计算机组成原理 The Principle of Computer

1

计算机组成原理The Principle of Computer

主讲陈付龙主讲陈付龙

西北工业大学计算机学院

（ 2007 年 9 月）

计算机组成原理西北工业大学计算机学院 2

1.1 计算机的发展历史1.2 计算机系统的硬件组成1.3 计算机系统的软件组成1.4 计算机系统的组织结构1.5 计算机的特点和性能指标1.6 计算机的分类与应用

第 1章概论

3

1.1 计算机的发展历史


1.1.1 古代计算机

结绳记事

算盘 : 中国算盘的发明时间已经提前到二千多年前的西周时期。陕西岐山县西周宫室遗址中出土的 90 粒青黄两色陶丸，青色 20 粒，黄色 70 粒。

秘鲁印加人的结绳记事

陕西岐山县西周宫室遗址出土的陶丸老式算盘


1.1.2 近代计算机

1812 年差分机

查尔斯 · 巴贝奇 1834 年设计的分析机

由许多轮子组成的保存数据的存储库；运算装置；能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。

由许多轮子组成的保存数据的存储库；运算装置；能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。


•建立图灵机（ Turing machine ）模型，奠定了可计算理论的基础；

•提出图灵测试，阐述了机器智能的概念

英国科学家艾兰 · 图灵

在 1936 年发表的有关“理想计算机”论文中，第一次提出了一种计算机的抽象模型，该计算机模型现在被大家称作为“图灵机”。


1.1.3 现代计算机

Electronic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机

1946 年 2 月由宾州大学研制成功的 ENIAC（ 1955 年退役）电子计算机时代的到来

1946 年 2 月由宾州大学研制成功的 ENIAC（ 1955 年退役）电子计算机时代的到来

重达 30 吨占地 250m2

启动工耗 150KW

18000 个电子管保存 80 个字节5000 次加法 / 秒10 进制运算用手工搬动开关和拔插电缆来编程

重达 30 吨占地 250m2

启动工耗 150KW

18000 个电子管保存 80 个字节5000 次加法 / 秒10 进制运算用手工搬动开关和拔插电缆来编程

物理学家 John Mauchly 和工程师 J.P.Eckert 为第二次世界大战中精确快速地计算弹道的轨迹问题而研制


硬件发展阶段时代年份器件

一 1946—1959 电子管

二 1959—1964 晶体管

三 1964—1975 中、小规模集成电路

四 1975—1990 超、大规模集成电路

五 1990— 现在超级规模集成电路


电子管时代（ 1946—1959 ）

基本逻辑单元：电子管（真空管）主存储器：延迟线、磁鼓数据表示：定点体积庞大，非常耗电，速度慢代表机器：冯·诺依曼的 IAS（ 1946 ）UNIVAC公司的 UNIVAC-I（ 1951 ）IBM公司的 IBM701 （ 1953 ）、 IBM704 （ 1956 ）我国的 103 机、 104 机、 119 机


ENIACENIAC


UNIVAC


晶体管时代（ 1959—1964 ）

基本逻辑元件：晶体管主存储器：磁芯数据表示：浮点体积小，功耗低，速度快，可靠性高代表机器：IBM公司的 IBM7090 （ 1959 年）、 IBM7094（ 1962 年）我国的 DJS-5 （ 1965 年）、 DJS-121 、 DJS-108等


中、小规模集成电路时代（ 1964—1975 ）

基本逻辑元件：集成电路主存储器：半导体存储器代表机器IBM公司的 IBM360 （ 1964 ）CDC公司的 CDC6600 （ 1964 ）DEC公司的 PDP-8我国的 150 机（ 1973 ）、 DJS-130 （ 1974 ）、220JI 6 （ 1973-1981 ）， 182 机（ 1976 ）


IBM System／ 360


DEC PDP-8


超、大规模集成电路时代（ 1975—1990 ）

基本逻辑单元： LSI， VLSI主存储器：半导体存储器代表机器：巨型机：美国的 Cray-I，我国的银河 -I, 银河 -II微型机： Intel公司的 Intel 8080 、 Intel 8086,Apple公司的 Apple II,IBM公司的 IBM-PC/XT单片机： Fairchild公司的 F8 ， Intel公司的MCS-4 系列、 MCS-48 系列、 MCS-51 系列、 MCS-96 系列


IBM PCIBM PC 系列机系列机

8088CPU

IBM PC 机

IBM PC/AT 机

IBM PC/XT 机


Apple-II


银河亿次巨型计算机


银河 -II十亿次巨型计算机


超级规模集成电路时代（ 1990— 现在）

基本逻辑单元：极大、甚大规模集成电路（ ULSI， ELSI）代表机器：IBM公司的 RS/6000 SP2我国的银河 -III、银河 -IV、曙光 4000A（ 2004 年全球前 10 ）、中国科学院的“龙芯”、西北工业大学航空微电子中心的“龙腾”Intel公司的 Pentium IV、 Itanium II


曙光 4000A浮点峰值达到 11万亿次，存储容量达到 42T

B


Pentium 4

Intel 公司的微处理器


西北工业大学航空微电子中心龙腾 (Long Tium)


