《计算机组成原理》第四版ppt课件剖析

系统结构
基本概念
1.2.2 半导体存储器的发展
20 世纪 50 ～ 60 年代，所有计算机存储器都是由 微小的铁磁体环 1970 年，仙童半导体公司生产出了第一个较大 容量半导体存储器 从 1970 年起，半导体存储器经历了 11 代：单个 芯 片 1KB 、 4KB 、 16KB 、 64KB 、 256KB 、 1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230
中央处理单元CPU
（第五章）
基本概念
控 制 器
运 算 器 总 线 和 输 入 输 出 接 口
（第二章）
（ 第 三 章 ）
高速缓存
主存储器 虚拟存储器 (磁盘设备)
（第六章） （ 第 七 、 八 章 ）
输入设备 输出设备
系统结构
1. 运算器

基本概念
算术运算 逻辑运算


采用二进制数（容易实现）
基本概念
1.3 计算机的硬件
一、硬件组成要素 通过一个例子我们来了解数字计算机的主 要组成和工作原理。

假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔， 要求我们计算 y=ax+b-c 这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。

系统结构
基本概念
手工模仿计算机工作（1）
系统结构
基本概念
系统结构
基本概念 计算机发展史
第一台电子计算机（ENIAC）
5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2
18,wk.baidu.com00只电子管
1500个继电器 耗电150KW
系统结构
Top500 (2004)—曙光5000A
基本概念 计算机发展史
系统结构
Top500 (2008)—曙光5000A
基本概念 计算机发展史
第 2代
晶体管
第 3代
第 4代
第 5代
19711986
1986-
中 小 规 模 集 体积小，可靠性大大提高，速度达几百 成电路 万次，软件技术和外设发展迅速应用领 域不断扩大。 大 / 超大规模 速度提高至几千万亿次 出现微型计算机 集成电路 巨 大 规 模 集 速度提高至几亿次乃至上百亿次。 成电路 出现单片机
☼ 三、课程与其他课程的联系与分工
☆ 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 ☆ 后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。
☼ 四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）
☆ 授课学时：48，实验学时：8
目录 第一章 计算机系统概论
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系统结构
基本概念
数字计算机与模拟计算计的主要区别
比较内容 数字计算机 模拟计算机
数据表示方式
计算方式 控制方式 精度、抗干扰性 数据存储量 逻辑判断能力
数字0和1
数字计数 程序控制 高、好 大 强
电压、电流等
电量组合和测量值 模拟信号组合控制 低、差 小 无
系统结构
基本概念
数字计算机分类
数字计算机根据计算机的效率、速度、价 格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分 为两类：

系统结构
1.2.3 微处理器的发展

基本概念



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，这是第一个 8位微处理器，它比 4004复杂 一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器， 而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用 微机而设计的中央处理器。 20 世纪 70 年代末才出现强大的通用 16 位微处理器， 8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在 1981 年，贝尔实验室 和HP公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 到现在的64

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基本概念
1.2. 数字计算机的发展史

1. 2. 3. 4. 5.
系统结构
世界上第一台电子数字计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于1946年2月15日，是美国宾 夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发 明的。计算机的发展大致经历了五代的变化： 1946年开始，第一代电子管计算机 1958年开始，第二代晶体管计算机 1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机 1971年开始，第四代大规模集成电路计算机 1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机
系统结构
基本概念
摩尔定律

早在 1964 年，英特尔公司创始人戈登 . 摩尔 （ Gordon Moore ）在一篇很短的论文里断言： 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。这就是著名的摩尔定律。 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的 定律，摩尔定律被集成电路近 40 年的发展历 史准确无误地验证着。
☼ 二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）
☆ 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微 程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组 成和工作原理。 ☆ 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实 验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。
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。 计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五 大基本部件组成，规定了5部分的基本功能。


系统结构
基本概念
冯· 诺依曼型计算机
存储器
输入
运算器
输出
控制器 数据信号 控制信号 地址信号
系统结构
1.3 计算机的硬件系统组成
系统结构
1.2.4 计算机的性能指标

