計(jì)算機(jī)組成原理(考研)課件

本課程地位

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)的基本組成與工作原理，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)為學(xué)習(xí)本專(zhuān)業(yè)后續(xù)課程和進(jìn)行與硬件有關(guān)的技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)所設(shè)置課程中的地位極為重要，由ACM和IEEE/CS聯(lián)合教程專(zhuān)題組1990年發(fā)表的《ComputingCurricula1991》、2001年3月發(fā)表的《ComputingCurricula2001》和2005年9月發(fā)表的《ComputingCurricula2005》中都將本課程列為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的主干課程。64學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。本課程主要是以一個(gè)簡(jiǎn)化了的但又是完備的單處理機(jī)系統(tǒng)為例講解計(jì)算機(jī)的組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，包括運(yùn)算器部件、控制器部件、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、輸入/輸出子系統(tǒng)（總線與接口等）與輸入/輸出系統(tǒng)設(shè)備，按照各自的功能、組成、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、使用等知識(shí)進(jìn)行組織。計(jì)算機(jī)組成原理（第三版），白中英主編，科學(xué)出版社。ComputerOrganizationandArchitecture,DesigningforPerformance,FifthEdition計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)(第五版/影印版),WilliamStallings著，PrenticeHall/Pearson，高等教育出版社(國(guó)外優(yōu)秀信息科學(xué)與技術(shù)系列教學(xué)用書(shū))。

教學(xué)內(nèi)容課內(nèi)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

3學(xué)時(shí)

二、計(jì)算機(jī)的邏輯部件5學(xué)時(shí)

三、運(yùn)算方法和運(yùn)算部件

9學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)四、主存儲(chǔ)器

6學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)五、指令系統(tǒng)5學(xué)時(shí)

六、中央處理器(CPU)10學(xué)時(shí)10學(xué)時(shí)七、存儲(chǔ)系統(tǒng)6學(xué)時(shí)

八、輔助存儲(chǔ)器2學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)九、輸入輸出(I/O)設(shè)備2學(xué)時(shí)

十、輸入輸出(I/O)系統(tǒng)3學(xué)時(shí)

6學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(目錄部分)1.1計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言

1.2計(jì)算機(jī)的硬件1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1.6

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)1.7習(xí)題與作業(yè)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言分為低級(jí)語(yǔ)言(機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言)和高級(jí)語(yǔ)言?xún)深?lèi)。也可分為機(jī)器語(yǔ)言、通用的編程語(yǔ)言(匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言)計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言自然語(yǔ)言：人類(lèi)相互交流信息所用的語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言：和自然語(yǔ)言接近并能為計(jì)算機(jī)接受的語(yǔ)言，這種語(yǔ)言被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言。

BASIC,PASCAL,C,JAVA….機(jī)器語(yǔ)言：由二進(jìn)制代碼表示的指令組成，計(jì)算機(jī)能直接執(zhí)行的語(yǔ)言，這種語(yǔ)言被稱(chēng)為機(jī)器語(yǔ)言.

10011匯編語(yǔ)言：符號(hào)式(助記符mnemonicsymbol）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

MOVAX,BX第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言)1、指令是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。2、指令格式操作碼地址碼機(jī)器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對(duì)象（具體數(shù)、存放位置）

3、工作原理

不斷的取指令和執(zhí)行指令，最后將計(jì)算的結(jié)果放入指令指定的存儲(chǔ)器地址中。例如：ADDAX,BXBASIC語(yǔ)言語(yǔ)句：LETd=b*b-4*a*c機(jī)器語(yǔ)言：1.MULBB;b2送B2.MULAE;4a送入A3.MULAC;4ac送A4.SUBBA;b2–4ac送B5.MOVDB;b2–4ac從B送到DAaBbCcDdE4將指令存放在相鄰的存儲(chǔ)單元中：nMULn+7n+7;b2送Bn+1MULn+6n+10;4a送入An+2MULn+6n+8;4ac送An+3SUBn+7n+6;b2–4ac送Bn+4MOVn+9n+7;b2–4ac從B送到Dn+5HLT;停機(jī)指令n+6an+7bn+8cn+9dn+104第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)運(yùn)算器存儲(chǔ)器I/O設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制器CPUI/O接口I/O設(shè)備I/O接口組成計(jì)算機(jī)的基本部件有中央處理器CPU（運(yùn)算器和控制器）、存儲(chǔ)器和輸入、輸出設(shè)備。運(yùn)算控制部件（CPU)存儲(chǔ)器輸入/輸出輸入/輸出地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB……第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)圖1.1以總線連接的計(jì)算機(jī)框圖第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線分類(lèi):單向總線雙向總線傳送方向數(shù)據(jù)總線控制總線信息種類(lèi)地址總線單總線三總線總線數(shù)目雙總線內(nèi)總線外總線物理位置單向總線雙向總線傳送方式芯片級(jí)總線:接口總線:三個(gè)層次系統(tǒng)總線:一個(gè)功能部件內(nèi)部的總線，CPU內(nèi)