超级计算机计算机可不仅仅是放在我们桌子上或者大腿上的样子；我们天天讨论的各种硬件，甚至是发烧级的硬件在某些时候看来仅仅就是不入流的小儿科。普通的计算机就已经让我们的生活发生了很大的变化，其实在我们生活的背后还有一些更为强大的超级计算机，默默的让我们的生活发生着更为巨大的变化。在这里先跟大家解释一个名词： Teraflop ，万亿次浮点计算。在超级计算领域，浮点计算 (flop) 是一个缩写，其完整的含意为“每秒浮点计算次数” (FLoating point Operations Per Second)，是一种计算机执行浮点计算能力的衡量标准。万亿次计算即为每秒一万亿次浮点计算。


目前世界速度最快的 10台计算机 (www.top500.org)-2007.6

排名地址制造商计算机国家年处理器性能

1 DOE/NNSA/LLNL IBMeServer Blue Gene Solution US 2005 131072 280600

2 Oak Ridge National LaboratoryCray Inc. Cray XT4/XT3 US 2006 23016 101700

3NNSA/Sandia National Laboratories

Cray Inc.

Sandia/ Cray Red Storm, Opteron 2.4 GHz dual core US 2006 26544 101400

4IBM Thomas J. Watson Research Center IBM

eServer Blue Gene Solution US 2005 40960 91290

5Stony Brook/BNL, New York Center for Computional Sciences IBM


6 DOE/NNSA/LLNL IBMeServer pSeries p5 575 1.9 GHz US 2006 12208 75760

7

Rensselaer Polytechnic Institute, Computional Center for Nanotechnology Innovations IBM


8 NCSA DellPowerEdge 1955, 2.33 GHz, Infiniband US 2007 9600 62680

9Barcelona Supercomputing Center IBM

BladeCenter JS21 Cluster, PPC 970, 2.3 GHz, Myrinet Spain 2006 10240 62630

10 Leibniz Rechenzentrum SGI Altix 4700 1.6 GHz Germany 2007 9728 56520


排名第一的美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室的蓝色基因/L是用于核武器研发的，是 IBM公司、利弗莫尔实验室和美国能源部联合制作完成的超级计算机，它由 131072颗处理器组成，运算速度达到每秒 280.6 teraflop (TFlops)，也就是 280.6乘 10 的 12 次方（ 280万亿）次浮点运算。这个数字的概念相当于如果地球上 66亿人每人拿一个计算器，每五秒钟作一次简单计算，那么整个星球上的人花 60 小时所做的计算相当于蓝色基因 /L一秒钟做的。


最近， Blue Gene/L 因为执行一项与半个老鼠大脑一样复杂的脑皮层模拟而被进一步关注，半个老鼠大脑拥有800万神经元细胞，每一个细胞与其他神经纤维之间有8000个链接。除此之外， Blue Gene/L 通常用来模拟包括蛋白质在内的生物化学过程。


第三名红色风暴（ Red Storm ） - Opteron 2.4GHz双核处理器（ Gray公司 /26544颗AMD Opteron核心）部署于美国桑地亚国家实验室 ,是 Cray 公司和圣地亚国家实验室联合设计的并行处理超级计算机，其主要应用是模拟测试核武器的储备情况，包括设计替换的成分、模拟测试在不同环境下各个部分的情况、帮助武器工程师和科学家进行辅助计算等等。


Red Storm 由 12960 台配备 AMD 皓龙（ Opteron ）处理器的节点组成，峰值运算速度能够达到 124.42 万亿次浮点计算。这台超级计算机仅仅使用了一套小型的 Linux 操作系统，只具有一些能够支持 Red Storm 应用的功能。


全球 500强中中国的计算机（ 13台）排名地址制造商计算机国家年

处理器性能

43

Sinopec ShengLI Oilfield Branch Company, Geophysical Research Institute IBM

BladeCenter HS21 Cluster, Xeon dual core, 2.33 GHz, GigEthernet China 2007 4096 18600

87China Meteorological Administration IBM eServer pSeries 655 (1.7 GHz Power4+) China 2005 3200 10310

121Shanghai Supercomputer Center Dawning Dawning 4000A, Opteron 2.2 GHz, Myrinet China 2004 2560 8061

168 Gaming Company (B)Hewlett-Packard

Blade Cluster BL-20P, Pentium4 Xeon 3.2 GHz, GigEthernet China 2007 1950 6976











356 Digital China Ltd.Hewlett-Packard SuperDome 1.1 GHz/HyperPlex China 2007 2048 4866

428 Digital China Ltd.Hewlett-Packard SuperDome HyperPlex China 2007 2048 4424

473Chinese Academy of Science lenovo DeepComp 6800, Itanium2 1.3 GHz, QsNet China 2003 1024 4193

