计算机组成原理 课件(第1章)
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计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
计算机组成原理(本全)课件
计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
最新计算机组成原理第1章-计算机系统概论教学讲义PPT课件
(3)控制器 *功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程
*程序执行过程： ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)； ②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)
取指阶段 取指令
分析指令
执行阶段 执行指令
指令地址 寄存器PC
指令内容 指令译码
寄存器IR
器ID
存储器
10
功能部件
+“1”
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
*(AC)+[Y]→AC的运算过程：
(0) (AC)为被加数
寄存器型运算器 存储器
(1) 加数[Y]→TEMP
TEMP
(2) (AC)＋(TEMP) (3) ALU结果→AC
AC
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容
15
……
*组成：
地 址 地址 译 码 器 命令
数据
存储阵列
…… I/O电路
0 1 … w-1
0 1
…
…
n-1
…
存储字长W
0
…
1
…
存储字 n-1
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码；
存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
指令内容
程序 逻辑顺序
A+0
int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
计算机组成原理课件第1章
计算机组成原理
教学内容
研究讨论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。 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。 完整：计算机整机、全部的硬件功能部件。
课程内容
1 计算机系统概论 2 计算机中信息的表示方法 3 运算方法和运算部件 4 存储系统 5 指令系统 6 中央处理器 7 总线系统 8 计算机的外围设备 9 输入输出系统
Name：ENIAC
“爱尼亚克”
（Electronic Numerical Integrator and Computer）
电子数值积分和计算机
研制者：宾夕法尼亚大学教授 John Mauchly （莫奇利）和 J. Presper Eckert（埃克脱）
研究开发ENIAC计算机的目的:军事服务， 主要是为了计算弹道表。
计算机发展——智能化
“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的
‘没有灵魂的机械’来”。
人类第一个“工业机器人”：
——笛卡尔（1637）
一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）
第一代机器人 机械手（1962年出现）
第二代机器人
具有“感觉”的机器人
第三代机器人
Deepblue
装有启发式计算机的“智能机器人”
式处理来组织系统。
ＬＳＩ ＶＬＳＩ
七十年代计算机开始
向微型化方向发展。
Intel 4004
PentiumⅡ
智能计算机
❖ 智能电子计算机，它是一种有 知识，会学习，能推理的计算 机。
❖ 智能计算机突破了传统的冯.诺 依曼式机器的概念，舍弃了二 进制结构，把许多处理机并联 起来，并行处理信息，速度大 大提高。它的智能化人机接口 使人们不必编写程序，只需发 出命令或提出要求，电脑就会 完成推理和判断，并且给出解 释。
教学内容
研究讨论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。 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。 完整：计算机整机、全部的硬件功能部件。
课程内容
1 计算机系统概论 2 计算机中信息的表示方法 3 运算方法和运算部件 4 存储系统 5 指令系统 6 中央处理器 7 总线系统 8 计算机的外围设备 9 输入输出系统
Name：ENIAC
“爱尼亚克”
（Electronic Numerical Integrator and Computer）
电子数值积分和计算机
研制者：宾夕法尼亚大学教授 John Mauchly （莫奇利）和 J. Presper Eckert（埃克脱）
研究开发ENIAC计算机的目的:军事服务， 主要是为了计算弹道表。
计算机发展——智能化
“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的
‘没有灵魂的机械’来”。
人类第一个“工业机器人”：
——笛卡尔（1637）
一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）
第一代机器人 机械手（1962年出现）
第二代机器人
具有“感觉”的机器人
第三代机器人
Deepblue
装有启发式计算机的“智能机器人”
式处理来组织系统。
ＬＳＩ ＶＬＳＩ
七十年代计算机开始
向微型化方向发展。
Intel 4004
PentiumⅡ
智能计算机
❖ 智能电子计算机，它是一种有 知识，会学习，能推理的计算 机。
❖ 智能计算机突破了传统的冯.诺 依曼式机器的概念，舍弃了二 进制结构，把许多处理机并联 起来，并行处理信息，速度大 大提高。它的智能化人机接口 使人们不必编写程序，只需发 出命令或提出要求，电脑就会 完成推理和判断，并且给出解 释。
中科大计算机组成原理课件ppt
• 唐本（William Stallings）
– 农村包围城市：总线、存储、I/O、ALU、CPU
• llxx
– 目标：理解构建计算机系统的过程
• 十字箴言：“功能、组织、过程、定时、度量”
– China-ring：快速原型法（prototype）
• 总线、RAM、CPU，存储系统(Cache、辅存)、I/O、ALU
• 基于x86的Debug环境，编写任意10个数值的冒 泡排序程序，并调试运行。
– 成果要求：
• 报告设计过程、结果（汇编代码、内存数据段映像）、出现 的典型问题及解决过程； • 要求结果体现个人ID。
实验课
• 设计实现《计算机系统概论》的 LC-3模型机（见附录A/C）
– 共16条指令，指令集具有RISC特征
Basic computer organization, first look at pipelines + caches 从C语言程序的执行 角度讨论计算机组成 原理，但重点关注 MIPS处理器和存储系 统，其他关注很少
Computer Architecture, First look at parallel architectures
Course Schedule
1. 2. 3. 4. 5. 6.
