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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。
《计算机组成原理》ppt课件
输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机 可识别的二进制代码，如键盘、 鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等，用于管理输 入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 类可读的形式，如显示器、打印 机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机，实现 数据缓冲、电平转换和信号匹配 等功能。
括通用寄存器、专用寄存 器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令，并将其放入指令寄存器 中。
执行
根据微操作命令序列，控制运算器、寄存器 等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序 列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz或 GHz表示，主频越高，CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算， 处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址， 提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域，直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器（Cache）
位于CPU和主存之间，存取速度接近CPU，用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋 势，通过云计算平台提供的大数据服务， 可以实现海量数据的存储、处理和分析。 计算机组成原理在云计算和大数据融合 中发挥着重要作用，为构建高效、稳定 的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势
计算机组成原理(本全PPT)
应用
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
计算机组成原理第课件
内存的分类与结构
结构 内存条：由多个记忆单元（cell）组成，每个记忆单元包含一个晶体管和一个电容
内存条上还有地址译码器、数据缓冲器等其他组件
内存的工作原理
静态存储器（SRAM）工作原理
利用双稳态电路的记忆特性来存储信息，具有速度快、集成度高的优点，但功耗较大，价格也较高。
动态存储器（DRAM）工作原理
结构
CPU主要由运算器和控制器组成，运 算器负责执行算术和逻辑运算，控制 器负责控制指令的执行顺序。
功能
CPU是计算机的核心部件，负责执行 程序中的指令，处理数据，控制计算 机的各个部件协调工作。
CPU的工作原理
指令执行
CPU从内存中取出指令并解码，然后根据指令操作码执行相应的操作，最后将 结果写回到内存或寄存器中。
计算机组成原理课件
目 录
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出设备 • 计算机系统总线 • 计算机系统网络
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
电子计算机时代
20世纪40年代，基于电子管技 术的第一台计算机诞生。
个人计算机时代
20世纪80年代，个人计算机（ PC）的出现，计算机进入家庭 和企业。
鼠标
触摸屏
鼠标用于在屏幕上选择、拖动和点击，其 内部结构包括滚轮、传感器、电路板等部 分。
触摸屏是一种新型的输入设备，用户可以 通过直接触摸屏幕进行操作，常见于手机 、平板电脑等移动设备。
输出设备的分类与结构
总结词
了解输出设备的分类和结构是理解计 算机如何将信息呈现给用户的关键。
显示器
显示器用于显示文字、图像和视频， 其内部结构包括背光灯、液晶面板、 控制电路等部分。
计算机组成原理课件
电子管的出现使得计算机进入 了电子时代，但体积庞大、功 耗高。
晶体管计算机时代
晶体管的发明大大缩小了计算 机体积，提高了运算速度。
集成电路计算机时代
集成电路将多个晶体管等元件 集成在一起，进一步提高了计
算机性能。
计算机系统组成
硬件系统
包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等 。
软件系统
包括操作系统、应用软件等，是计算机运行所必需的 程序和数据。
将执行结果写回到指定的寄存器或存 储器中，以便后续指令使用。
指令优化策略
减少指令条数
通过选用功能更强的指令或 合并多条指令的功能，减少 程序中的指令条数，提高程 序执行效率。
降低指令复杂度
简化指令的功能和操作，降 低指令的复杂度和执行时间 。
优化寻址方式
根据程序的特点和数据访问 模式，选用合适的寻址方式 ，减少访存次数和地址计算 时间。
1
中断方式
外设准备好后向CPU发送中 断请求，CPU响应中断并进
行数据交换，效率较高。
DMA方式
直接内存访问，外设直接与 内存进行数据交换，无需 CPU干预，效率更高。
通道方式
通道控制器控制多个外设与 内存进行数据交换，实现并 行操作。
THANKS.