487 Unis Digital Co. Ltd.Hewlett-Packard

Cluster Platform 3000 BL460c, Xeon 51xx 1.6GHz, GigEthernet China 2007 984 4093


软件发展阶段

汇编语言阶段（ 20 世纪 50 年代）程序批处理阶段（ 20 世纪 60 年代）分时多用户阶段（ 20 世纪 70 年代）分布式管理阶段（ 20 世纪 80 年代）软件重用阶段（ 20 世纪 90 年代）Web服务阶段（ 21 世纪）


计算机的发展趋势







1.1.4 未来新型计算机1．光计算机光子计算机中信息传输的介质是光。电子在固体中最大

运动速度是 593公里 /秒，而光速是 30万公里 /秒。光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存

储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“ 0” 、“ 1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。

光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。


美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子计算机计算机 .. 它采用砷化镓光学开关，运算速度达它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒每秒 1010 亿次。尽管这台光子计算机与理论上亿次。尽管这台光子计算机与理论上的光子计算机还有一定距离，但已显示出强大的光子计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力。的生命力。

一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，但是所需要的条件如温度等仍较为苛刻，尚难但是所需要的条件如温度等仍较为苛刻，尚难于进入使用阶段。于进入使用阶段。

由于光学元件具有很高的速度指标，在计算机由于光学元件具有很高的速度指标，在计算机系统中大规模使用光学元件已经成为一种趋势。系统中大规模使用光学元件已经成为一种趋势。

专家指出，不出两到三年的时间，就将出现使专家指出，不出两到三年的时间，就将出现使用光学用光学 I/OI/O 设备的计算机；最终，采用设备的计算机；最终，采用光纤传光纤传导的主板导的主板将将取代取代今天的今天的铜导线主板铜导线主板。。


2．生物计算机（分子计算机）生物计算机在 20 世纪 80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片。分子计算机是以其具有分子并行计算处理的优点，分子计算机是以其具有分子并行计算处理的优点，有望成为对目前冯有望成为对目前冯 .. 诺依曼体系结构计算机的一次诺依曼体系结构计算机的一次质的飞跃。目前，对于分子计算机技术，需要解决质的飞跃。目前，对于分子计算机技术，需要解决的主要问题之一是硬件体系构造，其中包括分子介的主要问题之一是硬件体系构造，其中包括分子介质的选择等。质的选择等。

美国普林斯顿大学的研究人员新近（具体时美国普林斯顿大学的研究人员新近（具体时间自行查找）开发出一种使用ＲＮＡ（核糖间自行查找）开发出一种使用ＲＮＡ（核糖核酸）来解决计算问题的简单的生物计算机，核酸）来解决计算问题的简单的生物计算机，这是这是分子计算领域分子计算领域取得的新突破。取得的新突破。


科学家研制的科学家研制的 RNARNA 计算机实际上是一个含有计算机实际上是一个含有10241024种不同种不同 RNARNA链的试管。链的试管。

研究者指出，用分子计算来处理某些问题比传研究者指出，用分子计算来处理某些问题比传统的计算方法更为有效。统的计算方法更为有效。

将生命活动的指令进行编码的遗传分子将生命活动的指令进行编码的遗传分子 DNADNA和和 RNARNA里可储存比常规存储芯片更多的数据。里可储存比常规存储芯片更多的数据。

试管状的生物计算机中含有大量遗传物质片段，试管状的生物计算机中含有大量遗传物质片段，每一个片段就是一个微型计算工具，因此生物每一个片段就是一个微型计算工具，因此生物计算机能够同时进行数千次甚至上百万次计算。计算机能够同时进行数千次甚至上百万次计算。


3．量子计算机量子计算机是根据量子力学态叠加原理和量子相干量子计算机是根据量子力学态叠加原理和量子相干原理而设计的，能存储和处理关于量子力学变量的信息原理而设计的，能存储和处理关于量子力学变量的信息，进行量子并行高效计算。，进行量子并行高效计算。德国慕尼黑技术大学和美国哈佛大学等机构的科学家曾宣布德国慕尼黑技术大学和美国哈佛大学等机构的科学家曾宣布，他们已研制出了五量子位的核磁共振量子计算机，并成功地通，他们已研制出了五量子位的核磁共振量子计算机，并成功地通过试验计算。过试验计算。

传统计算机用电位的高低表示０和１，进行二进制运算；而量子传统计算机用电位的高低表示０和１，进行二进制运算；而量子计算机则基于“量子位”。二进制位只能用“计算机则基于“量子位”。二进制位只能用“ 0”0” 和“和“ 1”1”两个状两个状态表示信息，目前传统半导体制造技术已经接近发展极限，而态表示信息，目前传统半导体制造技术已经接近发展极限，而“量子位”可用粒子的量子力学状态来表示信息。“量子位”可用粒子的量子力学状态来表示信息。

由于由于量子世界的不确定性量子世界的不确定性，“量子位”可以包含所有可能数值，“量子位”可以包含所有可能数值的不确定状态。因此，量子计算机可以实现电子计算机无法进行的不确定状态。因此，量子计算机可以实现电子计算机无法进行的复杂计算。的复杂计算。