•
概论（4） 总线（4） RAM/ROM（4） ISA（4） CPU （4）
功能、组成、时序、中断系统
A模型CPU控制器设计（6）
组合逻辑、微程序
7.
•
MIPS处理器设计（6）
指令集、单周期、多周期、流水线
8. 9.
•
Cache（4） 辅存（5）
MIT
• 我在这里的第一学期上了一门叫 《计算机系统设计》得 本科课程，其辛苦程度真实一言难尽。十五个星期内交了 十次作业，作了六次课程设计。有的设计还分几个部分， 分开交设计报告。所以设计报告大概也交了有十次左右。 最恐怖的是有一次，十天内要交六份作业或设计报告，而 且当时正值其他几门课正在期中考试。抱怨是没有用的， 老师说："我很抱歉。但这门课很重要，请大家不停的工 作。"学生从一般的逻辑时序电路开始设计（数电都已忘 得差不多了）；核心是自行设计"麻雀虽小五脏俱全"得 ALU，单指令周期CPU（single cycle CPU）；多指令 CPU（Multi-cycle CPU）；以直到最后实现流水线（pipe line）32位MIPS CPU和Cache。一门课下来，所有与计 算机CPU有关的知识全部融会贯通。硬件设计水平也有了 很大提高（就是太累）。
计算机组成原理第1章ppt课件
和电路实现。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
《计算机组成原理》课件
指令结束
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
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• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
计算机组成原理PPTPPT课件
➢钱晓捷，微型计算机原理及应用，清华大学出版社， 2006
精选ppt课件2021
2
目录
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 指令系统 ☼ 第三章 中央处理部件CPU ☼ 第四章 存储系统 ☼ 第五章 输入输出（I/O）系统
精选ppt课件2021
3
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的基本概念
如何正确理解“计算机”这个术语呢？ 凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机： ①能接受程序和数据的输入，并存储起来； ②能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理 并得出结果； ③能把结果输出。
特点：控制简单，译码时间短，编码浪费，n位操作码能表示2n条指令
操作码长度不固定：操作码分散在指令字的不同字 段内
特点：能有效压缩操作码的平均长度，控制复杂，指令译码、分析较难
精选ppt课件2021
17
现代计算机中多采用不等长操作码——不同类的 指令，其操作码的长度不同。
对于一部分不需要操作数的指令可以将指令操作 码扩展到操作数字段，操作码的长度随地址码的减少 而增加。
在不增加指令长度的情况下，能充分利用指令的 各个字段扩展操作码的长度，使它可以表示更多的指 令。
实现不等长操作码可以通过扩展操作码法实现。
精选ppt课件2021
18
操作码扩展实现方式 等长扩展
每次扩展的操作码的位数相同。例如：4-8-12扩展法、 3-6-9扩展法、4-6-8扩展法 不等长扩展
10010101 10100001
操作码用来表明本条指令要 求计算机完成的操作，如加 法，减法，取数等，CPU中有 专门的译码电路来识别解释 各操作码
地址码用来给出参加本次运算的操作数和 运算结果所在的地址，根据地址码个数， 指令格式分为零地址、一地址选ppt课件2021
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☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 指令系统 ☼ 第三章 中央处理部件CPU ☼ 第四章 存储系统 ☼ 第五章 输入输出（I/O）系统
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3