外部总线
连接外部设备，如USB、SATA等，扩展性强，但传输速度较慢 。
内部总线
位于CPU内部，连接各个功能部件，速度快，但不可见。
总线仲裁与通信控制方法
仲裁方式
包括链式查询、计数器定时查询和独 立请求等，用于解决多个设备同时请 求总线时的冲突问题。
通信控制方法
包括同步通信、异步通信和半同步通 信等，用于保证数据传输的正确性和 可靠性。
晶体管计算机时代
晶体管的发明大大缩小了计算 机体积，提高了运算速度。
集成电路计算机时代
集成电路将多个晶体管等元件 集成在一起，进一步提高了计
算机性能。
计算机系统组成
硬件系统
包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等 。
软件系统
包括操作系统、应用软件等，是计算机运行所必需的 程序和数据。
将执行结果写回到指定的寄存器或存 储器中，以便后续指令使用。
指令优化策略
减少指令条数
通过选用功能更强的指令或 合并多条指令的功能，减少 程序中的指令条数，提高程 序执行效率。
降低指令复杂度
简化指令的功能和操作，降 低指令的复杂度和执行时间 。
优化寻址方式
根据程序的特点和数据访问 模式，选用合适的寻址方式 ，减少访存次数和地址计算 时间。
1
中断方式
外设准备好后向CPU发送中 断请求，CPU响应中断并进
行数据交换，效率较高。
DMA方式
直接内存访问，外设直接与 内存进行数据交换，无需 CPU干预，效率更高。
通道方式
通道控制器控制多个外设与 内存进行数据交换，实现并 行操作。
THANKS.
外部总线
连接外部设备，如USB、SATA等，扩展性强，但传输速度较慢 。
内部总线
位于CPU内部，连接各个功能部件，速度快，但不可见。
总线仲裁与通信控制方法
仲裁方式
包括链式查询、计数器定时查询和独 立请求等，用于解决多个设备同时请 求总线时的冲突问题。
通信控制方法
包括同步通信、异步通信和半同步通 信等，用于保证数据传输的正确性和 可靠性。
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⒌可靠性：指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通 常用MTBF(Mean Time Between Failures)。可以理解为连续两次故 障之间的平均间隔。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
（a） 集中刷新
②分散刷新： 将每个读写周期分为两段。前一段时间tM为正常读/写操作，后一 段时间tR为刷新操作。设每个读/写周期为0.5 s，则分散刷新方法 中的读/写周期为1s，虽然消除了死区，但速度降低一倍。2ms内 只能进行2000次读/写操作，同时进行2000次的刷新操作(过于频繁)， 没有充分利用2ms刷新周期的间隔。读/写次数比集中刷新少了1872 次。
计算机组成原理
图4-1 主存储器的基本组成
主存中可寻址的最小单位称为编址单位。
某些计算机是按字进行编址的，最小的可寻址信息单元是一个机 器字，连续的存储器地址对应于连续的机器字。 • 目前多数计算机是按字节编址的，最小可寻址单位是一个字节。 • 一个32位字长的按字节寻址的计算机，一个存储器字包含四个可 单独寻址的字节单元，由地址的低两位来区分。 • 地址寄存器
• 地址译码与驱动电路的作用 • 读写电路与数据寄存器的作用 • 时序控制电路 • 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据，它和CPU的关系 最为密切。主存与CPU间的连接是由总线支持的，连接形式如图42所示。 • 存储器基本操作是读(取)和写(存)。
图4-2 主存与CPU间的连接
目前多数计算机采用同步方式，数据传送在固定的时间间隔内完 成，此时间间隔构成了存储器的一个存储周期。
FAMOS存储电路
⑶用电实现擦除的PROM(electrically erasable programmable ROM。EEPROM)
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
（a） 集中刷新
②分散刷新： 将每个读写周期分为两段。前一段时间tM为正常读/写操作，后一 段时间tR为刷新操作。设每个读/写周期为0.5 s，则分散刷新方法 中的读/写周期为1s，虽然消除了死区，但速度降低一倍。2ms内 只能进行2000次读/写操作，同时进行2000次的刷新操作(过于频繁)， 没有充分利用2ms刷新周期的间隔。读/写次数比集中刷新少了1872 次。
计算机组成原理
图4-1 主存储器的基本组成
主存中可寻址的最小单位称为编址单位。
某些计算机是按字进行编址的，最小的可寻址信息单元是一个机 器字，连续的存储器地址对应于连续的机器字。 • 目前多数计算机是按字节编址的，最小可寻址单位是一个字节。 • 一个32位字长的按字节寻址的计算机，一个存储器字包含四个可 单独寻址的字节单元，由地址的低两位来区分。 • 地址寄存器
• 地址译码与驱动电路的作用 • 读写电路与数据寄存器的作用 • 时序控制电路 • 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据，它和CPU的关系 最为密切。主存与CPU间的连接是由总线支持的，连接形式如图42所示。 • 存储器基本操作是读(取)和写(存)。
图4-2 主存与CPU间的连接
目前多数计算机采用同步方式，数据传送在固定的时间间隔内完 成，此时间间隔构成了存储器的一个存储周期。
FAMOS存储电路
⑶用电实现擦除的PROM(electrically erasable programmable ROM。EEPROM)
《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）。
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
计算机组成原理(本全)ppt课件
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
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Memory I/O
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Computer
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Von Neumann计算机
