计 算 机 组 成 技 术计 算 机 组 成 技 术

张 宇张 宇

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参考书目参考书目• 计算机组成原理，唐朔飞编著，高等教育计算机组成原理，唐朔飞编著，高等教育

出版社出版出版社出版• IBM PC IBM PC 汇编语言程序设计（第二版），汇编语言程序设计（第二版），

沈美明、温冬婵编著，清华大学出版社出沈美明、温冬婵编著，清华大学出版社出版版

第一章 绪论第一章 绪论• 电子计算机的产生与发展电子计算机的产生与发展• 微型电子计算机的发展微型电子计算机的发展• 我国电子计算机的发展我国电子计算机的发展• 电子计算机的基本结构、分类与性能评价电子计算机的基本结构、分类与性能评价• 电子计算机的特点及应用电子计算机的特点及应用• 电子计算机的新进展电子计算机的新进展

1.11.1 电子计算机的产生与发展电子计算机的产生与发展• 电子计算机产生之前计算工具的发展电子计算机产生之前计算工具的发展

– 手动计算工具：算盘手动计算工具：算盘– 机械式计算工具：手摇台式计算机机械式计算工具：手摇台式计算机

• 16421642 年，法数学家年，法数学家 PascalPascal 始创；始创；• 16731673 年，德数学家年，德数学家 LeibnitzLeibnitz 改进。改进。• 18121812 年，英数学家年，英数学家 BabbageBabbage ，，差分机差分机• 18711871 年，英数学家年，英数学家 BabbageBabbage ，分析机，分析机

– 机电式计算工具：机电式计算工具： 19441944 年年 IBMIBM 公司公司 MARK MARK I(I( 电动、齿轮、继电器构成电动、齿轮、继电器构成 ))

““ 古代”计算机的特点古代”计算机的特点

• 计算速度慢计算速度慢

• 出现错误多出现错误多

•

图灵（ Turing ） 冯 · 诺依曼

（ John Von Neuman ）

两位杰出的计算机科学家两位杰出的计算机科学家

1.1.2 1.1.2 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展• 第一代计算机（第一代计算机（ 1946-19581946-1958 ）电子管时代）电子管时代

– ENIACENIAC （（ Electronic Numerical Integrator Electronic Numerical Integrator and Calculatorand Calculator ））

– EDVACEDVAC （（ Electronic Discrete Variable AutElectronic Discrete Variable Automatic Computeromatic Computer ））

• 第二代计算机（第二代计算机（ 1958-19651958-1965 ）晶体管时代）晶体管时代• 第三代计算机第三代计算机（（ 1965-19701965-1970 ）集成电路时）集成电路时

代代• 第四代计算机（第四代计算机（ 1970- 1970- ）大规模集成）大规模集成

电路时代电路时代

各时期计算机的比较（各时期计算机的比较（ 11 ））时期时期 元器件元器件 代 表 机 器代 表 机 器

第一代第一代 电子管电子管 第一台计算机第一台计算机 ENIACENIAC第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机 EDVACEDVAC

第二代第二代 晶体管晶体管 IBMIBM 公司生产的公司生产的 IBM-7904IBM-7904CDCCDC 公司生产的公司生产的 CDC1604CDC1604

第三代第三代 集成电路集成电路 DECDEC 公司研制成功的公司研制成功的 PDP-8PDP-8 ，， PDPDP-11P-11 ，， VAX-11VAX-11

第四代第四代 大规模集大规模集成电路成电路

CrayCray 公司公司 19761976 年推出的年推出的 Cray-1Cray-1

各时期计算机的比较（各时期计算机的比较（ 22 ））时期时期 体积体积 重量重量 成本成本 耗电耗电 可靠性可靠性 运算速度运算速度

第一代第一代 大大 重重 高高 高高 低低 50005000 次次 // 秒秒

第二代第二代 几万次几万次 -- 几几十万次十万次 // 秒秒

第三代第三代 几百万几百万 -- 几几千万次千万次 // 秒秒

第四代第四代 小小 轻轻 低低 低低 高高 几亿次几亿次 // 秒秒

1.2 1.2 微型电子计算机的发展微型电子计算机的发展

• 第一代（第一代（ 1971-19721971-1972 ））44 位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机Intel 4004 2300Intel 4004 2300 个晶体管个晶体管

• 第二代（第二代（ 1972-19771972-1977 ））88 位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机

Intel 8008 3300Intel 8008 3300 个晶体管个晶体管Intel 8080 4900Intel 8080 4900 个晶体管个晶体管M6800 6800M6800 6800 个晶体管个晶体管Z80 10000Z80 10000 个晶体管个晶体管

• 第三代（第三代（ 1978-19831978-1983 ））1616 位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机

