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計(jì)算機(jī)組成原理vsT紅軟基地
課程目的：vsT紅軟基地
掌握計(jì)算機(jī)的工作原理， 深刻理解程序在計(jì)算機(jī)硬件上被執(zhí)行的過程。vsT紅軟基地
課程任務(wù)：vsT紅軟基地
第一章  概 論vsT紅軟基地
1.1  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)的發(fā)展vsT紅軟基地
馮·諾依曼vsT紅軟基地
馮·諾依曼（John von Neumann，1903~1957），20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、博弈論和核武器等諸多領(lǐng)域內(nèi)有杰出建樹的最偉大的科學(xué)全才之一，被稱為“計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論之父” 。vsT紅軟基地
1945年6月，馮·諾依曼與莫爾小組成員共同發(fā)表了“101頁報(bào)告”，提出了“馮·諾依曼”體系結(jié)構(gòu)思想。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展的規(guī)律 vsT紅軟基地
摩爾定律vsT紅軟基地
安迪-比爾定律 （What Andy gives， Bill takes away）。vsT紅軟基地
反摩爾定律 vsT紅軟基地
三、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展vsT紅軟基地
第一代8008微處理器 vsT紅軟基地
第二代微處理器vsT紅軟基地
其運(yùn)算速度是第一代的10～15倍，指令系統(tǒng)比較完善，已經(jīng)有了典型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及中斷、DMA功能。支持它們的語言有匯編、BASIC、FORTRAN和PL/M等，后期還開始配備CP/M操作系統(tǒng) vsT紅軟基地
1974年，8位微處理器芯片8080，集成了約4800個(gè)晶體管，每秒執(zhí)行29萬條指令。vsT紅軟基地
1976年，8位微處理器Z－80  vsT紅軟基地
三、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展vsT紅軟基地
第三代微處理器vsT紅軟基地
1978年，16位的微處理器Intel8086，內(nèi)部集成了29000個(gè)晶體管，它的數(shù)據(jù)總線16位（字長），地址總線20位可直接尋址存儲(chǔ)器1MBvsT紅軟基地
1979年，8位的微處理器Intel8088， 1983年，IBM公司推出帶有硬盤的IBMPC/XT機(jī) vsT紅軟基地
16位的Z8000和MC68000  vsT紅軟基地
1982年Intel公司推出了16位處理器80286，集成晶體管達(dá)13萬個(gè)，同檔次的有Motorola的68010。它們的數(shù)據(jù)總線仍然是16位，但地址總線增加到24位。80286有兩種工作模式：實(shí)地址模式和虛地址保護(hù)模式。IBM PC/ATvsT紅軟基地
三、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展vsT紅軟基地
第四代微處理器vsT紅軟基地
1985年Intel公司推出了第四代32位微處理器芯片80386，片內(nèi)集成了27.5萬個(gè)晶體管，它與8086向上兼容，具有32位數(shù)據(jù)線和32位地址線，通用寄存器也擴(kuò)展為32位。vsT紅軟基地
第五代微處理器vsT紅軟基地
1993年Intel公司推出了第五代32位微處理器芯片Pentium(P5)，片內(nèi)集成了320萬個(gè)晶體管，具有64位數(shù)據(jù)線和32位地址線。vsT紅軟基地
第六代微處理器vsT紅軟基地
1995年Intel公司推出了第六代32位微處理器芯片PentiumPro(P6)，片內(nèi)集成了550萬個(gè)晶體管，具有64位數(shù)據(jù)線和36位地址線。vsT紅軟基地
PII，PIII……Pentium4……core（core i3， core i5， core i7(core i7-3960X ， core i7 5960X)….）vsT紅軟基地
三、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展vsT紅軟基地
目前，通用微處理器的方向發(fā)展：vsT紅軟基地
進(jìn)一步提高電路的復(fù)雜度來提高處理器的性能。采用傳統(tǒng)的指令級并行方法加速單線程應(yīng)用，采用更多功能部件、多級Cache、更寬的超標(biāo)量。vsT紅軟基地
通過線程/進(jìn)程級并行性來提高處理器的性能。如多處理器、多線程處理器等。vsT紅軟基地
將存儲(chǔ)器集成到處理器芯片內(nèi)來提高其性能。這樣可使訪存延時(shí)減少5～10倍以上，存儲(chǔ)器帶寬可增加50～100倍。vsT紅軟基地
發(fā)展嵌入式處理器。嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)高性能的途徑與通用處理器不同，大多針對專門的應(yīng)用領(lǐng)域來專門設(shè)計(jì)以滿足高性能、低成本和低功耗的要求。 vsT紅軟基地
四、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用vsT紅軟基地
科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域vsT紅軟基地
工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域vsT紅軟基地
實(shí)時(shí)控制vsT紅軟基地
CAD/CAM vsT紅軟基地
企業(yè)管理 vsT紅軟基地
輔助決策 vsT紅軟基地
商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域 vsT紅軟基地
電子銀行 vsT紅軟基地
電子商務(wù) vsT紅軟基地
教育應(yīng)用領(lǐng)域 vsT紅軟基地
遠(yuǎn)程教學(xué) vsT紅軟基地
模擬教學(xué) vsT紅軟基地
多媒體教學(xué) vsT紅軟基地
