同济大学计算机组成原理_第1章 概论
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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
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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。
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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 ）。
《计算机组成原理》教程第1章概述
第三代计算机
集成电路计算机，进一步提高 了运算速度和可靠性，并开始 应用于各个领域。
第四代计算机
超大规模集成电路计算机，体积进 一步减小、运算速度飞速提升，功
能更加强大且应用领域广泛。
计算机系统组成
硬件系统
包括中央处理器（CPU）、存储器、 输入输出设备等，是计算机系统的 物质基础。
软件系统
包括操作系统、应用软件等，是 计算机系统的灵魂，负责管理和 控制硬件系统的工作。
运算方法与运算器
01
基本运算方法
包括加法、减法、乘法、除法等基本算术运算，以及逻辑运算和移位运
算等。
02
运算器的组成
运算器是实现算术运算和逻辑运算的部件，它由算术逻辑单元（ALU）、
累加器、寄存器等部件组成。
03
运算器的功能
根据指令的要求，从存储器或寄存器中取出操作数进行运算，并将结果
存回存储器或寄存器中。同时，运算器还可以执行一些与运算相关的操
01
输入设备
02
输出设备
输入设备用于将外部信息输入到计算 机中，常见的输入设备有键盘、鼠标 、扫描仪等。
输出设备用于将计算机处理后的信息 输出到外部，常见的输出设备有显示 器、打印机等。
03
输入输出设备接口
为了连接输入输出设备和计算机主机 ，需要使用相应的输入输出接口。接 口的类型和规格因设备而异，常见的 接口类型有USB、HDMI、VGA等。
执行
根据操作码调用相应部件执行操作。
03
02
译码
对指令进行解析，确定操作码和操 作数地址。
写回
将执行结果写回到存储器或寄存器 中。
04ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CPU性能指标及发展趋势
《计算机组成原理》教程第1章概述
计算机的五大组成部分
中央处理器
负责执行计算机指令和控制计算机的操作。
存储器
用于存储程序和数据。
输入输出设备
与计算机进行信息交互的接口。
计算机总线
连接各个部件传输数据和信号。
第一章节的主要内容
1 计算机基础知识
了解计算机的基本概 念和术语。
2 计算机内部结构
3 指令执行过程
深入探讨计算机的各 个组成部分及其功能。
3 职业发展机会
掌握计算机底层原理， 可以编写更高效和可 靠的代码。
拥有计算机组成原理 知识的人才在计算机 行业有更广阔的发展 机会。
本章节总结和要点
本章节介绍了计算机组成原理的基本概念、计算机的发展历史以及计算机的 五大组成部分。学习计算机组成原理对于深入理解计算机工作原理和提升编 程能力至关重要。
学习计算机指令的执 行过程和控制流程。
为什么要学习计算机组成原理
学习计算机组成原理可以帮助你深入理解计算机的工作原理，提高编程和系统设计的能力，并打 下计算机科学的基础。
学习计算机组成原理的好处
1 深入了解计算机
系统
了解计算机内部的设 计和功能，可以更好 地使用计算机和解决章概述
计算机组成原理是研究计算机内部结构和功能的科学，本教程将带您深入了 解计算机组成原理的基本概念和重要性。
什么是计算机组成原理
计算机组成原理研究计算机的内部组成和运行原理，包括处理器、内存、存 储器、输入输出设备等关键组成部分，是计算机科学的基础。
计算机发展历史
计算机发展经历了多个阶段，从大型机到个人计算机，掌握计算机组成原理 能帮助你了解计算机的发展脉络和技术演进。
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。
计算机组成原理第一章
存储体
6
IR 27 3 8
MDR
I/O 设 备
CU 控制 单元
ALU
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
9
主存储器
(4)主机完成一条指令的过程
以存数指令为例 CPU
…
ACC MQ
1.2
5
存储体
6
IR 27 3 9
MDR
I/O 设 备
CU 控制 单元
ALU
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程
计算机组成原理
第２版
唐朔飞
第１章 第２章
第３章 第４章
计算机系统概论 计算机的发展及应用
系统总线 存储器
第５章
第６章 第７章 第８章
输入输出系统
计算机的运算方法 指令系统 CPU 的结构和功能
第９章
第10章
控制单元的功能
控制单元的设计
第１章
计算机系统概论
1.1 计算机系统简介 1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1 计算机系统的组成
计算机系统
计算机软件
系统软件
计算机硬件
应用软件
操作系统 语言处理程序 诊断程序 各种标准程序库 。。。
MIS ERP OFFICE OUTLOOK 。。。
硬件系统
CPU 控制器 内部 外设 运算器
计算机 体系结构
程序员所见到的计算机系统的属性 概念性的结构与功能特性
计算机组成原理第1章概述V1.2
输入输出控制
CPU通过与外部设备交互， 实现输入输出操作的控制和管
理。
CPU的内部结构
运算器
负责进行算术运算和逻辑运算，是CPU的核 心组成部分。
寄存器
用于存储数据和指令，是CPU内部的高速存 储单元。
控制器
负责控制指令的执行顺序，协调CPU各部分 的工作。
总线