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的基本概念
如何正确理解“计算机”这个术语呢？ 凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机： ①能接受程序和数据的输入，并存储起来； ②能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理 并得出结果； ③能把结果输出。
特点：控制简单，译码时间短，编码浪费，n位操作码能表示2n条指令
操作码长度不固定：操作码分散在指令字的不同字 段内
特点：能有效压缩操作码的平均长度，控制复杂，指令译码、分析较难
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17
现代计算机中多采用不等长操作码——不同类的 指令，其操作码的长度不同。
对于一部分不需要操作数的指令可以将指令操作 码扩展到操作数字段，操作码的长度随地址码的减少 而增加。
在不增加指令长度的情况下，能充分利用指令的 各个字段扩展操作码的长度，使它可以表示更多的指 令。
实现不等长操作码可以通过扩展操作码法实现。
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18
操作码扩展实现方式 等长扩展
每次扩展的操作码的位数相同。例如：4-8-12扩展法、 3-6-9扩展法、4-6-8扩展法 不等长扩展
10010101 10100001
操作码用来表明本条指令要 求计算机完成的操作，如加 法，减法，取数等，CPU中有 专门的译码电路来识别解释 各操作码
地址码用来给出参加本次运算的操作数和 运算结果所在的地址，根据地址码个数， 指令格式分为零地址、一地址选ppt课件2021
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操作码 地址码
机器执行什么操作
执行对象（具体数、存放位置）
例如：ADD AX,BX
3、工作原理 不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果
放入指令指定的存储器地址中。
1.2 计算机的硬件
计算机语言分为低级语言(机器语言、汇编语言)和 高级语言两类。
也可分为机器语言、通用的编程语言(汇编语言、 高级语言)
– 电子计算机中采用二进制数的原因
• 运算规律简单，在电子器件中比较容易实现
– 运算器的位数越多，计算的精度就越高，但 是所费的电子器件也越多，成本就高。目前 计算机的运算长度一般为8位、16位、32位 或64位。
1.2 计算机的硬件
控制器
控制器是计算机的决策部件，通过指令译码产生各操作控制 信号，控制各部件有条不紊地工作设计目标：容量大、速度快 、成本低；同时计算机还应具有响应外部突发事件的能力，控 制器能在适当的时刻响应这些外部的请求，并作出处理。
多核处理器设计包括 –核间通讯 –cache设计 –片内总线设计 总线->NOC（network on chip）
封装与制造工艺 ——SOCKET、Slot
Socket插座
– 安装CPU – Socket 4、Socket 5、Socket 7、Socket 370
(Pentium 时代的 CPU 插座从 Socket 4 开始,它有 273 个脚，工作电压为 5V。
微处理器的发展
”晶体管之父”的肖克 利（W.Shockley）博士
诺宜斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克 （J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（ J.Hoerni）、拉斯特（st）、罗伯茨（S.Boberts
）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆
集成电路之父杰克·基尔比
(2)采用存储程序方式，这是冯·诺依曼思想的核心内容，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。采用二进制形式表示数据和指令。
(3)指令由操作码和地址码组成。 (4)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指
Computer, 离散变量自动计算机), 1952年才调试成功.
