华中科技大学计算机组成原理课件
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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 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。
7
计算机的性能指标(3)
霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入 CTR（计算制表记录）公司 1924年IBM成立
40
1904年弗莱明发明真空电子二极管
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。
41
1906年弗雷斯特发明真空电子三极管
1906年，美国人德弗雷斯特 发明电子三极管。
48
ENIAC
49
ENIAC
50
Vacuum tube in ENIAC
版权说明：本课程PPT在计算机学院谭志虎老师ppt基础上修改
第一章、计算机系统概述
2011
本章主要内容
计算机分类、应用
计算机发展简史
计算机硬件系统
计算机软件系统 计算机系统层次结构
2
计算机分类
电子计算机从总体上来说分为模拟计算机和数字计算 机两大类：
电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计 算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连 续的。 电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的， 是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特 点是按位运算，并且不连续地跳动计算。
28
Difference Engine
三个具有现代意义的装置
保存数据的寄存器（齿轮式装置）； 从寄存器取出数据进行运算的装置，
机器的乘法以累次加法来实现；
控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结 果的装置；
最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了 早期程序设计思想的萌芽。
29
19
17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索 机械式计算机
1642年-PASCAL(1623)加法机
法国数学家、物理学家和思想家
人类史上第一台机械式计算机，其原理 对后续计算机产生了持久的影响。
采用齿轮传动设备完成运算。
pascal从加法机的成功中得出结论： 人的某些思维过程与机械过程没有差别， 因此可以用机械模拟人的思维。 1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级 语言向其表示敬意
25
1805 Jacquard
26
27
1821年-Babbage差分机
1821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专 门用于航海和天文计算。可处理3个5位数， 计算精度达到6位小数。
“差分”是把函数表的复杂算式转化为差分 运算，用简单的加法代替平方运算。 20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编 织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程 序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意， 自动处理不同函数的计算过程。
在发明计算机之前，计算尺是科学研究、 工程设计和生产实践中使用最广泛、应用 最便捷、最有价值的计算工具。 在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺为 人类进步、世界文明作出了无法估量的伟 大贡献。
18
达芬奇机械式计算机
1500年达芬奇手稿关于机 械式计算工具的描述
后人根据达芬奇手稿仿制 的机械式计算机
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。
42
现代真空电子管
43
1938年朱斯的Z系列计算机
1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1 计算机 第一台采用二进制和真空电子管的计 算机。 朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、 Z-3和Z-4。Z-3使用了2600个继电 器，在1944年美军对柏林进行的空 袭中被炸毁。
46
电子计算机的诞生
世界上第一台Fra Baidu bibliotek子数字计算机
ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)， 美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。
18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，
占地150平方米，运算速度5000次/秒左右。 尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却 是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。 宣告人类进入电子计算机时代。 担任开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫 克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。
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Pentium 4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。
The first programmer Ada Augusta
ada描述了差分机如何进行编 程，最早给出计算机程序设计 的许多想法。
讨论预言了通用计算机的作用， 控制卡、数据卡、操作卡 提出了存储位置或地址的想法 “循环”(looping)的概念 三角函数和级数相乘程序、贝 努利函数程序
FLOPS: floating-point operations per second 即“每秒浮点运算次数”，“每秒峰值速度” FLOPS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。 一個 MFLOPS (megaFLOPS) 等於每秒100萬 (=106) 次的浮點運算， 一個 GFLOPS (gigaFLOPS) 等於每秒10億 (=109) 次的浮點運算， 一個 TFLOPS (teraFLOPS) 等於每秒1万亿 (=1012) 次的浮點運算，
