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计算机组成技术哈工大计算机学院硬件基础教研室徐冰2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理2讲述范围讲解单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制单台：非多机系统，非多处理机结构完整：计算机整机，全部的硬件功能部件基本：不一定是最高性能，最合理的组成,而是最基础的必要的组成部分2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理3教学内容组织•以计算机硬件知识为主：按照CPU(中央处理器)→MM(主存)→I/O(外设)的顺序，从内核向外围过渡讲述。2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理4教学环节与成绩评定1.课堂讲授：48学时，考试成绩占70分。2.教学实验：22学时，实验成绩占20分。3.课外作业：作业成绩占10分。2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理5课程特点•知识单元和知识点多，而学时数相对少•理论性系统性和工程性实践性都很强•数学推导、证明少，逻辑推理、判断多（所以既好学，又难学）2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理6（2）理论与实践紧密结合，重视上机实验（3）适当淡化内部结构原理，而强化外部接口应用（内外分界是各级总线）（4）适应课件教学（课前预习－课堂会神－课后复习－阶段小结）（1）注意抓重点：基本概念的熟悉；基本原理的理解；基本方法技能的掌握。学习方法计算机硬件技术基础第一章微型计算机系统组成及工作原理第二章微处理器和指令系统第三章汇编语言程序设计基础第四章存储器第五章I/O接口第六章总线与总线标准第七章中断与中断控制-----微机原理部分第一章微型计算机系统概论1.1微型计算机系统的概述1.2微型计算机系统的硬件结构1.3微型计算机的运算基础1.4微型计算机的基本工作原理1.5高档微机中应用的现代先进计算机技术1.6典型的微型计算机系统计算机发展的历史1946年ENIAC的诞生标志着人类进入了一个新的时代...2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理101.先驱的探索—机械式计算机第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡（B.Pascal）发明的机械计算机。帕斯卡加法器2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理111.先驱的探索—机械式计算机1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。莱布尼兹乘法器2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理121.先驱的探索—机械式计算机•1822年巴贝奇花了近10年时间，构想、研制成功了第一台差分机。•英国著名诗人拜仑的女儿爱达·拉夫拉夫斯基伯爵夫人被誉为世界第一位程序员，她的名字也与现代计算机程序设计语言Ada紧紧地联系在一起。巴贝奇的差分机与分析机2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理132.从机械到电的飞跃美国人赫尔曼·霍勒瑞斯，根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，赫尔曼·霍勒瑞斯公司名称为“计算-制表-记录公司”，即原“数据处理”公司这就是IBM的前身。赫尔曼·霍勒斯制表机ThomasWatson接手CTR公司，并将其改造为IBM2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理142.从机械到电的飞跃1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”。1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管，并在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。德弗雷斯特因发明三极管而被称为“无线电之父”。二极管、三极管的发明2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理153.技术的飞跃早在1847和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要著作《逻辑的数学分析》和《思维规律的研究》，创立了逻辑代数。逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。1939年，阿塔纳索夫提出计算机三原则；采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。1936年，24岁的英国数学家图灵发表著名论文《论可计算数及其在密码问题的应用》，提出了“理想计算机”，后人称之为“图灵机”。图灵通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图灵机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。1940年，美国科学家维纳阐述了自己对现代计算机的五点设计原则：数字式而不是模拟式；以电子元件构成并尽量减少机械装置；采用二进制而不是十进制；内部存放计算表；内部存储数据。1944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯·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，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。1938年，信息论的创始人、美国科学家仙农发表论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理16计算机的数学模型--图灵机•图灵机（英语：TuringMachine，又称确定型图灵机）是英国数学家阿兰·图灵于1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理17图灵机的艺术表示2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理18TuringMachine•图灵机解决了一个长期困扰我们的问题–什么是计算?•图灵机为实现自动计算提供了一个可以实施的数学模型.•物理上如何实现该模型?–冯.诺依曼为我们提供了另一个模型.2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理19第一台电子计算机的诞生1943年在美国费城的穆尔工程学院，约翰.