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西安工业大学计算机学院魏玉梅计算机组成原理一、课程安排授课:72学时实验及课程设计:1周二、课程内容侧重从硬件组成上阐述一台计算机的基本工作原理。三、课程特点内容多、涉及面广、易懂难学。四、课程目的通过课程学习，使同学们建立起计算机的整机概念，对计算机硬件各组成部分的工作过程及工作原理有较深入的了解，进而掌握计算机各硬件组成部分的基本设计思路及方法。五、课程学习方法掌握三个“基本”，即基本概念、基本原理及基本设计，在此基础上，融会贯通、灵活应用。六、课程地位是计算机专业的重要专业基础课程之一，起着承上启下的作用。前导课：数字电路与数字逻辑、汇编语言程序设计等。后继课：系统结构、微机接口、计算机网络等。七、教材及参考书教材：白中英，《计算机组成原理》，科学出版社。参考书：各种有关计算机组成及原理的中外书籍。第一章计算机系统概论本章内容: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第一章计算机系统概论1.1计算机的分类从总体上，可分为两类：.电子数字计算机:数据用离散量表示.电子模拟计算机:数据用连续量表示电子数字计算机又可分为：.通用机:适应各种用途的计算机。.专用机:针对某一用途的计算机。通用机又可分为：超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机及单片机。其划分可依据性能、价格、体积来进行。1.2计算机的发展简史1946年第一台计算机ENIAC诞生,它是线路连接编程的计算机。比ENIAC稍后诞生的EDVAC计算机，首次采用了存储程序的方法，其后的计算机均采用了这种方法，称为冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼计算机的主要特点：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.采用二进制表示数据和程序。3.存储程序在存储器中并按顺序执行，由指令计数器（程序计数器PC）指出要执行的指令地址。1.2.1计算机的五代变化第一代为1946—1957年，电子管计算机.数据处理机开始得到应用.第二代为1958—1964年，晶体管计算机.工业控制机开始得到应用.第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计算机.小型计算机开始出现.第四代为1972—1990年，大规模和超大规模集成电路计算机.微型计算机开始出现.第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机.单片计算机开始出现。1946年至今从器件角度讲，计算机的发展经历了5代：第一代第二代第三代第四代第五代时间1946—19551956—19631964—19711972—19861986—至今主机电子器件电子管晶体管中小规模集成电路大规模、超大规模集成电路巨大规模集成电路内存汞延迟线磁芯存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器外存储器穿孔卡片、纸带磁带磁带、磁盘磁盘、光盘等大容量存储器磁盘、光盘等大容量存储器处理速度（指令数/秒）几千条至几万条几百万条几千万条几亿条百亿条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采用磁芯存储器•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=2301.2.3微处理器的发展1971年Intel公司开发出第一个微处理器Intel4004。1972年出现第一个8位微处理器Intel8008。1974年出现了Intel8080。这是第一个通用微处理器.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。Intel于1985年推出了32位微处理器Intel80386。现在已推出64位处理器和多核处理器。1.2.4计算机体系结构的变化1.变化在冯·诺依曼计算机的结构上提高性能.2.发展趋势☞网络化☞智能化☞模块化☞微型化1.2.5计算机系统的性能指标★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。★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的二进制位数。★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Pentium4升至3.6GHz。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时钟周期长=(IC×CPI）/时钟频率其中：IC为程序中的指令条数，CPI为每条指令所需的平均时钟周期数。★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。可用下式计算：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=）＝n1iICIi(CPIi★MIPS表示每秒百万条指令数，可用下式计算：MIPS＝=★MFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，可用下式计算：MFLOPS＝MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。610程序执行时间指令条数610程序执行时间程序中浮点操作次数610CPI时钟频率1.3计算机的硬件1.3.1.计算机的硬件组成存储器控制器运算器适配器输出设备输入设备系统总线CPU主机.存储器:存放程序和数据。.运算器:进行算术与逻辑运算。.控制器:计算机的指挥中心,指挥各部件协同工作,以实现程序的自动执行。.适配器与输入/输出设备适配器是一个转换器(接口),它保证输入/输出设备用主机所要求信息形式和速度收发信息。输入设备把外界的信息形式转换为主机能识别的信息形式并送入主机。输出设备把主机的信息形式转换为外界可接受的信息形式并送到外界。.系统总线:是计算机各硬件组成部分的公共数据通路。1.4计算机的软件·硬件:构成计算机的有形实体。·软件：程序、数据及文档。软件可分为两大类：1.系统软件帮助用户使用计算机的。如：诊断程序等服务性程序；汇编程序、编译程序等语言处理性程序；操作系统（OS）；数据库管理系统（DBMS）等。2.应用软件为解决某一实际问题而编写的程序。1.5计算机系统的层次结构1.5.1多级组成的计算机系统计算机是十分复杂的软、硬件组合而成的系统，要完整地描述计算机系统可采用计算机系统的层次结构，该层次结构目前有5级。高级语言级汇编语言级操作系统级一般机器级微程序设计级硬件执行微程序操作系统汇编程序编译程序在层次结构中，上层是在下层的基础上实现的，使用这一层提供的功能时，不必关心下一层的实现细节。下层是实现上层的基础，在实现这一层的功能时，可能尚无法了解其上一层的目标和将要解决的问题，也不必理解其更下一层实现中的有关细节问题，只要使用下一层所提供的功能来完成本层次的功能处理即可。采用这种层次结构，可以完整地描述计算机系统，有利于计算机系统的设计。采用层次结构可以简化处理问题的难度，在某一段时间，在处理某一层中的问题时，只需集中精力解决当前最需要关心的核心问题即可，而不必牵扯各上下层中的其他问题。1.5.2软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性：计算机中的任一功能既可由软件实现,也可由硬件实现。早期，硬件“软化”。目前，软件“硬化”。