8
计算机的性能指标(4)
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 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。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
3
计算机分类
数字计算机与模拟计算机的主要区别
4
计算机分类
电子模拟计算机
计算机
电子数字计算机
通用计算机
专用计算机
超 级 计 算 机
5
大 型 机
服 务 器
工 作 站
微 型 机
单 片 机
计算机的性能指标 (1)
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）。
9
计算机的性能指标(5)
MIPS: 表示每秒百万条指令数，用下式计算： MIPS ＝ 指令条数 程序执行时间 × 106 ＝
时钟频率 CPI × 106
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。
程序执行时间Te为： Te ＝ 指令条数 MIPS × 106
10
计算机的性能指标(6)
23
1805 -Jacquard自动提花机
编程序？？？
24
程序控制思想的萌芽
如何将人的思想传送给机器，让机器按人的 意志自动执行。
1725年，法国纺织机械师B.• ouchon发明 B 利用穿孔纸带控制印花的方法 1805 J.Jacquard 发明采用穿孔卡片的自 动提花机 编程序＝编织花布
30
Analytical Engine
31
Analytical Engine
32
Analytical Engine
33
1940 Mechanical analog machines designed by Lord Kelvin
34
19世纪后期 机械到电的飞跃
机电式计算机
赫尔曼· 霍勒斯制表机
15
最古老的计算器-算盘
算盘被誉作中国“第五大发明”， 陕西歧山西周宫室遗址中出土了90 粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色 70粒，将算盘的发明时间提前到二 千多年前的西周时期。 “价格低廉，绝无故障，节约能源， 十年中无需任何保养”
16
16世纪-17世纪初期 西方人的灵感
1621年-冈特计算尺
赫尔曼·霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形 1888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据 处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。
36
Punched tape/card
Punched cards accelerated the development of twentieth century commerce and industry.
44
1943年英国“巨人”计算机 Colossus
1943年英国科学家研制成功第一 台“巨人”计算机，专门用于破
译德军Enigma密码。
第一台“巨人”有1500个电子管， 5个处理器并行工作，每个处理器 每秒处理5000个字母。
二战期间共有10台“巨人”在英 军服役，平均每小时破译11份德 军情报
45
艾肯的MARK—I
1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持 下，研制成功机电式计算机MARK-I。 世界上最早的通用型自动机电式计算机 之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔 纸带传送指令。 MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米， 高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个 元件和800公里电线，每分钟进行200次 运算。
37
Punched card
The capacity was 2000 cards,
or in modern parlance 20KBytes.
It weighed 6.6Kg.
38
Punched card Process
39
赫尔曼· 霍勒斯制表机
1890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。1900年 美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了 1年零7个月时间。
21
Pascal 机械加法机1642
-4
-3
6 -2 +7 史上第一台机械计算机 十进制运算 齿轮旋转完成加法 齿轮传动完成进位
22
-5 +5 5 4
3
2 9 0 -9 1 -8
-6
-1
8
-7
1673年-G.Leibnitz乘法机器
1673年，德国数学家莱布尼兹 发明乘法机， 步进轮可利用多次加法完成乘法 可以运行完整四则运算。 莱布尼兹同时还提出了“可以用 机械代替人进行繁琐重复的计算 工作”的伟大思想，这一思想至 今鼓舞着人们探求新的计算机。
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。
6
计算机的性能指标(2)
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。
算筹：春秋时期出现。纵式和横式表示 自然数，可进行加减乘除、开方及其它 的代数计算。
一纵十横，百立千僵 ，“运筹帷幄” 负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表 示正数，黑筹表示负数。这种运算工具 和运算方法，在当时世界上是独一无二 的。 祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到 小数点后7位
一個 PFLOPS (petaFLOPS) 等於每秒1千万亿 (=1015) 次的浮點運算，
一個 EFLOPS (exascaleFLOPS) 等於每秒100亿亿 (=1018) 次的浮點運算。
11
本章主要内容
计算机分类、应用
计算机发展简史
计算机硬件系统
计算机软件系统 计算机系统层次结构
12
计算机发展简史
17世纪之前，中国人的智慧之光
16世纪-17世纪初期，西方人的灵感 17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索