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
Von Neumann, EDVAC
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼 (John Von Neumann) 美籍匈牙利科学家，
1000101111000011
汇编语言：符号式(助记符mnemonic symbol）程
序设计语言。
MOV AX , BX
BASIC语言语句：LET d = b*b - 4*a*c
机器语言：
1. MUL B B 2. MUL A E 3. MUL A C 4. SUB B A 5. MOV D B
MIPS公司: Microprocessor without interlocked piped stages ARM公司: Advanced RISC Machine
微处理器发展简史
• 微处理器
– IBM – Intel – AMD (Advanced Micro Devices)(超微)
1.2 计算机的硬件
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史) 第一台电子计算机(ENIAC)
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机
ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )
•Electronic tube(电子管)→Transistor(晶体管)→ IC(集成电路Integrating Circuit)→ LSI(大规模集成电路Large Scale Integration) → VISI(超大规模集成电路Very Large Scale Integration)→ SVLSI(超大规模集成电路Super—VLSI)。
仙童半导体公司FairChild
1.2 计算机的硬件
微处理器的发展----英特尔Intel(Integrated/Electronics) 的元老
摩尔
诺宜斯
葛洛夫
1.2 计算机的硬件
微处理器的发展
1.2 计算机的硬件
微处理器的发展
1、4位微处理器(Intel 4004) 2、8位微处理器 (Intel 8080) 3、16位微处理器 (Intel 8086/8088, 80286) 4、32位微处理器
令所在的单元地址，一般按顺序替增。 (5)机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。
上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为 止，绝大多数计算机仍沿用冯·诺依曼体系结构。
第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)
电子计算机的发展5个阶段：
第一代电子管计算机(1946年—1957年) 第二代晶体管计算机(1958年—1964年) 第三代集成电路计算机(1965年—1971年) 第四代大规模集成电路(1972年—) 第五代超大规模集成电路(VLSI,ULSI) 其实，电子计算机的发展是紧随电子技术的发展而发展的。 电子技术的发展过程是：
Socket 370 到 Slot 1 的转接卡。目前 Intel 的主流 CPU 都是 Socket 370
类型的。)
Slot1
– 一个狭长的242引脚的插槽 – Slot1、Slot 2接口标准、Slot A接口标准
1.2 计算机的硬件
运算器
– 运算器是一个数据加工部件，主要完成二进 制算术运算及逻辑运算
• 第一台电子计算机（通用可编程序）
– 18800电子管 – 30吨 – 150平方米 – 140kw – 5000次十进制加法/秒
莫克利(左) 埃克特(右)
ENIAC
ENIAC
ENIAC：永远是光辉的起点
ENIAC最初是为了进行弹道计算而设计的专用计算 机。
1996年2月15日，在ENIAC问世50周年之际，美国副 总统戈尔在宾夕法尼亚大学举行的隆重纪念仪式上， 再次按动了启动电钮。戈尔在向当年参加ENIAC的 研制、如今仍健在科学家发表讲话:“我谨向当年研制
(Intel 80386/80486/Pentium ) 5 、 64位微处理器(Intel Itanium 安腾处理器)
微处理器发展趋势???
现实的解决方案一：多核(Mulitcore)
频率瓶颈 –由于晶体管数量倍增，会导致硅芯片所需要的电能、 耗费功率大幅提升，甚至成几何级数的增加
多核处理器 –可以解决功耗和性能比的问题 –目前常见2核、4核、8核、16核 –68核、80核、2xx核 –计算能力将>2T Flops
(Computer Organization Principles)
主讲教师
蒋永国(jiangyg@)
(信息学院南楼,B313室)
实验教师
徐惠敏(yziping@)
(信息学院南楼,B420室)
For Students of Computer 2015
计算机硬件系统组成(章节分配)
Aa Bb Cc Dd E4
; b2 送B ; 4a 送入A ;4ac 送A ;b2 –4ac送B ; b2 –4ac从B 送到D
将指令存放在相邻的存储单元中：
n MUL n+7 n+7 n+1 MUL n+6 n+10 n+2 MUL n+6 n+8 n+3 SUB n+7 n+6 n+4 MOV n+9 n+7 n+5 HLT n+6 a n+7 b n+8 c n+9 d n+10 4
; b2 送B ; 4a 送入A ;4ac 送A ;b2 –4ac送B ; b2 –4ac从B 送到D ;停机指令
1.2 计算机的硬件
计算机的硬件（Hardware）组成