用于连接CPU内部各部分，实现数据传输和 通信。
指令长度
指令的长度可以是固定长度的 ，也可以是可变长度的，这取 决于具体的指令系统设计。
格式类型
根据指令系统的不同，指令格 式可以分为单操作数格式、双 操作数格式和三操作数格式等
。
操作码的扩展技术
操作码位数可变
根据不同的指令系统设计，操作码的位数可以是固定的，也可以是可变的。如 果操作码位数可变，通常是通过增加一个或多个额外的位来表示操作码的长度。
操作系统
管理系统资源、控制程序 执行、提供用户界面等功 能的软件。
计算机系统的层次结构
硬件层
物理组件，如中央处理 器、内存、硬盘等。
操作系统层
管理硬件资源，提供系 统调用接口。
应用层
用户直接使用的应用程 序，如办公软件、浏览
器等。
用户层
用户与计算机交互的界 面，如命令行、图形界
面等。
计算机的工作过程
操作码字段合并
在某些指令系统中，操作码字段可能会与其他字段合并，以提高指令的编码效 率。例如，某些指令可以通过将操作码的一部分嵌入到地址码中来减少所需的 指令空间。
地址码的扩展技术
变长地址码
地址码的长度可以根据需要变化，以适应不同的地址空间大小。例如，某些指令 可能只包含一个地址码，而其他指令可能包含两个或更多的地址码。
《计算机组成原理(第四版)》第1章计算机系统概论资料
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
2021年3月23日星期二
控制器
指挥程序 运行
46
冯·诺依曼机与现代微机 存储器
冯·诺依曼机结构
以运算器为中心
现代微机结构
以存储器为中心
22021年3月23日星期二
38
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
总线宽度 一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。
注意课本上的表述错误！
主存储器容量 主存储器所能存储二进制数据的位数。
或者说“主存储器中所有存储元的总数目”，而非“存储单元”！
主存储器带宽 单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。
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。
响应时间
从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。
利用率
在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分 比表示。
处理机字长（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。
第1章 计算机系统概论
目录
1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构
2021年3月23日星期二
2
学习要求
了解计算机的发展历程； 清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件
的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； 了解计算机性能评价指标和相关参数；
计算机组成原理1-10章总结
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
大学计算机组成原理 组成原理第1章
⊙第一章计算机系统概论
3.计算机的工作过程示意
计算机工作的过程即一条一条执行指令的过程。
执行指令的基本过程：
取指令 分析及取数 执 行
程序运行的基本过程：
取指令 分析及取数 执 行
1.4 计算机系统的软件 1.4.1 软件的组成和分类
计算机软件＝程序＋数据＋文档
操作系统 语言处理程序
数据库管理系统 系统软件 服务性程序 软件分类 办公软件包 应用软件
计算机组织与结构
⊙第一章计算机系统概论
计算机硬件系统的一种构成形式 存储器 运算器 控制器 适配器
输入设备 输出设备
系 统 总 线
计算机组织与结构
⊙第一章计算机系统概论
①
运算器
功能:算术运算和逻辑运算 特点: 采用二进制数（运算简单、容易实现） 位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度：
第四代计算机
– 大规模与超大规模集成电路作为电子器件 – 微型计算机得到飞速的发展 – 性能提高，软件丰富，应用广泛
计算机组织与结构
⊙第一章计算机系统概论
2. 摩尔定律
集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展 摩尔定律（Moore's Law）
– 集成电路上晶体管密度每年将翻倍 – 每隔18个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍 – 每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价 格将降低一半
指令字和数据字，指令流和数据流
某字为一条指令，则称为指令字 某字代表要处理的数据，称为数据字 在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控 制器 而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内 存流向运算器 时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定 是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定 是数据。 空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存 （或寄存器）与运算器之间流动