机械式计算机
19世纪后期 机械到电的飞跃
机电式计算机
20世纪
电子文明的曙光
电子计算机
13
17世纪以前
中国人的智慧之光
最古老的计算工具-算筹（算子）
7
计算机的性能指标(3)
霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入 CTR（计算制表记录）公司 1924年IBM成立
40
1904年弗莱明发明真空电子二极管
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。
41
1906年弗雷斯特发明真空电子三极管
1906年，美国人德弗雷斯特 发明电子三极管。
48
ENIAC
49
ENIAC
50
Vacuum tube in ENIAC
版权说明：本课程PPT在计算机学院谭志虎老师ppt基础上修改
第一章、计算机系统概述
2011
本章主要内容
计算机分类、应用
计算机发展简史
计算机硬件系统
计算机软件系统 计算机系统层次结构
2
计算机分类
电子计算机从总体上来说分为模拟计算机和数字计算 机两大类：
电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计 算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连 续的。 电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的， 是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特 点是按位运算，并且不连续地跳动计算。
28
Difference Engine
三个具有现代意义的装置
保存数据的寄存器（齿轮式装置）； 从寄存器取出数据进行运算的装置，
机器的乘法以累次加法来实现；
控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结 果的装置；
最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了 早期程序设计思想的萌芽。
29
19
17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索 机械式计算机
1642年-PASCAL(1623)加法机
法国数学家、物理学家和思想家
人类史上第一台机械式计算机，其原理 对后续计算机产生了持久的影响。
采用齿轮传动设备完成运算。
pascal从加法机的成功中得出结论： 人的某些思维过程与机械过程没有差别， 因此可以用机械模拟人的思维。 1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级 语言向其表示敬意
25
1805 Jacquard
26
27
1821年-Babbage差分机
1821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专 门用于航海和天文计算。可处理3个5位数， 计算精度达到6位小数。
“差分”是把函数表的复杂算式转化为差分 运算，用简单的加法代替平方运算。 20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编 织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程 序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意， 自动处理不同函数的计算过程。
在发明计算机之前，计算尺是科学研究、 工程设计和生产实践中使用最广泛、应用 最便捷、最有价值的计算工具。 在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺为 人类进步、世界文明作出了无法估量的伟 大贡献。
18
达芬奇机械式计算机
1500年达芬奇手稿关于机 械式计算工具的描述
后人根据达芬奇手稿仿制 的机械式计算机
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。
42
现代真空电子管
43
1938年朱斯的Z系列计算机
1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1 计算机 第一台采用二进制和真空电子管的计 算机。 朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、 Z-3和Z-4。Z-3使用了2600个继电 器，在1944年美军对柏林进行的空 袭中被炸毁。
46
电子计算机的诞生
世界上第一台Fra Baidu bibliotek子数字计算机
ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)， 美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。
18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，
占地150平方米，运算速度5000次/秒左右。 尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却 是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。 宣告人类进入电子计算机时代。 担任开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫 克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。
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Pentium 4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。
The first programmer Ada Augusta
ada描述了差分机如何进行编 程，最早给出计算机程序设计 的许多想法。
讨论预言了通用计算机的作用， 控制卡、数据卡、操作卡 提出了存储位置或地址的想法 “循环”(looping)的概念 三角函数和级数相乘程序、贝 努利函数程序
FLOPS: floating-point operations per second 即“每秒浮点运算次数”，“每秒峰值速度” FLOPS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。 一個 MFLOPS (megaFLOPS) 等於每秒100萬 (=106) 次的浮點運算， 一個 GFLOPS (gigaFLOPS) 等於每秒10億 (=109) 次的浮點運算， 一個 TFLOPS (teraFLOPS) 等於每秒1万亿 (=1012) 次的浮點運算，