Isaac L. ChuangIsaac L. Chuang 是研究小组领导人，领导着是研究小组领导人，领导着来自来自 IBMIBM 研究院、斯坦福大学以及研究院、斯坦福大学以及 CalgaryCalgary 大大学的科学家，他说：“预计学的科学家，他说：“预计 20202020年将是量子年将是量子计算机的时代，计算机的时代，摩尔定律摩尔定律不再实用，集成电路不再实用，集成电路将由分子和原子直接构成。事实上，构成量子将由分子和原子直接构成。事实上，构成量子计算机的基本元素就是分子和原子。”计算机的基本元素就是分子和原子。”


Mainframe computing:many persons-one computerDesktop computing:one person-one computerPervasive computing:one person-many computers



Pervasive computingPervasive computingUbiquitous ComputingUbiquitous ComputingUniversality ComputingUniversality ComputingMark Weiser (Scientific American ,1991):It is the fusion of the physical world we are living in and the virtual world in the information space,where we can acquire all kinds of digital services transparently anytime and anywhere.


Physical space:Car, house,road,

ship,phone,clothes,home appliance,

TV,etc.

Information space:Internet,PDA,

sensor,computer,data,etc.

Binding orSpontaneous

interacting

computing

storage

search

control

management

browse

fusion


Sensor Module

Sensor/Actuator ModelSensor/Actuator Model Sensor ModuleSensor Module Fusion ModuleFusion Module Actuator ModuleActuator Module

s1

s2

sm

Fusion Module

a1

a2

an

Actuator ModuleInternet

50

1.2 计算机系统的硬件组成


计算机硬件组成计算机硬件组成

主机外设

输入设备输入设备

输出设备输出设备

外存设备外存设备

网络设备网络设备

计算机硬件包括主机和外设计算机硬件包括主机和外设


冯 .诺依曼 (Von Neumenn) 计算机现代型计算机的先驱—现代型计算机的先驱—冯 .诺依曼于 20 世纪 40 年代末研制了 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 计算机。

提出了“程序存储和程序控制”的概念。

冯 .诺依曼计算机结构特点：(1) 计算机有运算器，控制器，存储器，输入器和输出器五个部分；(2) 程序和数据存于统一编制的存储器中；(3)采用二进制码运算。

美籍匈牙利数学家冯·诺依曼


第一台 von Neumann 系统结构的计算机


存储器

内存储器

输出输入运算器

控制器

数据线路控制信号

典型冯 .诺依曼计算机结构

外存储器

(1) 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。


(2)采用存储程序方式这是冯 ·诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程

序 (包含指令和数据 ) 存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。　　冯 ·诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流 ( 指令流 )驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令，然后根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程序 ( 指令 ) 计数器 PC(Program Counter) ，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后 PC内容加 l ，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移的目标地址送入 PC ，以便按新地址读取后继指令。所以， PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照 PC 的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区的不同区域内。


(3)采用二进制形式表示数据和指令

　　在存储程序的计算机中，数据和指令都是以二进制形式存储在存储器中的。从存储器存储的内容来看两者并无区别．都是由 0 和 1 组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。计算机在读取指令时，把从计算机读到的信息看作是指令；而在读取数据时，把从计算机读到的信息看作是操作数。数据和指令在软件编制中就已加以区分，所以正常情况下两者不会产生混乱。有时我们也把存储在存储器中的数据和指令统称为数据，因为程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。


对照一下人进行某项运算时的情况对照一下人进行某项运算时的情况

输入设备主存储器辅助存储器

输出设备运算器

控制器

输入输出程序( 事先编写 )

原始数据

运算结果

　　　　大　脑

（控制器）

· 控制· 计算、判断（运算器）

· 记忆细胞（内部存储器）

眼、耳等手、口等

笔记本、手册等

解题方法( 事先学习）题目

提供答案

输入输出

输入设备输出设备

外部存储器


处理器处理器

处理器

控制器运算器

控制整个计算机所有部件的工作

执行算术运算和逻辑运算


运算器运算器（ A ）主要功能：对二进制数码进行算术（ +-*/ ）和逻辑（与或非）运算（ B ）组成：（ a ） ALU （ Arithmetic Logic Unit ）：核心为并行加法器（ b ）通用寄存器组（ c ）多路开关或数据锁存器：控制数据输入（ d ）输出移位开关：控制数据输出（ e ）与其他部件间信息传送的总线及控制数据传送的接收器和发送器（ c ）精度和速度是运算器重要的性能指标。


运算器基本逻辑框图

发送器

输出移位开关

接收器

ALU

多路开关多路开关

通用寄存器

总线


控制器控制器

（ A ）功能：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，重复上述过程直到整个程序执行完毕。

（ B ）组成：

（ a ）指令部件

IR 、 PC 、 PSW 、地址形成部件等

（ b ）时序部件

（ c ）微操作控制线路

（ d ）中断控制逻辑


存放程序和数据

主存储器主存储器

大容量存储器大容量存储器

存储器存储器

存储器存储器是计算机存储数据和程序数据和程序的记忆单元集合每个记忆单元由 8位二进制位组成。可读写其中的数据。存储器存储器是计算机存储数据和程序数据和程序的记忆单元集合每个记忆单元由 8位二进制位组成。可读写其中的数据。