Intel 8086 29000Intel 8086 29000 个晶体管个晶体管M68000 68000M68000 68000 个晶体管个晶体管Z8000 37500Z8000 37500 个晶体管个晶体管

• 第四代（第四代（ 1984-1984- ））3232 位的微处理器和微型电子计算机位的微处理器和微型电子计算机代表机型：代表机型：Intel 80286Intel 80286Intel 80386Intel 80386MC68020MC68020

摩尔定律摩尔定律

• 每每 1818 个月微处理器内部的晶体管数量扩个月微处理器内部的晶体管数量扩大一倍，计算机的性能将翻一番，而芯片大一倍，计算机的性能将翻一番，而芯片的价格保持不变的价格保持不变

1.3 1.3 我国电子计算机的发展我国电子计算机的发展• 19731973 年，中国第一台百万次集成电路电年，中国第一台百万次集成电路电

子计算机研制成功子计算机研制成功• 19831983 年，银河年，银河 II 号巨型计算机研制成功，号巨型计算机研制成功，

运算次数达到每秒运算次数达到每秒 11 亿次亿次• 19871987 年，第一台国产年，第一台国产 286286 微机微机 ------ 长城长城 22

8686 正式推出正式推出• 19881988 年，第一台国产年，第一台国产 386386 微机微机 ------ 长城长城 33

8686 正式推出正式推出

我国电子计算机的发展我国电子计算机的发展• 19931993 年，中国第一台年，中国第一台 1010 亿次巨型银河计算机亿次巨型银河计算机 IIII

型通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正式运型通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正式运行行

• 19951995 年，曙光年，曙光 10001000 型大型机通过鉴定，其峰型大型机通过鉴定，其峰值可以达到每秒值可以达到每秒 2525 亿次亿次

• 19971997 年，银河年，银河 IIIIII并行巨型机研制成功并行巨型机研制成功• 19991999 年，银河四代巨型机研制成功年，银河四代巨型机研制成功• 20002000 年，自行研制成功“神威年，自行研制成功“神威 I”I” 高性能计算高性能计算

机机

1.4 1.4 电子计算机的基本结构、 电子计算机的基本结构、 分类与性能评价 分类与性能评价

1.4.1 1.4.1 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成

输入设备

主存储器

控制器

运算器程序或数据

CPU

主机

指令流

数据流

输出设备

程序或结果

程序计数器、指令寄存器、指令译码器、控制信号发生器

辅助存储器

1.4.2 1.4.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构• 软件的分类软件的分类

– 系统软件系统软件• DosDos ，， WindowsWindows ，， UNIXUNIX ，， LINUXLINUX ，， OracleOracle ，，SQLSQL

– 程序设计语言程序设计语言• 汇编语言，汇编语言， BasicBasic ，， C/C++C/C++，， PascalPascal ，， JavaJava

– 应用软件应用软件•人事管理软件，财务管理软件等等人事管理软件，财务管理软件等等

计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构

实际机器 M1

具有 L1 机器语言（机器指令系统）

实际机器 M1

具有 L1 机器语言（机器指令系统）

虚拟机器 M2

具有 L2 机器语言（汇编语言）

计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构

实际机器 M1

具有 L1 机器语言（机器指令系统）

虚拟机器 M2

具有 L2 机器语言（汇编语言）

计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构

虚拟机器 M3

具有 L3 机器语言（高级语言）

实际机器 M1 ，具有 L1 机器语言（机器指令系统）

虚拟机器 M2 ，具有 L2 机器语言（汇编语言）

计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构

虚拟机器 M3 ，具有 L3 机器语言（高级语言）

微程序机器 M0 ，具有 L0 机器语言（微指令系统）

实际机器 M1 ，具有 L1 机器语言（机器指令系统）

虚拟机器 M3 ，具有 L3 机器语言（汇编语言）

计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构

虚拟机器 M4 ，具有 L4 机器语言（高级语言）

微程序机器 M0 ，具有 L0 机器语言（微指令系统）

虚拟机器 M2 ，具有 L2 机器语言（作业控制语言）

虚拟机器 M5 ，具有 L5 机器语言（应用语言）

1.4.3 1.4.3 电子计算机的分类电子计算机的分类• 从电子计算机的内部实现来分从电子计算机的内部实现来分

模拟式电子计算机，数字式电子计算机模拟式电子计算机，数字式电子计算机• 从电子计算机的性能来分从电子计算机的性能来分

微型电子计算机，小型电子计算机，中型电子微型电子计算机，小型电子计算机，中型电子计算机，大型电子计算机，超级电子计算机计算机，大型电子计算机，超级电子计算机

• 从电子计算机的用途来分从电子计算机的用途来分个人电子计算机，工业控制电子计算机，军用个人电子计算机，工业控制电子计算机，军用

电子计算机，嵌入式电子计算机电子计算机，嵌入式电子计算机• 按设计目的：专用、通用电子计算机按设计目的：专用、通用电子计算机

1.4.4 1.4.4 电子计算机的性能评价电子计算机的性能评价• 基本字长基本字长• 主存容量主存容量主存容量主存容量 == 存储单元数存储单元数 ** 字长字长