單機(jī)系統(tǒng)各功能部件間的總線

連接不同系統(tǒng)的總線

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線結(jié)構(gòu):2.單總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備擴(kuò)充、增刪方便、靈活缺點(diǎn)：分時(shí)使用總線第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線結(jié)構(gòu):3.面向存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：存取速度提高，減輕了系統(tǒng)總線負(fù)擔(dān)缺點(diǎn)：硬件成本高，總線控制邏輯復(fù)雜第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機(jī)常用總線結(jié)構(gòu)⑴按相對(duì)于CPU或其它芯片的位置可分為?片內(nèi)總線:在CPU內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線。?片外總線:是CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設(shè)備接口之間進(jìn)行通訊的通路。注意:

?CPU總線、存儲(chǔ)總線、外部總線在系統(tǒng)板上，不同的系統(tǒng)采用不同的芯片集。這些總線不完全相同，也不存在互換性問(wèn)題。?系統(tǒng)總線是與I/O擴(kuò)充插槽相連的，I/O插槽中可插入各式各樣的擴(kuò)充板卡，作為各種外設(shè)的適配器與外設(shè)連接。系統(tǒng)總線必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便按照這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)各類(lèi)適配卡。?我們要討論的總線就是系統(tǒng)總線，各種總線標(biāo)準(zhǔn)也主要是指系統(tǒng)總線的標(biāo)準(zhǔn)(PC機(jī)上的系統(tǒng)總線又可分為ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多種標(biāo)準(zhǔn))。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機(jī)常用總線結(jié)構(gòu)⑷按總線在微機(jī)系統(tǒng)中的位置可分為：?機(jī)內(nèi)總線:上面介紹的各類(lèi)都是機(jī)內(nèi)總線。?機(jī)外總線(PeripheralBus—外設(shè)總線):指與外部設(shè)備接口的總線，實(shí)際上是一種外設(shè)的接口標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明:目前PC機(jī)上流行的接口標(biāo)準(zhǔn)：IDE、SCSI、USB和IEEE1394，前兩種主要是與硬盤(pán)、光驅(qū)等IDE設(shè)備接口，后面兩種新型外部總線可以用來(lái)連接多種外部設(shè)備。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機(jī)常用總線結(jié)構(gòu)(5)局部總線在以Windows為代表的圖形用戶(hù)接口(GUI)進(jìn)入PC機(jī)之后，要求有高速的圖形描繪能力和I/O處理能力。這不僅要求圖形適配卡要改善其性能，也對(duì)總線的速度提出了挑戰(zhàn)。實(shí)際上當(dāng)時(shí)外設(shè)的速度已有了很大的提高，如硬磁盤(pán)與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)10MB/s以上，圖形控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸率也達(dá)到69MB/s。通常認(rèn)為I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求，而成為整個(gè)系統(tǒng)的主要瓶頸。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)總線結(jié)構(gòu):4.PC機(jī)常用總線結(jié)構(gòu)CPU(微處理器)介紹微處理器主流廠家大型機(jī)IBM、SUN微機(jī)Intel、AMD嵌入式ARM、MIPS中國(guó)芯：龍芯MIPS公司:MicroprocessorwithoutinterlockedpipedstagesARM公司:AdvancedRISCMachine微處理器發(fā)展簡(jiǎn)史微處理器IBMIntelAMD(AdvancedMicroDevices)(超微)微處理器的發(fā)展(機(jī)械時(shí)代)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展(進(jìn)入機(jī)電時(shí)代)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)”晶體管之父”的肖克利（W.Shockley）博士諾宜斯（N.Noyce）、摩爾（R.Moore）、布蘭克（J.Blank）、克萊爾（E.Kliner）、赫爾尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、羅伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆仙童半導(dǎo)體公司FairChild集成電路之父杰克·基爾比微處理器的發(fā)展----英特爾Intel(Integrated/Electronics)的元老第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)摩爾諾宜斯葛洛夫Intel微處理器發(fā)展歷史－4004第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1971年11月Intel面世了微處理器4004。這款芯片的架構(gòu)為4bit。4004