莫奇莱、普里斯泊.艾克特提出了建造ENIAC的计划，并邀请了很多的数学家参加其中包括著名的数学家约翰.冯诺依曼(Von.Neumann)2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理20第一台电子计算机的诞生•1946年初在Von.Neumann等人的努力下ENIAC研制成功。•ENIAC由20,000个开关元件、重30吨、耗电150千瓦。•首次应用即参与了在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯进行的原子弹爆炸试验的计算。2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理21电子管计算机的问题•ENIAC的研制成功，奠定了一个新的时代。•但是，电子管遇到了巨大的障碍：–体积庞大，无法缩小。–会发出很多的热量，管间间距需要很大。•到了20世纪60年代，晶体管的问世促进了计算机革命性的进步。2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理22晶体管的发明人•约翰.巴丁、沃尔特.布拉顿和威廉.肖克利三人因在晶体管技术上的革命性突破,被共同授予1965年的诺贝尔物理奖。•右图是他们中的代表威廉.肖克利,以它的名字命名的“肖克利半导体公司”是当时最了不起的公司2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理23硅谷(siliconvalley)肖克利半导体公司衍生出仙童半导体公司,而仙童半导体公司又衍生出许多公司,包括Motorola、德州仪器公司、RCA等公司，这些公司与很多半导体公司都位于圣克拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里范围内，而此时所有的半导体几乎都是用硅制造的，所以这个地区被人们称为“硅谷”(siliconvalley)2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理24计算机发展历史•从晶体管技术的出现到现在，计算机走过了四个时代：–电子管时代–晶体管时代–中小规模集成电路（IntegrateCircus）时代–超大规模集成电路时代2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理25各时期计算机的比较（1）时期元器件代表机器第一代电子管第一台计算机ENIAC第一台通用电子计算机EDVAC第二代晶体管IBM公司生产的IBM-7904CDC公司生产的CDC1604第三代集成电路DEC公司研制成功的PDP-8，PDP-11，VAX-11第四代大规模集成电路Cray公司1976年推出的Cray-12020/1/14第一章微机系统组成及工作原理26各时期计算机的比较（2）时期体积重量成本耗电可靠性运算速度第一代大重高高低5000次/秒第二代几万次-几十万次/秒第三代几百万-几千万次/秒第四代小轻低低高几亿次/秒2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理27微型电子计算机的发展•第一代（1971-1972）4位的微处理器和微型电子计算机Intel40042300个晶体管2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理28•第二代（1972-1977）8位的微处理器和微型电子计算机Intel80083300个晶体管Intel80804900个晶体管M68006800个晶体管Z8010000个晶体管2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理29•第三代（1978-1983）16位的微处理器和微型电子计算机Intel808629000个晶体管M6800068000个晶体管Z800037500个晶体管2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理30•第四代（1984-1993）32位的微处理器和微型电子计算机代表机型：Intel80286Intel80386Intel80486MC680202020/1/14第一章微机系统组成及工作原理31•第五代微处理器：–1993年，Intel公司推出了微处理器Pentium（中文译名为奔腾）。–1996年Intel公司将其微处理器正式命名为PentiumPro（奔腾），PentiumPro最合适的位置是作为高性能服务器和工作站–2000年11月，Intel推出了微处理器：奔腾4（Pentium4，或简称奔4或P4），这一新的架构称做NetBurst。•第六代微处理器–酷睿（core）系列微处理器时代–早期的酷睿是基于笔记本处理器的–2010年6月，Intel再次发布革命性的处理器——第二代Corei3/i5/i7–在2012年4月24日下午北京天文馆，intel正式发布了ivybridge（IVB）处理器计算机的形态计算机在今天已经是千差万别，显现或隐藏在我们周围的很多角落，不注意你根本不能发觉，其实你一时一刻都离不开计算机…...2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理33计算机发展史及发展方向•计算机发展方向–巨型化:用于军事\科学计算–微型化:手持电脑HPC–多媒体:声,图,文,动画,音频,视频–智能化:模拟人的功能,识别声音,文字,图像,各种语言互译,使计算机具有推力联想等功能.–网络化:使世界成为一体,无种族,无货币,无国界.2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理34计算机发展史及发展方向当今的个人计算机2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理35计算机发展史及发展方向的大小与人的指甲一样大小CPU2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理36计算机发展史及发展方向多种多样的计算机产品2020/1/14第一章微机系统组成及工作原理37微处理器微处理器微型计算机系统微型计算机微处理器微处理器微型计算机微型计算机系统1.1.2微型计算机系统的三个层次微型计算机系统从局部到全局存在三个层次微处理器本身不是计算机，不能独立工作,它是微型计算机的核心部件,包括算术逻辑部件ALU,控制部件和寄存器组三个基本部分。微型计算机是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器（ROM和RAM）、输入/输出接口和系统总线组成的。它不是完整的计算系统，也不能独立工作。微型计算机系统是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工作，有实用意义。微处理器微处理器微型计算机系统微型计算机微处理器微型计