1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

字节 Byte

7 6 5 4 3 2 1 0

位（ Bit ）


存储器（ A ）基本功能：读和写（ a ）对象：数据和指令（ b ）单元：存储单元—地址（ B ）分类：（ a ）内存（主存）（ b ）外存（辅存）（ C ）主存的组成（ a ）存储体（ b ）存储器地址寄存器 MAR （ Memory Address Register)

（ c ）存储器数据寄存器 MDR （ Memory Data Register)

（ d ）读写控制线路


存储器存储器的访问过程的访问过程

1110110111001101

10001101111011011110100111101101

1110110111101101

1110110111101101

11101101111011011000110111001101

1000110111101101

0000000000010001001000100011001101000100010101010110011001110111

1000100010011001101010101011101111001100110111011110111011111111

地址 0001地址 0001

控制控制 ::写写控制控制 ::写写

数据数据10000000

10000000

存储器的访问过程：向存储器的访问过程：向 [0001][0001] 单元写数据单元写数据


键盘键盘

扫描仪扫描仪

手写笔手写笔数码相机数码相机

摄像头摄像头

输入设备输入设备输入设备能将数据和程序变换成计算机内部所能识别和接受的信息方式，并顺序地把它们送入存储器中。


显示器显示器

打印机打印机

投影仪投影仪

音箱音箱

输出设备输出设备输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。


通常，在计算机中采用总线方式连接各大部件

计算机各部件间需要大量而高速地交换信息，才能实现总体功能。例如：

　　　　　　 · CPU从存储器读取指令、数据，经过运算以后又将结果存入存储器　　　　　　 · CPU 与 I/O 设备交换数据；　　　　　　 · CPU从接口中读取设备的状态信息，以了解设备工作的现状；　　　　　　 · CPU向接口输出命令启动和控制设备工作；　　　　　　等等


地址总线 AB输出将要访问的内存单元或 I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围

数据总线 DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往 CPU CPU写操作时， CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数

控制总线 CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等


现代计算机的基本组件：• 中央处理器（ CPU)

集成了运算器和控制器• 输入设备和输出设备（ I/O 设备 )

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等

输出设备：显示器、打印机、扬声器等• 存储器

内部存储器： ROM 、 RAM(SRAM 、 DRAM)

外部存储器：硬盘驱动器、软盘驱动器、 CD-ROM

DVD-ROM/RAM 、磁带机等


组成 :CPU 、存储器 (ROM 、 RAM) 、 I/O接口、系统总线 CPU:即 µP. 计算机心脏存储器： ROM+RAM（主机内称内存），硬盘 +软盘 +光

盘 +U盘（主机外称外存或辅存）。主板

I/O 接口： CPU与外设联系的桥梁，包括显卡、声卡、网卡等

系统总线：向存储器和 I/O口提供地址数据和控制信息的公共通道。 DB：数据总线 (data bus)+AB：地址总线 (address bus)+CB：控制总线 (address bus)

外部设备输入设备：键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，麦克风输出设备：显示器，打印机，音箱（耳机），投影仪

微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 ((基本硬件配件基本硬件配件 ))

微型计算机系统基本结构微型计算机系统基本结构微型计算机系统 =微型计算机 +I/O总线 +外设 +系统软件


AB(address bus)

DB(data bus)

CB(control bus)

CPU

(µP)

ROMRAM

CACHEI/O端口外设

I/O bus

微型机计算机结构

微型机计算机系统结构

系统

软件µC

µCS


非诺依曼化非诺依曼化传统的冯传统的冯 ··诺依曼型计算机从本质上讲是采取串诺依曼型计算机从本质上讲是采取串

行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。而提高计算机性好，也必须逐条执行指令序列。而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。因此，近年来人能的根本方向之一是并行处理。因此，近年来人们谋求突破传统冯们谋求突破传统冯 ··诺依曼体制的束缚，这种努诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。努力。


（（ 11 ）在冯）在冯 ··诺依曼体制范畴内，对传统冯诺依曼体制范畴内，对传统冯 ··诺依曼机进诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构；标准结构；

（（ 22 ）用多个冯）用多个冯 ··诺依曼机组成多机系统，支持并行算法诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃；结构。这方面的研究目前比较活跃；

（（ 33 ）从根本上改变冯）从根本上改变冯 ··诺依曼机的控制流驱动方式。例诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。控制的复杂性，仍处于实验探索之中。


1.3 计算机系统的软件组成

软件（ Software ）：是指能使计算机工作的程序和程序运行

时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。

程序 +数据 + 文档包括系统软件和应用软件


系统软件系统软件是指管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）的软

件。（ A）操作系统 DOS、WINDOWS、UNIX、 LINUX、 XENIX 通常，操作系统具有五个方面的功能：存储管理、处理机管理、

设备管理、文件管理和作业管理。（B）语言处理程序

机器语言、汇编语言和高级语言（编译、解释）三类。（ C ）数据库管理系统数据库和管理数据库的软件构成数据库管理系统。（D）分布式软件系统（ E）网络软件系统（ F）服务程序


