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计算机组成与系统结构上海交通大学网络教育学院陈泽宇博士副教授网络教育学院2020年1月24日星期五22009年第1学期（2009.2－2009.5）•对象：上海交通大学网络教育学院2008秋（业余制专升本）计算机科学与技术专业（软件、网络）•总学分/总学时：4/60•时间：周四晚上18:30-21:30（2.12-5.21）•主教室：江苏路504教室•国家精品课程网站：•教材：计算机组成与系统结构，陈泽宇主编，清华大学出版社，2009网络教育学院2020年1月24日星期五3本课程与计算机专业其他课程的关系•数学基础课•离散数学•计算机基础课•计算机应用基础（国家统考）•计算机专业课•硬件、软件、网络……网络教育学院2020年1月24日星期五4计算机专业课•软件类•数据结构（学位课）•操作系统（学位课）•程序设计：•程序设计（C）•面向对象程序设计（Java）•Windows程序设计（C#）•基于Web的程序设计•数据库：•数据库原理与应用•数据库系统管理与维护•硬件类•计算机组成与系统结构•网络类•计算机网络•网络与信息安全•其它•信息技术前沿专题讲座•毕业设计网络教育学院2020年1月24日星期五5第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器（CPU）第6章总线系统第7章输入输出（I/O）系统第8章并行计算机系统网络教育学院2020年1月24日星期五6第1章计算机系统概论1.1计算机的分类、发展与应用1.2计算机的基本组成1.3计算机系统的概念网络教育学院2020年1月24日星期五71.1计算机的分类、发展与应用1.1.1计算机的分类1.1.2计算机的发展概况1.1.3计算机的应用网络教育学院2020年1月24日星期五8•电子数字计算机（ElectronicDigitalComputer）•通常简称为计算机（Computer）•是按照一系列指令来对数据进行处理的机器•计算机拥有众多的物理形态•个人计算机（PersonalComputer，PC）•便携计算机（PortableComputer）•又称膝上型计算机（LaptopComputer）•嵌入式计算机（EmbeddedComputer）•使用最为广泛的计算机形态网络教育学院2020年1月24日星期五9•根据Church–Turing理论，•任何一台具有最基本功能的计算机，原则上都能够执行任何其他计算机可以执行的任务•只要不考虑时间和存储容量，性能和复杂度均相差甚远的各种计算机，都能够执行相同的运算任务网络教育学院2020年1月24日星期五10美国SGI公司为NASA制造的Columbia超级计算机GNUX（GNU+Linux）操作系统下运行视频会议软件的手表计算机网络教育学院2020年1月24日星期五111.1.1计算机的分类1．计算机分类2．通用计算机分类网络教育学院2020年1月24日星期五121．计算机分类•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，计算机可分为通用计算机和专用计算机两大类•通用计算机•功能齐全，通用性强，适应面广，可完成各种各样的工作•但是牺牲了效率、速度和经济性网络教育学院2020年1月24日星期五13•专用计算机•是专为某些特定问题而设计的功能单一的计算机，一般结构简单•具有可靠性高、速度快、成本低的优点，是最有效、最经济和最快速的计算机•但是其适应性很差网络教育学院2020年1月24日星期五142．通用计算机分类•通用计算机分为6类，其区别在于体积、复杂度、功耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和价格•超级计算机（Supercomputer）•大型机（Mainframe）•服务器（Server）•工作站（Workstation）•微型机（Microcomputer）•单片机（Single-ChipComputer）单片机微型机工作站服务器大型机超级计算机低高小大复杂度功耗性能指标价格体积数据存储容量指令系统规模网络教育学院2020年1月24日星期五15•超级计算机•主要用于科学计算•运算速度远远超过其他计算机，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵•单片机•是只用单片集成电路（IntegratedCircuit，IC）做成的计算机•体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜•大型机、服务器、工作站、微型机•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，今天的工作站可能是明天的微型机，而今天的微型机也可能是明天的单片机网络教育学院2020年1月24日星期五161.1.2计算机的发展概况1．第一台通用电子数字计算机2．数字计算机的发展史3．计算机体系结构的发展过程4．数字计算机的发展趋势网络教育学院2020年1月24日星期五17•“Computer”一词•最初指的是从事数值运算的人，他们往往借助于某种机械运算装置来完成数值运算工作•现在专指计算机，即电子数字计算机网络教育学院2020年1月24日星期五181．第一台通用电子数字计算机•ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，电子数字积分计算机）•1946年，美国宾夕法尼亚大学•18000多个电子管•占地170平方米•总重量达30吨•耗电140千瓦•每秒能做5000次加减运算•是科学史上一次划时代的创新，奠定了现代电子数字计算机的基础•最初的结构设计不够灵活，每一次重新编程都必须重新连线（Rewiring）网络教育学院2020年1月24日星期五19•存储程序体系结构（Stored-ProgramArchitecture）•给计算机一个指令序列（即程序），计算机会存储它们，并在未来的某个时间里，从计算机存储器中读出，依照程序给定的顺序执行它们•现代计算机区别于其他机器的主要特征，就在于这种可编程能力•冯·诺伊曼体系结构（vonNeumannArchitecture）•早在ENIAC完成之前，数学家约翰·冯·诺伊曼（JohnvonNeumann）就在其论文中提出了存储程序计算机的设计思想•因此，存储程序体系结构又称为冯·诺伊曼体系结构•大多数当代计算机仍然采用冯·诺伊曼体系结构网络教育学院2020年1月24日星期五202．数字计算机的发展史•从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了5代的变化时间使用器件执行速度（次/秒）典型应用第1代1946~1957电子管几千至几万数据处理机第2代1958~1964晶体管几万至几十万工业控制机第3代1965~1970小规模/中规模集成电路几十万至几百万小型计算机第4代1971~1985大规模/超大规模集成电路几百万至几千万微型计算机第5代1986~甚大规模集成电路几亿至上百亿单片计算机网络教育学院2020年1月24日星期五21第一代计算机•1946年到1957年•使用电子管（VacuumTube）作为电子器件•使用机器语言与符号语言编制程序•体积庞大，存储容量小，成本很高，可靠性较低•主要用于科学计算•在此期间，形成了计算机的基本体系结构，确定了程序设计的基本方法网络教育学院2020年1月24日星期五22第二代计算机•1958年到1964年•使用晶体管（Transistor）作为电子器件•开始使用计算机高级语言•体积缩小，存储容量扩大，成本降低，可靠性提高•不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制•“工业控制机”开始得到应用网络教育学院2020年1月24日星期五23第三代计算机•1965年到1970年•使用小规模集成电路（Small-ScaleIntegration，SSI）与中规模集成电路（Medium-ScaleIntegration，MSI）作为电子器件•操作系统开始出现•计算机小型化、微型化•不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域•出现了管理信息系统（ManagementInformationSystem，MIS）•“小型计算机”开始出现网络教育学院2020年1月24日星期五24第四代计算机•1971年到1985年•使用大规模集成电路（Large-ScaleIntegration，LSI）与超大规模集成电路（Very-Large-ScaleIntegration，VLSI）作为电子器件•计算机在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手•由几片大规模集成电路组成的“微型计算机”开始出现，并进入家庭网络教育学院2020年1月24日星期五25第五代计算机•1986年开始•采用甚大规模集成电路（Ultra-Large-ScaleIntegration，ULSI）作为电子器件•由一片甚大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现网络教育学院2020年1月24日星期五26总体而言•电子管计算机在整个20世纪50年代居于统治地位•20世纪60年代，晶体管计算机逐渐取而代之•20世纪70年代，集成电路技术的采用和其后微处理器的产生，导致计算机有了一次新的飞跃•20世纪80年代，计算机被个人广泛使用，成为现在无处不在的个人计算机•20世纪90年代以来，几乎所有的现代电子设备都会包含某种形式的计算机在内网络教育学院2020年1月24日星期五273．计算机体系结构的发展过程•在冯·诺伊曼体系结构的基础上，以提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性、方便用户使用为目的，不断采用新的器件、研制新的软件•主要是指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构、多媒体体系结构、操作系统和数据库管理系统的形成和发展网络教育学院2020年1月24日星期五284．数字计算机的发展趋势1）多处理2）网络化3）智能化4）微型化5）巨型化6）多媒体网络教育学院2020年1月24日星期五291）多处理•多处理（Multiprocessing）•在一个或多个CPU之间划分工作•传统上用于超级计算机、大型机和服务器这类大型、强大的计算机上•超级计算机•经常拥有几千个CPU、定制的高速互连网络和专门的计算硬件•低端市场应用•配备多处理器（Multiprocessor）和多核（Multi-Core）处理器的台式/便携式计算机网络教育学院2020年1月24日星期五302）网络化•20世纪70年代，•美国国防部高级研究计划署（ARPA）资助形成ARPANET•此后，•该网络传播开来，最终形成了互联网（Internet）•20世纪90年代，•电子邮件（e-Mail）和万维网（WorldWideWeb，）等应用普及•以太网（Ethernet）和非对称数字用户线路（AsymmetricDigitalSubscriberLine，ADSL）等廉价、快速联网技术发展•计算机网络变得无处不在网络教育学院2020年1月24日星期五313）智能化•人们将用自然语言和机器对话•计算机将从数值计算为主过渡到知识推理为主，进入知识处理阶段4）微型化•微型计算机将向更加微型化、网络化、高性能、多用途方向发展5）巨型化•超级计算机将向更加巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展网络教育学院2020年1月24日星期五326）多媒体•多媒体信息•文本、图像、图形、声音、视频等•多媒体计算机•将真正改善人机界面•使计算机向着人类接受和处理信息的最自然的方式发展网络教育学院2020年1月24日星期五331.1.3计算机的应用1．科学计算2．自动控制3．测量测试4．信息处理5．教育卫生6．电子电器7．人工智能网络教育学院2020年1月24日星期五341．科学计算•科学计算领域•数学、化学、原子能、天文学、地球物理学、生物学等基础科学研究•航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质找矿、天气预报等方面的大量计算•益处•大大减轻计算工作量•一些以往无法解决、无法及时解决或无法精确解决的问题得到圆满的解决网络教育学院2020年1月24日星期五352．自动控制•有了体积小、价廉、可靠的微型机和单片机作为工具，自