8
计算机的性能指标(4)
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 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。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
3
计算机分类
数字计算机与模拟计算机的主要区别
4
计算机分类
电子模拟计算机
计算机
电子数字计算机
通用计算机
专用计算机
超 级 计 算 机
5
大 型 机
服 务 器
工 作 站
微 型 机
单 片 机
计算机的性能指标 (1)
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）。
9
计算机的性能指标(5)
MIPS: 表示每秒百万条指令数，用下式计算： MIPS ＝ 指令条数 程序执行时间 × 106 ＝
时钟频率 CPI × 106
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。
程序执行时间Te为： Te ＝ 指令条数 MIPS × 106
10
计算机的性能指标(6)
23
1805 -Jacquard自动提花机
编程序？？？
24
程序控制思想的萌芽
如何将人的思想传送给机器，让机器按人的 意志自动执行。
1725年，法国纺织机械师B.• ouchon发明 B 利用穿孔纸带控制印花的方法 1805 J.Jacquard 发明采用穿孔卡片的自 动提花机 编程序＝编织花布
30
Analytical Engine
31
Analytical Engine
32
Analytical Engine
33
1940 Mechanical analog machines designed by Lord Kelvin
34
19世纪后期 机械到电的飞跃
机电式计算机
赫尔曼· 霍勒斯制表机
15
最古老的计算器-算盘
算盘被誉作中国“第五大发明”， 陕西歧山西周宫室遗址中出土了90 粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色 70粒，将算盘的发明时间提前到二 千多年前的西周时期。 “价格低廉，绝无故障，节约能源， 十年中无需任何保养”
16
16世纪-17世纪初期 西方人的灵感
1621年-冈特计算尺
赫尔曼·霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形 1888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据 处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。
36
Punched tape/card
Punched cards accelerated the development of twentieth century commerce and industry.
44
1943年英国“巨人”计算机 Colossus
1943年英国科学家研制成功第一 台“巨人”计算机，专门用于破
译德军Enigma密码。
第一台“巨人”有1500个电子管， 5个处理器并行工作，每个处理器 每秒处理5000个字母。
二战期间共有10台“巨人”在英 军服役，平均每小时破译11份德 军情报
45
艾肯的MARK—I
1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持 下，研制成功机电式计算机MARK-I。 世界上最早的通用型自动机电式计算机 之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔 纸带传送指令。 MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米， 高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个 元件和800公里电线，每分钟进行200次 运算。
37
Punched card
The capacity was 2000 cards,
or in modern parlance 20KBytes.
It weighed 6.6Kg.
38
Punched card Process
39
赫尔曼· 霍勒斯制表机
1890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。1900年 美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了 1年零7个月时间。
21
Pascal 机械加法机1642
-4
-3
6 -2 +7 史上第一台机械计算机 十进制运算 齿轮旋转完成加法 齿轮传动完成进位
22
-5 +5 5 4
3
2 9 0 -9 1 -8
-6
-1
8
-7
1673年-G.Leibnitz乘法机器
1673年，德国数学家莱布尼兹 发明乘法机， 步进轮可利用多次加法完成乘法 可以运行完整四则运算。 莱布尼兹同时还提出了“可以用 机械代替人进行繁琐重复的计算 工作”的伟大思想，这一思想至 今鼓舞着人们探求新的计算机。
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。
6
计算机的性能指标(2)
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。
算筹：春秋时期出现。纵式和横式表示 自然数，可进行加减乘除、开方及其它 的代数计算。
一纵十横，百立千僵 ，“运筹帷幄” 负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表 示正数，黑筹表示负数。这种运算工具 和运算方法，在当时世界上是独一无二 的。 祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到 小数点后7位
一個 PFLOPS (petaFLOPS) 等於每秒1千万亿 (=1015) 次的浮點運算，
一個 EFLOPS (exascaleFLOPS) 等於每秒100亿亿 (=1018) 次的浮點運算。
11
本章主要内容
计算机分类、应用
计算机发展简史
计算机硬件系统
计算机软件系统 计算机系统层次结构
12
计算机发展简史
17世纪之前，中国人的智慧之光
16世纪-17世纪初期，西方人的灵感 17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索
机械式计算机
19世纪后期 机械到电的飞跃
机电式计算机
20世纪
电子文明的曙光
电子计算机
13
17世纪以前
中国人的智慧之光
最古老的计算工具-算筹（算子）