应用软件

为解决应用领域中的问题而设计的软件科学计算类软件工程设计类软件数据统计和处理软件情报检索软件企业管理软件生成过程控制软件…

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1.4 计算机系统的组织结构


1.4.1软件与硬件的关系软件与硬件的逻辑等价 1 、含义：（ 1 ）任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件

来实现（ 2 ）任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成 2 、固件（ Firmware ）：固件是一种界于传统的软件和硬件之间的实体，功能上类似软件，但形态上又是硬件。微程序是计算机硬件和软件相结合的重要形式。


相互关系相互关系应用程序

操作系统

系统结构

实现

指令系统组成

编译


计算机系统的组成计算机系统的组成

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：显示器、打印机外存：软、硬盘、光盘、闪存网络设备：网卡、调制解调器等

计算机系统

软件

外部设备

系统软件

应用软件

硬件

运算器寄存器控制器

主机

内存

CPU

随机存储器 (RAM)

只读存储器 (ROM)

高速缓冲存储器

操作系统：Windows、 Unix、 Linux语言处理程序： C 、 Pascal 、 VB等

实用程序：诊断程序、排错程序等办公软件包

数据库管理系统


1.4.2 计算机系统的多级层次结构虚拟机概念虚拟机（ Virtual Machine)是一个由软件实现的抽象计算机。

虚拟机层次结构：从不同软件（语言）角度获得不同层次的虚拟机。分层的优点正确地理解计算机系统的工作，明确软件、硬件和固件在计算机系统中的地位和作用。理解各种语言的实质及其实现。探索虚拟机新的实现方法，设计新的计算机系统。

引入虚拟机意义：有利于用户掌握使用计算机有利于新计算机体系的设计


应用语言级（虚拟机）

高级语言级（虚拟机）

汇编语言级（虚拟机）

操作系统级（虚拟机）

机器言级（虚拟机）

微程序级（虚拟机）

硬连线逻辑（实际机）第 0 级

第 1 级

第 2 级

第 3 级

第 4 级

第 5 级

第 6 级

应用程序

编译程序

汇编程序

操作系统

微程序

硬连线逻辑

计算机系统层次结构


1.4.3 计算机硬件系统的组织

通过总线和通道将计算机各个组成部件连接，实现相互通信、协作。总线（ Bus ）就是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。通道是一种类具有处理机功能的专门用来管理I/O 操作的控制部件。


总线的分类（ 1 ）按照传送信息的属性来分：数据总线（ DB： Data Bus）——用于在各部件之间传送数据信息。地址总线（ AB： Address Bus）——用于传送各部件相互访问用的地址信息。

控制总线（ CB： Control Bus）——用于传送控制各部件操作的控制信息。

（ 2 ）按信息传送的方向区分：单向总线和双向总线。（ 3 ）按连接对象和完成的功能分： ● CPU内部总线：连接 CPU内部部件

●部件内总线●系统总线：连接 CPU、主存、 I/O设备，其中存储总线用于 CPU

与主存储器的信息交换， I/O总线用于外设与主机的信息交换。●外总线：计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信总线


总线结构1 、单总线结构这种结构把各功能部件都连接在单总线（ Single Bus）上，所有部件间的信息交换都经由单总线进行。

（ 1 ）Unified-Bus：一元化总线： PDP-11（ 2 ） Single-Bus：单总线： IBM-PC2 、双总线结构（ 1 ）两种总线：

存储总线——用于 CPU与主存储器的信息交换，I/O总线——用于外设与主机的信息交换。

（ 2 ）三种形式：（ A）以 CPU为中心的双总线结构（ B）以存储器为中心的双总线结构（ C ）采用通道或输入输出处理机 IOP 来处理输入输出工作的双总线结构。3、多总线结构在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问（DMA：Direct Memory Acc

ess）方式的高速 I/O总线（DMA总线），从而形成多总线结构。


单总线

外设存储器CPU

单总线的组成结构（ a ）以 CPU 为中心

存储总线

I/O总线

外设存储器

CPU

（ c ）采用通道形式

（ b ）以存储器为中心

存储总线

I/O总线

I/O总线

外设

存储器

CPU

存储总线

外设外设

CPU

双总线的组成结构

存储器通道

存储总线

DMA总线

I/O总线

存储器

CPU

多总线的组成结构

外设外设


计算机的指令系统操作码操作数

数据传送指令数据处理指令•程序控制指令输入输出指令其它指令

If Goto……If Goto……

＋－ ×÷ And Or……＋－ ×÷ And Or……

CPUCPU内存内存

I/O 设备I/O 设备主机主机

对计算机的硬件进行管理等对计算机的硬件进行管理等

指令指令

1.4.4 1.4.4 计算机系统的工作原理计算机系统的工作原理


（ 1 ）程序的执行：（ A）编写程序（ B）翻译成机器指令（ C ）将程序和数据写入存储器（ D）将第一条指令地址放入 PC （ E）执行所有指令（ F）结束


（ 2 ）指令的执行：三个阶段：取指令、分析指令、执行指令（ A）开始时，将第一条指令地址→ PC （ B）（ PC ）→MAR，发“读”命令，使（MDR）→ IR （ C ）翻译 IR的操作性质（ D）取操作数（ E）将操作数运算器，运行之（ F）送结果（ a） REG （ b）内存（ G）（ PC ） +1→PC