(计算机的硬件系统是指构成计算机的所有物理部件的集
合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等
物理部件组成)
• 算盘 运算器
•纸
存储器
•笔
输入/输出设备
CPU(中央处理器)
• 大脑 控制器
运算
存储（记录） 控制（协调）
1.2 计算机的硬件
运算器 控制器
CPU
存储器
I/O 设备
I/O 设备
I/O 接口
I/O 接口
地址总线 数据总线 控制总线
1.2 计算机的硬件
图1.1 以总线连接的计算机框图
1.2 计算机的硬件
计算机系统的分类
I/O
(,, )
第二部分 控 制 器
(5,6章)
第 高速缓存
三
部 分
主存储器
4
7 虚拟存储器
8
章 (磁盘设备)
运算器
第一部分(2,3章)
总 线 和 第四部分(9,10章)
输入设备
接
口
输出设备
第1章 计算机系统概论(目录部分)
1.1 计算机的诞生和发展 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机的软件 1.4 计算机网络基础
这台计算机的先驱者们表示祝贺。”
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
ENIAC的特点：十进制表示 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 美国数学家冯·诺依曼，提出二进制表达
方式和存储程序控制计算机构想。 提出并描述一个计算机模型
EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic
机器执行什么操作
执行对象（具体数、存放位置）
例如：ADD AX,BX
3、工作原理 不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果
放入指令指定的存储器地址中。
1.2 计算机的硬件
计算机语言分为低级语言(机器语言、汇编语言)和 高级语言两类。
也可分为机器语言、通用的编程语言(汇编语言、 高级语言)
– 电子计算机中采用二进制数的原因
• 运算规律简单，在电子器件中比较容易实现
– 运算器的位数越多，计算的精度就越高，但 是所费的电子器件也越多，成本就高。目前 计算机的运算长度一般为8位、16位、32位 或64位。
1.2 计算机的硬件
控制器
控制器是计算机的决策部件，通过指令译码产生各操作控制 信号，控制各部件有条不紊地工作设计目标：容量大、速度快 、成本低；同时计算机还应具有响应外部突发事件的能力，控 制器能在适当的时刻响应这些外部的请求，并作出处理。
多核处理器设计包括 –核间通讯 –cache设计 –片内总线设计 总线->NOC（network on chip）
封装与制造工艺 ——SOCKET、Slot
Socket插座
– 安装CPU – Socket 4、Socket 5、Socket 7、Socket 370
(Pentium 时代的 CPU 插座从 Socket 4 开始,它有 273 个脚，工作电压为 5V。
微处理器的发展
”晶体管之父”的肖克 利（W.Shockley）博士
诺宜斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克 （J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（ J.Hoerni）、拉斯特（st）、罗伯茨（S.Boberts
）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆
集成电路之父杰克·基尔比
(2)采用存储程序方式，这是冯·诺依曼思想的核心内容，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。采用二进制形式表示数据和指令。
(3)指令由操作码和地址码组成。 (4)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指
Computer, 离散变量自动计算机), 1952年才调试成功.
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
Von Neumann, EDVAC
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼 (John Von Neumann) 美籍匈牙利科学家，
1000101111000011
汇编语言：符号式(助记符mnemonic symbol）程
序设计语言。
MOV AX , BX
BASIC语言语句：LET d = b*b - 4*a*c
机器语言：
1. MUL B B 2. MUL A E 3. MUL A C 4. SUB B A 5. MOV D B
MIPS公司: Microprocessor without interlocked piped stages ARM公司: Advanced RISC Machine
微处理器发展简史
• 微处理器
– IBM – Intel – AMD (Advanced Micro Devices)(超微)
1.2 计算机的硬件
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史) 第一台电子计算机(ENIAC)
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机
ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )
•Electronic tube(电子管)→Transistor(晶体管)→ IC(集成电路Integrating Circuit)→ LSI(大规模集成电路Large Scale Integration) → VISI(超大规模集成电路Very Large Scale Integration)→ SVLSI(超大规模集成电路Super—VLSI)。
仙童半导体公司FairChild
1.2 计算机的硬件
微处理器的发展----英特尔Intel(Integrated/Electronics) 的元老
摩尔
诺宜斯
葛洛夫
1.2 计算机的硬件
微处理器的发展
1.2 计算机的硬件
微处理器的发展
1、4位微处理器(Intel 4004) 2、8位微处理器 (Intel 8080) 3、16位微处理器 (Intel 8086/8088, 80286) 4、32位微处理器
令所在的单元地址，一般按顺序替增。 (5)机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。
上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为 止，绝大多数计算机仍沿用冯·诺依曼体系结构。
第1章 计算机系统概论(电子计算机的发展简史)
电子计算机的发展5个阶段：
第一代电子管计算机(1946年—1957年) 第二代晶体管计算机(1958年—1964年) 第三代集成电路计算机(1965年—1971年) 第四代大规模集成电路(1972年—) 第五代超大规模集成电路(VLSI,ULSI) 其实，电子计算机的发展是紧随电子技术的发展而发展的。 电子技术的发展过程是：
Socket 370 到 Slot 1 的转接卡。目前 Intel 的主流 CPU 都是 Socket 370
类型的。)
Slot1
– 一个狭长的242引脚的插槽 – Slot1、Slot 2接口标准、Slot A接口标准
1.2 计算机的硬件
运算器
– 运算器是一个数据加工部件，主要完成二进 制算术运算及逻辑运算
• 第一台电子计算机（通用可编程序）
– 18800电子管 – 30吨 – 150平方米 – 140kw – 5000次十进制加法/秒
莫克利(左) 埃克特(右)
ENIAC
ENIAC
ENIAC：永远是光辉的起点
ENIAC最初是为了进行弹道计算而设计的专用计算 机。
1996年2月15日，在ENIAC问世50周年之际，美国副 总统戈尔在宾夕法尼亚大学举行的隆重纪念仪式上， 再次按动了启动电钮。戈尔在向当年参加ENIAC的 研制、如今仍健在科学家发表讲话:“我谨向当年研制
(Intel 80386/80486/Pentium ) 5 、 64位微处理器(Intel Itanium 安腾处理器)
微处理器发展趋势???
现实的解决方案一：多核(Mulitcore)
频率瓶颈 –由于晶体管数量倍增，会导致硅芯片所需要的电能、 耗费功率大幅提升，甚至成几何级数的增加
多核处理器 –可以解决功耗和性能比的问题 –目前常见2核、4核、8核、16核 –68核、80核、2xx核 –计算能力将>2T Flops
(Computer Organization Principles)
主讲教师
蒋永国(jiangyg@)
(信息学院南楼,B313室)
实验教师
徐惠敏(yziping@)
(信息学院南楼,B420室)
For Students of Computer 2015
计算机硬件系统组成(章节分配)
Aa Bb Cc Dd E4
; b2 送B ; 4a 送入A ;4ac 送A ;b2 –4ac送B ; b2 –4ac从B 送到D
将指令存放在相邻的存储单元中：
n MUL n+7 n+7 n+1 MUL n+6 n+10 n+2 MUL n+6 n+8 n+3 SUB n+7 n+6 n+4 MOV n+9 n+7 n+5 HLT n+6 a n+7 b n+8 c n+9 d n+10 4
; b2 送B ; 4a 送入A ;4ac 送A ;b2 –4ac送B ; b2 –4ac从B 送到D ;停机指令
1.2 计算机的硬件
计算机的硬件（Hardware）组成
(计算机的硬件系统是指构成计算机的所有物理部件的集
合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等
物理部件组成)
• 算盘 运算器
•纸
存储器
•笔
输入/输出设备
CPU(中央处理器)
• 大脑 控制器
运算
存储（记录） 控制（协调）
1.2 计算机的硬件
运算器 控制器
CPU
存储器
I/O 设备
I/O 设备
I/O 接口
I/O 接口
地址总线 数据总线 控制总线
1.2 计算机的硬件
图1.1 以总线连接的计算机框图
1.2 计算机的硬件
计算机系统的分类
I/O
(,, )
第二部分 控 制 器
(5,6章)
第 高速缓存
三
部 分
主存储器
4
7 虚拟存储器
8
章 (磁盘设备)
运算器
第一部分(2,3章)
总 线 和 第四部分(9,10章)
输入设备
接
口
输出设备
第1章 计算机系统概论(目录部分)
1.1 计算机的诞生和发展 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机的软件 1.4 计算机网络基础
这台计算机的先驱者们表示祝贺。”
1.1 计算机的诞生和发展 (电子计算机的发展简史)
ENIAC的特点：十进制表示 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 美国数学家冯·诺依曼，提出二进制表达
方式和存储程序控制计算机构想。 提出并描述一个计算机模型
EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic