数字电路的历史
➢ 逻辑代数的历史
➢ 1849 年 ， 爱 尔 兰 数 学 家 乔 治 ·布 尔 (George Boole)创立布尔代数。
1.1 计算机的发展与分类
1.1.1 计算机的发展
1．第一台计算机的诞生 1946年2月，世界上第一台电子数字计算机“埃尼
阿克”（ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学诞生。
冯·诺依曼型计算机
与ENIAC计算机研制的同时，
冯·诺依曼（Von Neuman）
提出了一个全新的存储程序
Von Neumann
1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
2.9 万个晶体管 13.4 万个晶体管 27.5 万个晶体管 120.0 万个晶体管 310.0 万个晶体管 550.0 万个晶体管 750.0 万个晶体管 950.0 万个晶体管 4 200.0 万个晶体管
(1) 第一代计算机（1946—1957年） (2) 第二代计篡机（1958—1964年） (3) 第三代计算机（1965—1970年） (4) 第四代计算机（1971年至今）
硬件技术对计算机更新换代的影响
代
时间
一 1946－1957
二 1958－1964
三 1965－1971
四 1972－1977
1.1.2 计算机的分类
1、按处理对象的表示形式分类 按计算机所处理对象的表示形式不同可以分成 模拟计算机与数字计算机两类。 2、按用途分类 计算机按其用途来分可以分成专用计算机和通 用计算机两类。 3、按规模及性能分类 通用计算机按其规模及性能来分，又可分为巨 型机、大型机、小型机、工作站和微型机五种 类型。
➢ 模拟集成电路，处理的信号是连续的（模拟信号） ➢ 数字集成电路，处理的信号是离散的（数字信号）
➢ 数字集成电路分类
➢ 逻辑集成电路、存储器、各类ASIC
➢ 数字集成电路特点
➢ 信息表示形式统一、便于计算机处理 ➢ 可靠性高 ➢ 制造工艺成熟、可以大规模集成
数字集成电路的发展
➢ 集成度
➢ SSI（1-10门，逻辑门电路） ➢ MSI（10-100门，计数器、移位寄存器器） ➢ LSI（100-1000门，小型存储器、8位算术逻辑单元） ➢ VLSI（1000-100万门，大型存储器、微处理器） ➢ ULSI（超过100万门，可编程逻辑器件、多功能集成电
➢ 20 世 纪 30 年 代 ， 在 贝 尔 实 验 室 工 作 的 香 农 (Claude Shannon)继承了布尔的工作并加以发 展和应用。
➢ 随着电子技术和计算机技术的发展，布尔代数在 数字逻辑电路的分析和设计中得到了广泛的应用 ，统称为逻辑代数。
➢ 集成电路的历史
➢ 1947年晶体管发明引起了电子学的一次革命。晶体管由 巴 丁 (John Bardeen) 、 布 雷 登 (Wailter Houser Brattain)和肖克莱(William Schokley)共同 发明，该发明促成了计算机、通信等方面的飞速发展。 鉴于它的重要价值，这些人共同获得了1956年的诺贝尔 物理学奖。
四（五） 1978－现在
硬件技术
电子管
晶体管
中小规模 集成电路
大规模 集成电路
超大规模 集成电路
速度 /（次/秒） 40 000 200 000
1 000 000
10 000 000 100 000 000
齿轮式加减计算器
1871Lucasian Professor of Mathematics, Cambridge University, 1827-1839
路）
➢ 摩尔定律
➢ 集成度每18个月翻一番
数字逻辑的内容
数字逻辑的基本理论：逻辑代数 无记忆的逻辑电路：组合逻辑电路 有记忆的逻辑电路：触发器及时序逻辑电路
（同步和异步） 可编程逻辑器件和数字系统：软件实验、后
续课程学习
第一章 计算机系统概论
主要内容
1.1 计算机的发展与分类 1.2 冯·诺依曼型计算机的主要特征 1.3 计算机的特点及应用 1.4 计算机系统的层次结构 1.5 计算机系统的硬件组成 1.6 计算机的软件系统 1.7 计算机系统主要性能指标