起始地址

内存储器

（2）

（3）

（1）

（4）

（1）

内存储器

程序计数器 PC

指令寄存器

自动加 1

操作码 07

地址码 0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

地址内容

… ……

0100 070270

0101

… ……

0270 数据

程序区

数据区

控制器

运算器

（2）

（3）

（1）

（4）

（1）

内存储器

程序计数器 PC

0100

指令寄存器

自动加 1

操作码 07

地址码 0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

地址内容

… ……

0100 070270

0101

… ……

0270 数据

程序区

数据区

控制器

运算器


1 、 CPU 能自动做一些基本的动作 ( 加、除、传送、跳转等 ) ，称为指令

2 、计算机从电源开启开始， CPU就一直重复“取指令，执行指令”的过程，直至电源关闭


1.4.5 系列机与兼容性

1 、系列机：一组计算机若是属同一个系统结构，但

在性能上由低档到高档形成一个系列，就组成一个计算机系列（ family）。这一系列计算机（系列机）中的每个机型都具有：相同的基本指令系统，相同的数据结构，相同的基本输入输出操作，支持相同的基本系统软件等。


2 、兼容性：（ 1 ）软件兼容是指一个软件不经修改就能在不同

机型上正确运行。（ 2 ）软件兼容存在以下两种情况：软件的向上兼容性——这是指某档机原开发的软件可以不加修改便能在它的高档机上正确运行使用。

软件的向下兼容性——这是指某档机的软件可以不加修改便能在它的低档机上正确运行使用。在这种情况下，软件向上兼容是不成问题的。

（ 3 ）兼容（ Compatible ）是一个广泛的概念，包括软件兼容、硬件兼容、系统兼容等等。

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1.5 计算机的特点和性能指标


特点

能自动连续工作运算速度快运算精度高存储能力和逻辑判断能力强通用性强


性能指标主频——主频很大程度上决定了计算机的运行速度，它的单位是兆赫兹（MHz）。

字长——字长决定了计算机的运算精度、指令字长度、存储单元长度等，可以是 8/16/32/64位。

运算速度——（ 1 ）早期方法是每秒执行加法指令的次数，（ 2 ）现在通常用等效速度。等效速度由各种指令平均执行时间

以及对应的执令运行比例计算得出，即用加权平均法求得。它的单位是每秒百万指令（MIPS）。

对比：MFLOPS（ 3 ）还有利用所谓“标准程序”在不同的机器上运行所得到的实测速度。

存储容量——字数 *字长 1024 （ 210 ）简称为 1K（千）， 1024K（ 220 ）为 1M

（兆）， 1024M（ 230 ）为 1G（千兆）。


可靠性可靠性——常用平均无故障时间（——常用平均无故障时间（ MTBFMTBF ）衡量。）衡量。 MTBF—Mean Time Between FaluresMTBF—Mean Time Between Falures 平均无故障时间是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。平均无故障时间是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设假设表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，则率，则 MTBF=1/MTBF=1/ 。例如。例如 =0.02%/h=0.02%/h ，则，则

MTBF=1/MTBF=1/=5000h=5000h 可维护性可维护性——可用平均修复时间（——可用平均修复时间（ MTRFMTRF ）表示，它是指从故）表示，它是指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。障发生到机器修复平均所需要的时间。

MTBR—Mean Time Between RepairsMTBR—Mean Time Between Repairs （字典缩略）（字典缩略） MTTR—Mean Time To RepairMTTR—Mean Time To Repair （微软计算机辞典）（微软计算机辞典）可用性可用性——是指计算机的使用效率。——是指计算机的使用效率。

A=MTBF/(MTBF+MTRF)A=MTBF/(MTBF+MTRF) 可靠性可靠性 RR 、可维护性、可维护性 SS 和可用性和可用性 AA ，称为，称为 RASRAS技术。技术。兼容性兼容性——兼容是广泛的概念，是指设备或程序可以用于多种——兼容是广泛的概念，是指设备或程序可以用于多种

系统中的性能。系统中的性能。


衡量计算机性能主主要标准

时间响应时间

CPU 时间用户 CPU 时间系统 CPU 时间

(访磁盘时间 )

(访主存时间 )

(I/O 时间及其他时间 )

衡量计算机系统性能最为可靠的尺度是时间，而时间又可以有多种定义。见下表：

衡量 CPU性能主要使用用户 CPU时间。


CPU 性能

用户 CPU 时间取决于三个特征：时钟周期 TC(或速率 )，每条指令所需时钟周期数 CPI 以及程序中总的指令数 IN

。

TCPU=IN×CPI×TC

其中 CPI=执行整个程序所需 CPU 时钟周期数 / 程序中指令总数


MIPS 和 MFLOPS 除了时间评估标准外， MIPS 和 MFLOPS也是常用的性能评估标准， MIPS是每秒百万次指令 , 对于给定的一个程序， MIPS可表示成：