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计算机组成原理
主要参考书：
1.计算机组成与结构（第4版） 王爱英编著 2.计算机组织与结构（第7版）张昆藏等译 3.计算机原理与设计 李亚平编著 4.数字设计和计算机体系结构 陈虎等译 5.MIPS体系结构与编程 刘佩林编著 6.Verilog HDL 综合实用教程 孙海平译 7.MIPS体系结构透视 李鹏等译 8.Verilog HDL数字设计与综合 夏宇闻等译
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
第二代 1955—1964 特征：晶体管作为逻辑元件，磁芯作为主存储器。 IBM 于1962年生产出了第一台晶体管计算机（IBM7090）。
IBM7090
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
磁芯存储器
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
第三代 1965—1974 特征：集成电路 作为逻辑元件，半 导体作为主存储器。 DEC（数据设备公 司），PDP-11、 VAX-11。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
EDVAC方案明确奠定了新机器由五个 部分组成，包括： 运算器 逻辑控制装置 存储器 输入和输出设备 并描述了这五部分的职能和相互关系。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
1. 计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和 输出设备组成。 2. 采用存储程序的方式,程序和数据放在同一个存 储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算， 即由指令组成的程序是可以修改的。 3. 能够操纵二进制数的算术逻辑运算单元（ALU）。 4. 指令由操作码和地址码组成。 5. 指令在存储器中按执行顺序存放，一般顺序执行 但也可按运算结果或外界条件而改变。 6. 机器以运算器为中心(现在以存储器为中心)。
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1.1
电子计算机的发展史
约翰·冯·诺依曼 ( John Von Neumann， 1903-1957)，美藉匈牙利人，1903年12月28日生于 匈牙利的布达佩斯1921年一1923年在苏黎世大学学 习。很快又在1926年以优异的成绩获得了布达佩斯 大学数学博士学位，此时冯·诺依曼年仅22岁。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
第一代 1946—1954 特征：电子管作为逻辑元件，阴极射线管作为 主存储器。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
第一代电子管计算机
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
USB 电子管声卡
同济大学电信学院
1.1 电子计算机的发展史
带电子管的主板
艾肯，1935年在哈佛大学 博士毕业后，设计了一台继电 器式的计算机，在美国海军部 提供研制经费，IBM派四位工 程师参与，该机在1944年4月 研制成功，称为MARK-1，并在 哈佛大学投入运行。研制 MARK-1的灵感来自一个世纪以 前巴贝奇留下的思想精华。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
VCC
#STRBD STRBA
GND
AS0 AS1 AS2 AS3 IOL2 INT
电子计算机的发展史
RDYD RDYA #BUSREQ
CPU CLK AK0 AK1
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
MA31750 CPU
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
AT697F CPU
同济大学电信学院
VAX-11/780
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
第四代 1975—至今 特征：大规模集成电路作为逻辑元件，半导 体作为主存储器。
同济大学电信学院
1.1
处理器
电子计算机的发展史
航天航空CPU
制造商 最大时钟 MIPS 特点
2个定时器，看门狗， 校验电路，32位硬件 乘法器 2定时器，40位浮点 运算单元
同济大学电信学院
主要知识点
掌握计算机基本体系架构
掌握计算机层次结构 掌握计算机指令的执行过程
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
数字计算机的发明是由一批科学家从 1937年开始，整整经历13年的不懈努力所 形成的。在这批人当中最有影响的有四个 人，他们是：乔治.斯蒂比茨（George Stibitz ）、H.艾肯（Howard Aiken)、J.莫 克利(Joho Manchly)、冯.诺依曼(Von Neumann) ，他们的开创性工作,奠定了存 储程序数字计算机的发展史。
MARK-1外壳用钢和 玻璃制成，长15米， 高2.4米，自重31.5吨， 使用了15万个元件和 800公里电线，每分钟 进行200次运算。
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1.1
电子计算机的发展史