數(shù)字圖書館 vsT紅軟基地
生活應(yīng)用領(lǐng)域 vsT紅軟基地
數(shù)字社區(qū) vsT紅軟基地
信息服務(wù) vsT紅軟基地
人工智能領(lǐng)域 vsT紅軟基地
1.2  計(jì)算機(jī)的分類和性能指標(biāo)vsT紅軟基地
一、按計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類vsT紅軟基地
即Michael Flynn分類法：vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序過程中，有2種信息在流動(dòng)。一種是計(jì)算機(jī)指令，它從存儲(chǔ)器流入控制器，并變成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)。另一種是數(shù)據(jù)，從輸入設(shè)備流入存儲(chǔ)器，再流入執(zhí)行部件如運(yùn)算器，運(yùn)算結(jié)果流入存儲(chǔ)器或輸出設(shè)備。vsT紅軟基地
Flynn稱前一種信息為“指令流”，后一種信息為“數(shù)據(jù)流”。因此根據(jù)指令流與數(shù)據(jù)流的不同組合，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以下4類。 vsT紅軟基地
一、按計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類vsT紅軟基地
二、按計(jì)算機(jī)的用途分類vsT紅軟基地
1、通用計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
通用計(jì)算機(jī)是指為解決各種問題，具有較強(qiáng)的通用性而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。該機(jī)適用于一般的科學(xué)計(jì)算、學(xué)術(shù)研究、工程設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等廣泛用途，這類機(jī)器本身有較大的適用面。vsT紅軟基地
2、專用計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
專用計(jì)算機(jī)是指為適應(yīng)某種特殊應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，具有運(yùn)行效率高、速度快、精度高等特點(diǎn)。一般用在過程控制中，如智能儀表、飛機(jī)的自動(dòng)控制、導(dǎo)彈的導(dǎo)航系統(tǒng)等。 vsT紅軟基地
三、按計(jì)算機(jī)的使用方式分類vsT紅軟基地
桌上型計(jì)算機(jī) vsT紅軟基地
桌上型計(jì)算機(jī)包括PC機(jī)、工作站和筆記本型計(jì)算機(jī)，為用戶提供良好的計(jì)算性能和較低成本的工作環(huán)境。桌上型計(jì)算機(jī)是成本低、應(yīng)用廣的計(jì)算機(jī)類型 vsT紅軟基地
服務(wù)器型計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
服務(wù)器型計(jì)算機(jī)是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或具有客戶—服務(wù)器結(jié)構(gòu)的分布式計(jì)算環(huán)境中，為客戶請求提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)。  vsT紅軟基地
嵌入式計(jì)算機(jī) vsT紅軟基地
嵌入式計(jì)算機(jī)是將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)部件，成為某個(gè)設(shè)備的一部分，嵌入式計(jì)算機(jī)成本更低，用途更廣。它的結(jié)構(gòu)一般是面向特定應(yīng)用。不同的嵌入式應(yīng)用有不同的要求，需要根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行專門的開發(fā)設(shè)計(jì)。 vsT紅軟基地
四、按計(jì)算機(jī)的規(guī)模分類vsT紅軟基地
1、巨型計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量大，價(jià)格相當(dāng)昂貴，主要用于復(fù)雜、尖端的科學(xué)研究領(lǐng)域，特別是軍事科學(xué)計(jì)算。vsT紅軟基地
2、大/中型計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
通用性能好、外部設(shè)備負(fù)載能力強(qiáng)、處理速度快。它有完善的指令系統(tǒng)，豐富的外部設(shè)備和功能齊全的軟件系統(tǒng)，并允許多個(gè)用戶同時(shí)使用。主要用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理或做網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。vsT紅軟基地
3、小型計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
具有規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作簡單、易于維護(hù)、與外部設(shè)備連接容易等特點(diǎn)。vsT紅軟基地
4、微型計(jì)算機(jī)：簡稱微機(jī)vsT紅軟基地
以運(yùn)算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線，構(gòu)成了體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低但又具有一定功能的計(jì)算機(jī)。vsT紅軟基地
五、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)分類vsT紅軟基地
1、機(jī)器字長vsT紅軟基地
CPU一次能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)vsT紅軟基地