Rc 表示时钟速率，它是 Tc 的倒数。至此我们知道系统性能还可以用速率表示

。 MFLOPS即每秒百万次浮点运算。

要注意的是MIPS只适宜于评估标量机，不能用于评估向量机。而 MFLOPS则比较适用于衡量向量机的性能。为了正确反映计算机的性能，每一种浮点操作要乘以一个正则化的值然后再求MFLOPS 的值。

666 101010

CPI

R

TCPII

I

T

IMIPS c

N

N

E

N

610

Te执行时间程序中的浮点操作次数

MFLOPS

101

1.6 计算机的分类和应用


按处理信息形式分类模拟计算机它以模拟量（如电流、电压等）为处理对象，处理方式采用模拟方式。

数字计算机它以数字化信息为处理对象，通常的计算机即为此种计算机。

数字模拟混合计算机是把模拟技术和数字技术结合起来的混合式电子计算机，它吸取了模拟计算机和数字计算机两者的优点。目前正处于探索阶段的新一代计算机——神经网络计算机即属此类。


按处理器机器字长分类4位机： Intel 40048位机： Intel 8008 ， Intel 8080 ， Zilog的 Z80 ，Motorola的 6800 16位机： Intel 8086～ 80286 ， Zilog的Z800 ，Motorola的MC68000 32位机： Zilog的 Z8000 ，Motorola的MC68020 ； Intel 80386～ 486 ， Pentium 系列 64位机： Intel 的 Itanium…


按应用范围分类

专用计算机专用机是最有效、最经济、最快速的计算机，但它的功能单一、适应性较差；通用计算机通用机功能齐全，适应性较强，但其效率、速度和经济性相对讲要低些。一般使用的计算机都是通用计算机。


按计算机规模分类超级计算机超级计算机————用于科学计算领域，用于科学计算领域， Gray-1Gray-1 ，银河机，银河机

速度最快、处理能力最强，例如：曙光 4000L 644GB内存，浮点运算达每秒 3万亿次

大型计算机大型计算机————多用户的通用计算机，多用户的通用计算机，较快、较强作“客户机 / 服务器”的服务器，作“终端 /主机”的主机

小型计算机小型计算机————体积小、成本低，通用性强、体积小、成本低，通用性强、规模小，结构简单，设计试制周期短、工艺先进、使用维护简单

工作站工作站————高分辨率、大容量内外存，图形功能较介于 PC 与小型机之间

微型计算机（微型计算机（ PCPC 机）机）————成本低、应用广成本低、应用广小、巧、轻、使用方便、价格便宜，中央处理器：一个芯片

嵌入式计算机嵌入式计算机成为其它设备的一部分成为其它设备的一部分

网络计算机基于 Java技术的瘦客户机系统


各种计算机各种计算机

超级巨型机

笔记本微型机

大、中、小型机

手持式


计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域

1. 1. 工商：电子商务、工商：电子商务、 CAD/CAMCAD/CAM

2. 2. 教育：多媒体教育、远程教育教育：多媒体教育、远程教育

3. 3. 医药：医药： CATCAT 、、 MRIMRI 、远程医疗、远程医疗

4. 4. 政府：电子政府政府：电子政府

5. 5. 娱乐：虚拟现实、电影特技娱乐：虚拟现实、电影特技

6. 6. 科研：数据采集、计算分析科研：数据采集、计算分析

7. 7. 家庭：家庭：家庭信息化家庭信息化

计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域

1. 1. 工商：电子商务、工商：电子商务、 CAD/CAMCAD/CAM

2. 2. 教育：多媒体教育、远程教育教育：多媒体教育、远程教育

3. 3. 医药：医药： CATCAT 、、 MRIMRI 、远程医疗、远程医疗

4. 4. 政府：电子政府政府：电子政府

5. 5. 娱乐：虚拟现实、电影特技娱乐：虚拟现实、电影特技

6. 6. 科研：数据采集、计算分析科研：数据采集、计算分析

7. 7. 家庭：家庭：家庭信息化家庭信息化


计算机的应用类型1. 科学计算：气象学、天文学、量子化学、空气动力学、核物理气象学、天文学、量子化学、空气动力学、核物理

学、图像学、模式识别、基因工程学、分子生物学、医药学学、图像学、模式识别、基因工程学、分子生物学、医药学

2. 数据处理3. 电子商务4. 过程控制5. CAD/CAM/CIMS

6. 多媒体技术 7. 虚拟现实

8. 人工智能

计算机的应用类型1. 科学计算：气象学、天文学、量子化学、空气动力学、核物理气象学、天文学、量子化学、空气动力学、核物理

学、图像学、模式识别、基因工程学、分子生物学、医药学学、图像学、模式识别、基因工程学、分子生物学、医药学

2. 数据处理3. 电子商务4. 过程控制5. CAD/CAM/CIMS

6. 多媒体技术 7. 虚拟现实

8. 人工智能

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计算机组成原理 The Principle of Computer