Von Neumann Machine
Processor
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Datapath
Memory
I/O
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
15
Bus-Based Computer
计算机科学与技术学院
1974 8080
1974 CRAY-1
1978 VAX
1981 IBM PC
1985 MIPS
1987 SPARC
1990 RS6000 计算机科学与技术学院
制造者 Babbage Zuse 英国政府 Aiken Eckert/Mauchley Wilkes M.I.T. Von Neumann DEC IBM IBM Burroughs IBM CDC DEC DEC Intel Cray DEC IBM MIPS Sun IBM
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
8
教材和参考书
教材
《计算机组成与设计》 王诚著 清华大学出版社 《计算机组成与设计实验指导》(第2版) 王诚著 清华大学出版社
参考书目
《计算机组成与结构》刘卫东 编 机械工业出版社 《计算机组成—结构化方法》 刘卫东 宋佳兴 徐恪译 人民邮电出版社 Computer Organization & Design The hardware/software interface 机械工业出版社 Computer organization and architecture Designing for performance 清华大学出版社
计算机组成原理
4
学习目标
掌握单CPU计算机的完整硬件组成 基本运行原理 内部运行机制 了解计算机系统的最新发展 达到能独立设计一台完整计算机的水平 知识和能力两方面都提高
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
5
教学环节和学习方法
课堂讲授 阅读参考资料 思考 习题 完成实验及报告 讨论和总结 考试
博学 审问 慎思 明辨 笃行
John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977)
Jack Kilby (1958)
Gen-4: VLSI (1978-present) Gen-5: Optical?
Quantum? 生物？
说明
建造数字计算机的第一次尝试
第一台使用继电器的计算机器
第一台电子计算机
第一台美国通用计算机
现代计算机历史从它开始
第一台存储程序的计算机
第一台实时计算机
大多数现代计算机还用的设计
第一台小型机（销售 50 台）
非常流行的小型商用机
60 年代早期的主流科学计算用机
面向高级语言设计的第一台计算机
系列机的第一个产品
Machine Language Program (MIPS)
Machine Interpretation
Control Signal Specification
° 计算机科学与技术学院°
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111
计算机组成 Compiler
Assembly Language Program (e.g.,MIPS)
Assembler
temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
lw $to, 0($2) lw $t1, 4($2) sw$t1, 0($2) sw$t0, 4($2)
11
现代计算机
功能部件
CPU
Data Path Controller
Memory I/O
Intel Pentium
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
12
计算机运行机制
Control Datapath
Input Memory
Output
Datapath: 完成算术和逻辑运算， 通常包括其中的寄存器。 Control: CPU的组成部分，它根 据程序指令来指挥datapath， memory以及I/O运行，共同完成 程序功能。 Memory: 存放运行时程序及其 所需要的数据的场所。 Input: 信息进入计算机的设备， 如键盘、鼠标等。 Output: 将计算结构展示给用户 的设备，如显示器、磁盘、打 印机、喇叭等。
1936 Z1
1943 COLOSSUS
1944 Mark I
1946 ENIAC I
1949 EDSAC
1951 Whirlwind I
1952 IAS
1960 PDP-1
1961 1401
1962 7094
1963 B5000
1964 360
1964 6600
1965 PDP-8
1970 PDP-11
计算机组成原理
第一单元 第一讲 学习目的3;32 先修课程：
数字逻辑、高级语言程序设计
后续课程：
操作系统、系统结构、编译原理、计算机网络…
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
2
学习目的
了解计算机的组成
五大组成部件
掌握计算机的运行原理
计算机为什么能执行高级语言程序
运算速度：5000次加法/秒
使用十进制数
20个寄存器，每个存放10位的十进制数
通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
33
Von Neumann机IAS
现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件
将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。 采用二进制数据：简化了存储器
了解现代计算机中的一些核心技术
流水、Cache、并行
培养设计计算机的技能 提高编程能力 成为计算机科学家、计算机专家
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
3
主要教学内容
计算机的层次结构 运算器的功能、组成和基本运行原理 控制器的功能、组成和运行原理 存储器及层次存储器系统 输入/输出设备和总线
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计算机组成原理
6
考评办法
习题和作业