2、存儲(chǔ)容量vsT紅軟基地
存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長vsT紅軟基地
單位：字節(jié)  1字節(jié)（B）=8位  vsT紅軟基地
度量：1K=210  1M=220 1G=230 vsT紅軟基地
3、運(yùn)算速度（MIPS、CPI、FLOPS）vsT紅軟基地
4、可配置的外設(shè)vsT紅軟基地
5、性能價(jià)格比vsT紅軟基地
6、可靠性、可維修性和可用性vsT紅軟基地
除此之外，評價(jià)計(jì)算機(jī)時(shí)還會(huì)看它的兼容性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)對環(huán)境的要求，耗電量的大小等 vsT紅軟基地
1.3  計(jì)算機(jī)的基本組成vsT紅軟基地
一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成vsT紅軟基地
一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括兩大部分，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。vsT紅軟基地
一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成vsT紅軟基地
軟件和硬件之間的關(guān)系vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)是依靠硬件和軟件的協(xié)同工作來執(zhí)行一個(gè)具體任務(wù)。vsT紅軟基地
硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而軟件又是硬件功能的擴(kuò)充和完善。vsT紅軟基地
任何軟件都是建立在硬件基礎(chǔ)上的，任何軟件也離不開硬件的支持。vsT紅軟基地
如果沒有軟件的支持，硬件的功能就不能得到充分的發(fā)揮。vsT紅軟基地
一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成vsT紅軟基地
馮·諾依曼（Von Neumann ）體系結(jié)構(gòu)vsT紅軟基地
1946年由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮 · 諾伊曼提出vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多變化，但Von Neumann提出的二進(jìn)制、程序存儲(chǔ)和程序控制，依然是普遍遵循的原則。vsT紅軟基地
馮·諾伊曼的存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基本思想是：vsT紅軟基地
采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令；指令由操作碼和地址碼組成。vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)vsT紅軟基地
把編好的程序和原始數(shù)據(jù)預(yù)先存入計(jì)算機(jī)主存中，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)地從存儲(chǔ)器中取出一條條指令并執(zhí)行，從而自動(dòng)完成預(yù)定的任務(wù)；即“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”的概念。vsT紅軟基地
指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成，并規(guī)定了五大部件的基本功能。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送通過運(yùn)算器完成。vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)vsT紅軟基地
典型的馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（以運(yùn)算器為中心）vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)vsT紅軟基地
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（以存儲(chǔ)器為中心）vsT紅軟基地
總線結(jié)構(gòu)的馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖vsT紅軟基地
系統(tǒng)總線：包括地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）、控制總線（CB）vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（五大部件）vsT紅軟基地
1、存儲(chǔ)器 vsT紅軟基地
功能：存放指令和數(shù)據(jù)。vsT紅軟基地
操作：vsT紅軟基地
存儲(chǔ)器讀操作：從存儲(chǔ)器取出數(shù)據(jù)，又稱為讀出。vsT紅軟基地
存儲(chǔ)器寫操作：向存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)，又稱為寫入；vsT紅軟基地
概念：vsT紅軟基地
存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的部件，每個(gè)單元可以存放一個(gè)字或字節(jié)的信息，存儲(chǔ)器就是存儲(chǔ)單元的集合。vsT紅軟基地
單元地址：存儲(chǔ)單元的編號(hào)，是區(qū)分存儲(chǔ)器中不同存儲(chǔ)單元的唯一標(biāo)志。vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（五大部件）vsT紅軟基地
2、運(yùn)算器vsT紅軟基地
功能：在控制器控制下，進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。vsT紅軟基地
運(yùn)算器的技術(shù)性能高低直接影響著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和整機(jī)性能。vsT紅軟基地