• 运算速度运算速度– 基本法基本法– 吉普森法（吉普森法（ GibsonGibson ））

n

1i

i iM tfT

1.4.4 1.4.4 电子计算机的性能评价电子计算机的性能评价– MIPSMIPS （（ Million Instruction Per Million Instruction Per

SecondSecond ））– CPICPI （（ Cycle Per InstructionCycle Per Instruction ））– FPOPSFPOPS （（ Floating Point Operation Per Floating Point Operation Per

SecondSecond ））

1.5 1.5 电子计算机的特点及应用电子计算机的特点及应用

1.5.1 1.5.1 电子计算机的特点电子计算机的特点• 自动连续地高速运算自动连续地高速运算• 运算速度快运算速度快• 具有记忆能力和逻辑判断能力具有记忆能力和逻辑判断能力• 运算精度高运算精度高• 通用性强通用性强

1.5.2 1.5.2 计算机的应用计算机的应用• 科学计算和数据处理科学计算和数据处理• 工业控制和实时控制工业控制和实时控制• 网络技术的应用网络技术的应用

– 电子商务电子商务– 网络教育网络教育

• 虚拟现实虚拟现实– 飞行员的方针虚拟现实系统飞行员的方针虚拟现实系统

1.5.2 1.5.2 计算机的应用计算机的应用• CAD/CAM/CIMSCAD/CAM/CIMS CADCAD （（ Computer Aided DesignComputer Aided Design ））按设计任务书按设计任务书

的要求，可进行各种设计方案的比较，确定产品的要求，可进行各种设计方案的比较，确定产品结构、外形尺寸、材料选择、模拟组装；再对模结构、外形尺寸、材料选择、模拟组装；再对模拟整机进行各种性能测试，包括强度分析、振动拟整机进行各种性能测试，包括强度分析、振动分析、运动状态分析等；并任意修正，最后从性分析、运动状态分析等；并任意修正，最后从性能的先进性、经济的合理性、加工的可行性等方能的先进性、经济的合理性、加工的可行性等方面进行论证，获得最终的设计产品，大大降低了面进行论证，获得最终的设计产品，大大降低了产品设计的成本，缩短了产品的设计周期，最大产品设计的成本，缩短了产品的设计周期，最大限度地降低了产品设计的风险。因此，限度地降低了产品设计的风险。因此， CADCAD技技术已被各种制造业广泛应用。术已被各种制造业广泛应用。

1.5.2 1.5.2 计算机的应用计算机的应用

CAMCAM （（ Computer Aided ManufacturinComputer Aided Manufacturingg ）是以数控机床为主体，利用存有全部）是以数控机床为主体，利用存有全部加工资料的的数据库，如刀具、夹具和各加工资料的的数据库，如刀具、夹具和各种零件的加工程序，以及在加工过程中的种零件的加工程序，以及在加工过程中的自动换刀及加工数据的控制。目前人们已自动换刀及加工数据的控制。目前人们已经将数控、物料流控制及存储、机器人、经将数控、物料流控制及存储、机器人、柔性制造、生产过程仿真等计算机相关控柔性制造、生产过程仿真等计算机相关控制技术统称为计算机辅助制造。制技术统称为计算机辅助制造。

1.5.2 1.5.2 计算机的应用计算机的应用 CIMSCIMS（（ Computer Integrated Manufacturing SyComputer Integrated Manufacturing Sy

stemsstems ））是信息技术和现代管理技术改造传统制造是信息技术和现代管理技术改造传统制造业、加强新兴制造业、提高企业市场竞争能力的一业、加强新兴制造业、提高企业市场竞争能力的一种生产模式。具体而言，以企业选定的产品为龙头，种生产模式。具体而言，以企业选定的产品为龙头，在产品设计过程、管理决策过程、加工制造过程、在产品设计过程、管理决策过程、加工制造过程、产品质量管理和控制等过程中，采用计算机辅助技产品质量管理和控制等过程中，采用计算机辅助技术和先进的科学管理方法，在计算机网络和数据库术和先进的科学管理方法，在计算机网络和数据库的支持下，实现系统集成，进而使企业优化运行，的支持下，实现系统集成，进而使企业优化运行，达到产品上市快，质量好，成本低、服务好的目的，达到产品上市快，质量好，成本低、服务好的目的，以此提高产品的市场占有率和企业的市场竞争能力。以此提高产品的市场占有率和企业的市场竞争能力。

1.5.2 1.5.2 计算机的应用计算机的应用• 多媒体技术多媒体技术• 人工智能人工智能