作业缺交2次（含），作业成绩为0 发现抄袭现象，作业成绩为0。 若作业成绩为0，则考试无效。 作业要求上交手写版，不接受电子版和打印版
实验和报告
实验报告可按照要求，提交电子版
考试 总成绩评定
If 考试成绩>=全年级考试成绩的平均值/2 Then 总评成绩=考试成绩*40%+Project成绩*50%+作业成绩 *10% Else 总评成绩=考试成绩
只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数 点的位置。
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34
第一台小型计算机：PDP-1
1957年由DEC公司生产 第二代计算机（晶体管） 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒 售价120000美元。售出50台。
计算机组成原理
32
第一台通用电子计算机ENIAC
Electronic Numerical and Integrate Calculator
Mauchly and Eckert 设计
1946年2月14日
第一台通用电子计算机，设计用 于计算火炮的弹道
重30吨，占地15000平方英尺， 18000个电子管，耗电 140KW
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30
Vannevar Bush:Memex
保存有10亿本图书的书柜 可按照人们的需要，对图书进行照相 甚至可以记录人们的声音 保存并共享人类历史上的知识 Web之父
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31
现代计算机的里程碑
年代
机器名称
1834 Analytical Engine
1833年，分析机（Analytical Engine），通用机器
Ada Augusta Lovelace，第一位
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程序员
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27
图灵机
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1937年，Alan Turing提出一种 “通用”计算机的概念，它可以 执行任何一个描述好的程序（算 法），实现需要的功能，形成了 “可计算性”概念的基础。
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26
古代及近代计算技术
公元前500年，中国出现算盘
1642年，Blaise Pascal发明 自动进位的加法机器，齿轮 16世纪，Alkhowarizmi 驱动拨盘，在窗口显示结果 提出算法概念，并出版
以算法（Algorithm） 1822年，Charles Babbage， 为题的书籍 微分机（Differential Engie）
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9
计算机里有什么？
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10
计算机基本组成
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构成计算机的基础理 论大部分已经有50年 了。 目前，计算机的关键 部件也没有大的改变
CPU
Data Path Controller
Memory I/O
计算机组成原理
Computer
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13
Von Neumann计算机
Von Neumann Machine
Processor
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14
Datapath
Memory
I/O
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15
Bus-Based Computer
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1974 8080
1974 CRAY-1
1978 VAX
1981 IBM PC
1985 MIPS
1987 SPARC
1990 RS6000 计算机科学与技术学院
制造者 Babbage Zuse 英国政府 Aiken Eckert/Mauchley Wilkes M.I.T. Von Neumann DEC IBM IBM Burroughs IBM CDC DEC DEC Intel Cray DEC IBM MIPS Sun IBM
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教材和参考书
教材
《计算机组成与设计》 王诚著 清华大学出版社 《计算机组成与设计实验指导》(第2版) 王诚著 清华大学出版社
参考书目
《计算机组成与结构》刘卫东 编 机械工业出版社 《计算机组成—结构化方法》 刘卫东 宋佳兴 徐恪译 人民邮电出版社 Computer Organization & Design The hardware/software interface 机械工业出版社 Computer organization and architecture Designing for performance 清华大学出版社
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4
学习目标
掌握单CPU计算机的完整硬件组成 基本运行原理 内部运行机制 了解计算机系统的最新发展 达到能独立设计一台完整计算机的水平 知识和能力两方面都提高
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5
教学环节和学习方法
课堂讲授 阅读参考资料 思考 习题 完成实验及报告 讨论和总结 考试
博学 审问 慎思 明辨 笃行
John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977)
Jack Kilby (1958)
Gen-4: VLSI (1978-present) Gen-5: Optical?