3、控制器vsT紅軟基地
功能：對當(dāng)前指令進(jìn)行譯碼分析其所需要完成的操作，產(chǎn)生并發(fā)送各部件所需要的控制信號(hào)，從而使整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)、協(xié)調(diào)地工作。vsT紅軟基地
控制器是計(jì)算機(jī)的控制指揮部件，也是整個(gè)計(jì)算機(jī)的控制中心。vsT紅軟基地
二、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（五大部件）vsT紅軟基地
4、輸入設(shè)備vsT紅軟基地
功能：將外界的信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼。輸入設(shè)備是給計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。vsT紅軟基地
5、輸出設(shè)備vsT紅軟基地
功能：將計(jì)算機(jī)處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們或其他設(shè)備所能接收的形式。vsT紅軟基地
三、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)vsT紅軟基地
1．系統(tǒng)軟件vsT紅軟基地
2、應(yīng)用軟件：又稱為應(yīng)用程序，它是用戶在各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)具體的任務(wù)需要所開發(fā)編制的各種程序。vsT紅軟基地
如工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、科學(xué)計(jì)算程序等等。vsT紅軟基地
1．系統(tǒng)軟件vsT紅軟基地
系統(tǒng)軟件是指管理、調(diào)度、監(jiān)視和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件資源的程序集合，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，確保高效率運(yùn)行。vsT紅軟基地
（1）操作系統(tǒng)vsT紅軟基地
操作系統(tǒng)是直接運(yùn)行在裸機(jī)上的最基本的系統(tǒng)軟件，是系統(tǒng)軟件的核心，任何其他軟件必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。vsT紅軟基地
操作系統(tǒng)（Operating System）的功能：vsT紅軟基地
管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種軟、硬件資源，使其被高效使用；vsT紅軟基地
為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和用戶之間提供接口，為用戶提供方便。vsT紅軟基地
（2）語言處理程序vsT紅軟基地
功能：將高級語言編寫的程序翻譯成計(jì)算機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的二進(jìn)制機(jī)器指令，然后供計(jì)算機(jī)執(zhí)行。又稱為翻譯程序。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)語言vsT紅軟基地
程序是計(jì)算機(jī)語言的具體體現(xiàn)，是用某種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言按問題的要求編寫而成的。程序就是指令的有序集合。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序的過程vsT紅軟基地
四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)vsT紅軟基地
使用計(jì)算機(jī)解題的過程vsT紅軟基地
本章小結(jié)vsT紅軟基地
電子計(jì)算機(jī)的歷史分為以下幾個(gè)階段：vsT紅軟基地
1946年～1959年  第一代，電子管計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
1956年～1964年  第二代，晶體管計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
1964年～1975年  第三代，中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)vsT紅軟基地
1975年～1990年  第四代，大規(guī)模、超大規(guī)集成電路（LSI，VLSI）計(jì)算機(jī)，第一、第二代微處理器vsT紅軟基地
1990年～至今     第五代，甚大規(guī)模集成電路（ULSI）計(jì)算機(jī)，第三、四、五、六代及多核微處理器vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)的分類有多種方法。vsT紅軟基地
決定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能有許多因素，其中計(jì)算機(jī)的硬件性能指標(biāo)包括機(jī)器字長、存儲(chǔ)器容量、運(yùn)算速度和配置外設(shè)等。vsT紅軟基地
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。馮·諾伊曼（Von Neumann）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件以操作系統(tǒng)為核心。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從底層向上層分別為：微程序級（硬件）、機(jī)器指令級（與硬件緊密相關(guān)）、操作系統(tǒng)級、語言處理程序及其他系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)組成原理課程所要討論的主要是最底二層。vsT紅軟基地

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