是英特爾推出的第一款微處理器。這一突破性的發(fā)明最先應(yīng)用于Busicom

計(jì)算器，為無(wú)生命體和個(gè)人計(jì)算機(jī)的智能嵌入鋪平了道路。晶體管數(shù)量：2,300速度：108KHzIntel的第一款微處理器是給日本人做計(jì)算器用的Intel微處理器發(fā)展歷史－8008第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1972

年：8008

微處理器誕生8008的性能是4004

的兩倍。1974

年，RadioElectronics發(fā)表的一篇文章指出一款名為Mark-8

的設(shè)備采用了

8008。Mark-8

是第一批家用計(jì)算機(jī)之一，而以今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看該產(chǎn)品很難進(jìn)行構(gòu)建、維護(hù)和操作。晶體管數(shù)量：3,500速度：200KHzIntel微處理器發(fā)展歷史－8080第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1974

年：8080

微處理器8080

有幸成為了第一款個(gè)人計(jì)算機(jī)Altair

的大腦。Altair

這個(gè)名稱(chēng)是源《星際旅行》電視節(jié)目中一個(gè)星際飛行計(jì)劃（StarshipEnterprise）的目的地名稱(chēng)。計(jì)算機(jī)愛(ài)好者花費(fèi)395

美元即可購(gòu)得Altair

套件。數(shù)月內(nèi)，Altair

的銷(xiāo)售量達(dá)到數(shù)萬(wàn)臺(tái)，造成了電腦銷(xiāo)售歷史上第一次缺貨現(xiàn)象。晶體管數(shù)量：6,000速度：2MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－808*第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1978

年：8086-8088微處理器英特爾成功將8088

銷(xiāo)售給IBM全新的個(gè)人計(jì)算機(jī)部門(mén)，使得8088

成為了IBM

全新熱銷(xiāo)產(chǎn)品-IBMPC

的大腦。8088

的大獲成功使英特爾順利躋身財(cái)富500

強(qiáng)之列，《財(cái)富》雜志將該公司評(píng)為“七十大商業(yè)奇跡之一（BusinessTriumphsoftheSeventies）”。晶體管數(shù)量：29,000速度：5MHz,8MHz,10MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－286第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1982

年：286

微處理器286

也稱(chēng)為

80286，是英特爾第一款具有完全兼容性的處理器，即可以運(yùn)行所有針對(duì)其前代處理器編寫(xiě)的軟件。這一軟件兼容性也成為了英特爾處理器家族一個(gè)恒久不變的特點(diǎn)。該產(chǎn)品發(fā)布后的6

年內(nèi)，全世界基于286

處理器的個(gè)人計(jì)算機(jī)便達(dá)到了大約1,500萬(wàn)臺(tái)。晶體管數(shù)量：

134,000速度：6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－386第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1985

年：英特爾?386?

微處理器英特爾?386?

微處理器采用275,000個(gè)晶體管——約是最初的4004

處理器的100

多倍。它是一個(gè)32

位的“多任務(wù)”芯片——即可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。每秒可以處理500萬(wàn)條指令，并且可以運(yùn)行所有流行的操作系統(tǒng)包括Windows*

晶體管數(shù)量：275,000速度：16MHz、20MHz、25MHz、33MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－486第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1989

年：英特爾?486?DXCPU

微處理器下一代處理器英特爾?486?

處理器真正意味著您從命令形式的進(jìn)入到了point-and-click的計(jì)算時(shí)代。英特爾?486?

處理器首次采用內(nèi)建的數(shù)學(xué)協(xié)處理器，將負(fù)載的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能從中央處理器中分離出來(lái)，從而顯著加快了計(jì)算速度。晶體管數(shù)量：120

萬(wàn)速度：25MHz,33MHz,50MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－奔騰第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1993

年：英特爾奔騰處理器英特爾

奔騰處理器支持計(jì)算機(jī)更輕松的集成“現(xiàn)實(shí)世界”數(shù)據(jù)，如語(yǔ)音、聲音、手寫(xiě)體和圖片等。晶體管數(shù)量：310

萬(wàn)速度：60MHz、66MHzIntel微處理器發(fā)展歷史－奔騰II第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1997年：英特爾奔騰II

處理器匯集750萬(wàn)個(gè)晶體管的英特爾?

奔騰?

II

處理器采用了英特爾?MMX?