莫克利博士毕业后，1943年， 在美军军械部的支持下，开始设计 和兴建一台计算机 ，该机称为 ENIAC（ Electronic Numerical Integrator and Computer）， 1946年2月15日在宾夕法尼亚大学 完成，是世界上第一台通用数字电 子计算机。承担开发任务的“莫尔 小组”由四位科学家和工程师埃克 特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组 成，总工程师埃克特当时年仅24岁。
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1.3
计算机系统的层次结构
先把高级语 言程序翻译成汇 编语言程序或中 间语言程序，然 后再翻译成机器 语言程序。
同济大学电信学院
1.3
计算机系统的层次结构
BASIC程序
10 sum=0 20 for i=1 to 10 30 sum=sum+I 40 next I 50 print sum 60 end
同济大学电信学院
IB15 #MEM PRT ER #MEM PAR ER #EXT ADR ER SYSFLT0 SYSFLT1 MAJ ER GND VCC
35
PWRDN INT USR0 INT USR1 INT USR2 INT USR3 INT USR4 INT USR5 INT IOL1 INT
MA1750 CPU
INDEX IB0 IB1 IB2 IB3 IB4 IB5 IB6 IB7 GND IB8 IB9 VCC IB10 IB11 IB12 IB13 IB14 10 18
9
1.1
26 27 52 44 43
AK2 AK3
1 68 61 60
GND UNRCV ER TIMER CLK NML PWRUP #RESET #TRIGO RST DMA EN #CON REQ GND VCC SNEW #BUS LOCK #BUS GNT #BUS BUSY M/(#IO) D/(#I) R/(#W)
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1.3
计算机系统的层次结构
层次结构划分的目的： “机器”只对一定的观察者而存在。它的 功能体现在广义语言上，能对该语言提供解释 手段，如同一个解释器，然后作用在信息处理 和控制对象上。在某一层次的观察者看来，他 只是通过该层次的语言来了解和使用计算机， 不必关心在内层的那些机器是如何工作和如何 实现各自功能的。
2个32位定时器，32位 看门狗，校验保护，2 个8位串口，32位平行 口
UT1750AR
Aeroflex公司
--
--
1000K rad
AT697E-F Sparc v7
Atmel公司
100MHz
90
100K rad
MILITARY STANDARD SIXTEEN-BIT COMPUTER INSTRUCTION SET ARCHITECTURE. MIL-STD-1750A (USAF)
汇编指令程序
2000: sub R15, R15 sub R1, R1 mvrd R0, 0A inc R1 add R15, R1 cmp R1, R0 jrnz 2004 cala 0664 ret
机器指令程序
2000：01FF 2002：0111 2004：8800 000A 2008：0910 200A：00F1 200C：0310 200E：47FC 2010：CE00 0064 2014：8F00
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1.1
电子计算机的发展史
双核（Dual Core）处理器就是基于单个半 导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处 理器核心，即将两颗物理处理器核心整合入一个 内核中通过协同运算来提升性能。其优势在于克 服了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器 性能而导致耗电量和发热量越来越大的缺点。
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1.1
电子计算机的发展史
1944-1945年间，冯·诺伊 曼在第一台现代计算机 ENIAC尚未问世时注意到其 弱点，并提出一个新机型 EDVAC（ Electronic Discrete Variable Automatic Computer）的设 计方案，其中提到了两个设 想：采用二进制和“存储程 序”。这两个设想对于现代 计算机至关重要。
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1.1
电子计算机的发展史
1943年，英国科学家研制成功第一台 “巨人”计算机，专门用于破译德军密码。 第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器 并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。 二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平 均每小时破译11份德军情报。“巨人”算不 上真正的数字电子计算机，但在继电器计算 机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。
辐射剂量
MA 31750/IMA 31750
Dynex
25 MHz
3.5
300K rad
HX1750 GVSC 1750
霍尼韦尔 BAE英国宇航
40 MHz 20 MHz
3.3 3
100K rad 1000K rad
主要参考书：
1.计算机组成与结构（第4版） 王爱英编著 2.计算机组织与结构（第7版）张昆藏等译 3.计算机原理与设计 李亚平编著 4.数字设计和计算机体系结构 陈虎等译 5.MIPS体系结构与编程 刘佩林编著 6.Verilog HDL 综合实用教程 孙海平译 7.MIPS体系结构透视 李鹏等译 8.Verilog HDL数字设计与综合 夏宇闻等译