Quantum? 生物？
说明
建造数字计算机的第一次尝试
第一台使用继电器的计算机器
第一台电子计算机
第一台美国通用计算机
现代计算机历史从它开始
第一台存储程序的计算机
第一台实时计算机
大多数现代计算机还用的设计
第一台小型机（销售 50 台）
非常流行的小型商用机
60 年代早期的主流科学计算用机
面向高级语言设计的第一台计算机
系列机的第一个产品
Machine Language Program (MIPS)
Machine Interpretation
Control Signal Specification
° 计算机科学与技术学院°
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111
计算机组成 Compiler
Assembly Language Program (e.g.,MIPS)
Assembler
temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
lw $to, 0($2) lw $t1, 4($2) sw$t1, 0($2) sw$t0, 4($2)
11
现代计算机
功能部件
CPU
Data Path Controller
Memory I/O
Intel Pentium
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计算机运行机制
Control Datapath
Input Memory
Output
Datapath: 完成算术和逻辑运算， 通常包括其中的寄存器。 Control: CPU的组成部分，它根 据程序指令来指挥datapath， memory以及I/O运行，共同完成 程序功能。 Memory: 存放运行时程序及其 所需要的数据的场所。 Input: 信息进入计算机的设备， 如键盘、鼠标等。 Output: 将计算结构展示给用户 的设备，如显示器、磁盘、打 印机、喇叭等。
1936 Z1
1943 COLOSSUS
1944 Mark I
1946 ENIAC I
1949 EDSAC
1951 Whirlwind I
1952 IAS
1960 PDP-1
1961 1401
1962 7094
1963 B5000
1964 360
1964 6600
1965 PDP-8
1970 PDP-11
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第一单元 第一讲 学习目的3;32 先修课程：
数字逻辑、高级语言程序设计
后续课程：
操作系统、系统结构、编译原理、计算机网络…
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2
学习目的
了解计算机的组成
五大组成部件
掌握计算机的运行原理
计算机为什么能执行高级语言程序
运算速度：5000次加法/秒
使用十进制数
20个寄存器，每个存放10位的十进制数
通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程
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将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。 采用二进制数据：简化了存储器
了解现代计算机中的一些核心技术
流水、Cache、并行
培养设计计算机的技能 提高编程能力 成为计算机科学家、计算机专家
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主要教学内容
计算机的层次结构 运算器的功能、组成和基本运行原理 控制器的功能、组成和运行原理 存储器及层次存储器系统 输入/输出设备和总线
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考评办法
习题和作业
作业缺交2次（含），作业成绩为0 发现抄袭现象，作业成绩为0。 若作业成绩为0，则考试无效。 作业要求上交手写版，不接受电子版和打印版
实验和报告
实验报告可按照要求，提交电子版
考试 总成绩评定
If 考试成绩>=全年级考试成绩的平均值/2 Then 总评成绩=考试成绩*40%+Project成绩*50%+作业成绩 *10% Else 总评成绩=考试成绩
只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数 点的位置。
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第一台小型计算机：PDP-1
1957年由DEC公司生产 第二代计算机（晶体管） 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒 售价120000美元。售出50台。
计算机组成原理
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第一台通用电子计算机ENIAC
Electronic Numerical and Integrate Calculator
Mauchly and Eckert 设计
1946年2月14日
第一台通用电子计算机，设计用 于计算火炮的弹道
重30吨，占地15000平方英尺， 18000个电子管，耗电 140KW
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计算机组成原理
30
Vannevar Bush:Memex
保存有10亿本图书的书柜 可按照人们的需要，对图书进行照相 甚至可以记录人们的声音 保存并共享人类历史上的知识 Web之父
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
31
现代计算机的里程碑
年代
机器名称
1834 Analytical Engine
1833年，分析机（Analytical Engine），通用机器
Ada Augusta Lovelace，第一位
计算机科学与技术学院
程序员
计算机组成原理
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图灵机
计算机科学与技术学院
1937年，Alan Turing提出一种 “通用”计算机的概念，它可以 执行任何一个描述好的程序（算 法），实现需要的功能，形成了 “可计算性”概念的基础。
计算机科学与技术学院
计算机组成原理
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古代及近代计算技术
公元前500年，中国出现算盘
1642年，Blaise Pascal发明 自动进位的加法机器，齿轮 16世纪，Alkhowarizmi 驱动拨盘，在窗口显示结果 提出算法概念，并出版
以算法（Algorithm） 1822年，Charles Babbage， 为题的书籍 微分机（Differential Engie）