基本概念
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。 处理机字长 指处理机运算器中一次能够完成二进制数 运算的位数。当前处理机的字长有 8位、 16位、32位、 64位。 字长越长，表示计算的精度越高。



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基本概念

主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是 微秒、纳秒。 CPU执行时间 表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间， 可用下式计算：
CPU执行时间 ＝ CPU时钟周期数 × CPU时钟周期


CPI 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均 时钟周期数。用下式计算：
2、特征 ：
（1）内部特征： （A） 高速高集成度开关元件 （B） 数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力 （D） 存储程序
（2）外部特征： （A） 快速性（由（1）中（A）（D）决定） （B） 准确性（由（1）中（B）（D）决定） （C） 逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定） （D） 通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）

参考书




目录
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
计算机系统概论 运算方法和运算器 内部存储器 指令系统 中央处理机 总线系统 外围设备 输入输出系统
教学大纲
☼ 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）
☆ “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 ☆ 《计算机组成原理》是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主 干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算器、控制器、存储器、输入输出 设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势 也有一个较为深入的了解。 ☆ 主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器 部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、 设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强， 还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过 作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。
二、数字计算机基本组成

控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸
系统结构
基本概念
三、 冯· 诺依曼计算机的基本思想

采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址 码组成；

将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存 储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是 “存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的 概念；
位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度： 8位、16位、32位或64位
CPI ＝ 执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷该程序包含的指 令条数

MIPS MFLOPS
表示每秒百万条指令数，用下式计算： 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：
MIPS ＝ 指令条数÷（程序执行时间 × 106 ）

MFLOPS=程序中的浮点操作次数÷（程序执行时间 × 106 ）
系统结构
系统结构
1.1 计算机的分类
基本概念
计算机从总体上来说分为两大类:
模拟计算机和数字计算机。
各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量 （如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的。
数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开 关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算
模式是离散式的。
计算机组成原理
任课教师：马玉峰 时间：1-14周

教材

白中英，计算机组成原理 · 第四版 · 立体化教材， 科学出版社，2008 陈智勇，计算机组成原理, 西安电子科技大学 出版社，2009 钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清华大学出 版社，2006 王爱英 , 计算机组成与结构 · 第 3 版 , 清华大学 出版社，2001 白中英 邝坚，计算机组织与结构· 网络版，科 学出版社，2003
1.1 计算机的分类 1.2 计算机发展简史 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
基本概念
第一章 计算机系统概论
1.概念

计算机（ Computer ）是一种以电子器件为 基础的，不需人的直接干预，能够对各种数 字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。
系统结构
基本概念
专用计算机 ：专用机是最有效、最经济和最快
速的计算机，但是它的适应性很差。
通用计算机 ：通用计算机适应性很大，但是牺
牲了效率、速度和经济性。
系统结构
基本概念
通用计算机类别
系统结构
基本概念

巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机 和单片机，它们的结构规模和性能指标依次 递减。
随着超大规模集成电路的迅速发展 ,今天的小 型机可能是明天的微型机 ,而今天的微型机可 能是明天的单片机。
计算机的发展史
类型
第 1代
基本概念
时期
19461957 19581964 19641971
主要器件
电子管
重 要 特 征
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。 速度达几千次到几万次 算法语言，操作系统。体积缩小，可靠 性提高。从科学计算到数据处理。每秒 几万次到几十万次



系统结构
基本概念

总线宽度 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互 连的内部总线二进制位数。 存储器容量 存储器中所有存储单元的总数目，通常 用 KB 、 MB 、 GB 、 TB 来表示。其中 K=210 ， M=220 ， G=230，T=240，B=8位（1个字节）。存储器容量越大， 记忆的二进制数越多。 存储器带宽 存储器的速度指标，单位时间内从存储 器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。 主频 / 时钟周期 CPU 的工作节拍受主时钟控制，主 时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（ f ）叫 CPU 的主频。度量单位是 MHz （兆赫兹）、 GHz （吉 赫兹）。例如 Pentium 系列机为 60MHz ～ 266MHz ，而 Pentium 4升至3.6GHz。