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1.1
电子计算机的发展史
第二代 1955—1964 特征：晶体管作为逻辑元件，磁芯作为主存储器。 IBM 于1962年生产出了第一台晶体管计算机（IBM7090）。
IBM7090
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1.1
电子计算机的发展史
磁芯存储器
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1.1
电子计算机的发展史
第三代 1965—1974 特征：集成电路 作为逻辑元件，半 导体作为主存储器。 DEC（数据设备公 司），PDP-11、 VAX-11。
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1.1
电子计算机的发展史
EDVAC方案明确奠定了新机器由五个 部分组成，包括： 运算器 逻辑控制装置 存储器 输入和输出设备 并描述了这五部分的职能和相互关系。
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1.1
电子计算机的发展史
1. 计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和 输出设备组成。 2. 采用存储程序的方式,程序和数据放在同一个存 储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算， 即由指令组成的程序是可以修改的。 3. 能够操纵二进制数的算术逻辑运算单元（ALU）。 4. 指令由操作码和地址码组成。 5. 指令在存储器中按执行顺序存放，一般顺序执行 但也可按运算结果或外界条件而改变。 6. 机器以运算器为中心(现在以存储器为中心)。
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1.1
电子计算机的发展史
约翰·冯·诺依曼 ( John Von Neumann， 1903-1957)，美藉匈牙利人，1903年12月28日生于 匈牙利的布达佩斯1921年一1923年在苏黎世大学学 习。很快又在1926年以优异的成绩获得了布达佩斯 大学数学博士学位，此时冯·诺依曼年仅22岁。
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1.1
电子计算机的发展史
第一代 1946—1954 特征：电子管作为逻辑元件，阴极射线管作为 主存储器。
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1.1
电子计算机的发展史
第一代电子管计算机
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1.1
电子计算机的发展史
USB 电子管声卡
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1.1 电子计算机的发展史
带电子管的主板
艾肯，1935年在哈佛大学 博士毕业后，设计了一台继电 器式的计算机，在美国海军部 提供研制经费，IBM派四位工 程师参与，该机在1944年4月 研制成功，称为MARK-1，并在 哈佛大学投入运行。研制 MARK-1的灵感来自一个世纪以 前巴贝奇留下的思想精华。
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1.1
电子计算机的发展史
VCC
#STRBD STRBA
GND
AS0 AS1 AS2 AS3 IOL2 INT
电子计算机的发展史
RDYD RDYA #BUSREQ
CPU CLK AK0 AK1
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1.1
电子计算机的发展史
MA31750 CPU
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1.1
电子计算机的发展史
AT697F CPU
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VAX-11/780
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1.1
电子计算机的发展史
第四代 1975—至今 特征：大规模集成电路作为逻辑元件，半导 体作为主存储器。
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1.1
处理器
电子计算机的发展史
航天航空CPU
制造商 最大时钟 MIPS 特点
2个定时器，看门狗， 校验电路，32位硬件 乘法器 2定时器，40位浮点 运算单元
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主要知识点
掌握计算机基本体系架构
掌握计算机层次结构 掌握计算机指令的执行过程
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1.1
电子计算机的发展史
数字计算机的发明是由一批科学家从 1937年开始，整整经历13年的不懈努力所 形成的。在这批人当中最有影响的有四个 人，他们是：乔治.斯蒂比茨（George Stibitz ）、H.艾肯（Howard Aiken)、J.莫 克利(Joho Manchly)、冯.诺依曼(Von Neumann) ，他们的开创性工作,奠定了存 储程序数字计算机的发展史。
MARK-1外壳用钢和 玻璃制成，长15米， 高2.4米，自重31.5吨， 使用了15万个元件和 800公里电线，每分钟 进行200次运算。
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1.1
电子计算机的发展史
莫克利博士毕业后，1943年， 在美军军械部的支持下，开始设计 和兴建一台计算机 ，该机称为 ENIAC（ Electronic Numerical Integrator and Computer）， 1946年2月15日在宾夕法尼亚大学 完成，是世界上第一台通用数字电 子计算机。承担开发任务的“莫尔 小组”由四位科学家和工程师埃克 特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组 成，总工程师埃克特当时年仅24岁。
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1.3
计算机系统的层次结构
先把高级语 言程序翻译成汇 编语言程序或中 间语言程序，然 后再翻译成机器 语言程序。
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1.3
计算机系统的层次结构
BASIC程序
10 sum=0 20 for i=1 to 10 30 sum=sum+I 40 next I 50 print sum 60 end
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IB15 #MEM PRT ER #MEM PAR ER #EXT ADR ER SYSFLT0 SYSFLT1 MAJ ER GND VCC
35
PWRDN INT USR0 INT USR1 INT USR2 INT USR3 INT USR4 INT USR5 INT IOL1 INT
MA1750 CPU
INDEX IB0 IB1 IB2 IB3 IB4 IB5 IB6 IB7 GND IB8 IB9 VCC IB10 IB11 IB12 IB13 IB14 10 18
9
1.1
26 27 52 44 43
AK2 AK3
1 68 61 60
GND UNRCV ER TIMER CLK NML PWRUP #RESET #TRIGO RST DMA EN #CON REQ GND VCC SNEW #BUS LOCK #BUS GNT #BUS BUSY M/(#IO) D/(#I) R/(#W)
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1.3
计算机系统的层次结构
层次结构划分的目的： “机器”只对一定的观察者而存在。它的 功能体现在广义语言上，能对该语言提供解释 手段，如同一个解释器，然后作用在信息处理 和控制对象上。在某一层次的观察者看来，他 只是通过该层次的语言来了解和使用计算机， 不必关心在内层的那些机器是如何工作和如何 实现各自功能的。
2个32位定时器，32位 看门狗，校验保护，2 个8位串口，32位平行 口
UT1750AR
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--
--
1000K rad
AT697E-F Sparc v7
Atmel公司
100MHz
90
100K rad
MILITARY STANDARD SIXTEEN-BIT COMPUTER INSTRUCTION SET ARCHITECTURE. MIL-STD-1750A (USAF)
汇编指令程序
2000: sub R15, R15 sub R1, R1 mvrd R0, 0A inc R1 add R15, R1 cmp R1, R0 jrnz 2004 cala 0664 ret
机器指令程序
2000：01FF 2002：0111 2004：8800 000A 2008：0910 200A：00F1 200C：0310 200E：47FC 2010：CE00 0064 2014：8F00
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1.1
电子计算机的发展史
双核（Dual Core）处理器就是基于单个半 导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处 理器核心，即将两颗物理处理器核心整合入一个 内核中通过协同运算来提升性能。其优势在于克 服了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器 性能而导致耗电量和发热量越来越大的缺点。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
1944-1945年间，冯·诺伊 曼在第一台现代计算机 ENIAC尚未问世时注意到其 弱点，并提出一个新机型 EDVAC（ Electronic Discrete Variable Automatic Computer）的设 计方案，其中提到了两个设 想：采用二进制和“存储程 序”。这两个设想对于现代 计算机至关重要。
同济大学电信学院
1.1
电子计算机的发展史
1943年，英国科学家研制成功第一台 “巨人”计算机，专门用于破译德军密码。 第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器 并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。 二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平 均每小时破译11份德军情报。“巨人”算不 上真正的数字电子计算机，但在继电器计算 机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。
辐射剂量
MA 31750/IMA 31750
Dynex
25 MHz
3.5
300K rad
HX1750 GVSC 1750
霍尼韦尔 BAE英国宇航
40 MHz 20 MHz
3.3 3
100K rad 1000K rad