技術(shù)。該技術(shù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于高效處理視頻、音頻和圖形數(shù)據(jù)。它采用創(chuàng)新的單邊接觸（S.E.C.）卡盒推出，同時(shí)還集成了高速的高速緩存內(nèi)存芯片。晶體管數(shù)量：750

萬(wàn)速度：200MHz、233MHz、266MHz、300MHz微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)Intel微處理器發(fā)展歷史－奔騰III第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1999年：英特爾奔騰III處理器英特爾

奔騰

III

處理器采用了70條新指令——互聯(lián)網(wǎng)SIMD

流指令擴(kuò)展，顯著增強(qiáng)了高級(jí)圖像、3D、音頻流、視頻和語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用的性能。處理器采用0.25

微米技術(shù)制造。晶體管數(shù)量：950

萬(wàn)速度：650MHz

至1.2GHzIntel微處理器發(fā)展歷史－奔騰4第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)2000

年：英特爾?奔騰?4

處理器處理器首次采用4,200萬(wàn)個(gè)晶體管和0.18

微米的電路線。晶體管數(shù)量：4,200

萬(wàn)速度：1.30、1.40、1.50、1.70、1.802001

年8月:英特爾?奔騰?4

處理器——達(dá)到2GHz

里程碑2002

年11月：含超線程（HT）技術(shù)的英特爾?奔騰?4處理器英特爾在全新英特爾?奔騰?4處理器3.06GHz上推出其創(chuàng)新超線程（HT）技術(shù)。1998年英特爾發(fā)布了PentiumIIXeon處理器。第一代Xeon采用了同PentiumII一樣的SECC封裝，但是使用了Slot2接口。Xeon將處理器的二級(jí)緩存放在了處理器板上，、使用的是1MB甚至2MB的全速二級(jí)緩存（PentiumII的二級(jí)緩存是以處理器主頻的二分之一工作的），而且采用的是Intel自行開(kāi)發(fā)的靜態(tài)緩存（其原理還是不大清楚）能夠提升緩存的工作效率。另外提升了SMP能力，配合450NX芯片組可以支持最大8個(gè)處理器共同工作。另外Intel還為工作站推出了450GX芯片組，支持雙至強(qiáng)工作和2GBECC內(nèi)存！Intel服務(wù)器級(jí)芯片—Xeon(至強(qiáng))第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)Intel服務(wù)器級(jí)芯片—安騰第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)2001年英特爾發(fā)布了ItaniumItanium處理器是英特爾第一款64位元的產(chǎn)品.在Itanium處理器中體現(xiàn)了一種全新的設(shè)計(jì)思想，完全是基于平行并發(fā)計(jì)算而設(shè)計(jì)（EPIC）.2002年英特爾發(fā)布了Itanium2處理器Itanium2處理器是以Itanium架構(gòu)為基礎(chǔ)所建立與擴(kuò)充的產(chǎn)品，通過(guò)模擬運(yùn)行可以兼容32位運(yùn)算.Itanium2具有6.4GB/sec的系統(tǒng)總線帶寬、最高達(dá)到16MB的L3緩存。微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)2005：IntelPentiumD處理器

(正式揭開(kāi)了x86處理器多核心時(shí)代)Intel微處理器發(fā)展歷史－酷睿第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)2006年：IntelCore2Duo處理器(其E67002.6GHz型號(hào)比先前推出之最強(qiáng)的IntelPentiumD960(3.6GHz)處理器，在性能方面提升了40%，省電效率也增加40%，Core2Duo處理器內(nèi)含2.91億顆晶體管。)2006

年7

月：英特爾公司發(fā)布了十款全新酷睿?2

雙核處理器和酷睿?至尊處理器全新處理器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)40%

的性能提升其能效比最出色的英特爾奔騰處理器高出40%。英特爾

酷睿?2

雙核處理器包含2.91

億個(gè)晶體管。微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)2007年：45納米處理器(英特爾Core2至尊四核處理器QX9650)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)配備80核微處理器的試制主板位于中央的方形封裝中安裝了80核微處理器。封裝連接2根水管，利用水冷技術(shù)冷卻封裝和芯片。通過(guò)連接底板部分的紅、黑電源線供電。微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)2009年：32納米處理器?????????微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)1、4位微處理器(Intel4004)

2、8位微處理器

(Intel8080)

3、16位微處理器

(Intel8086/8088,80286)

4、32位微處理器

(Intel80386/80486/Pentium)

5、64位微處理器(IntelItanium安騰處理器)微處理器的發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)AMD微處理器發(fā)展歷史－K5第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)AMD處理器被人們廣泛了解是從AMDK5開(kāi)始的。AMDK5內(nèi)建430萬(wàn)晶體管，350nm工藝。K5是AMD

公司第一塊自行設(shè)計(jì)的處理器，時(shí)鐘頻率有90MHz、100MHz、120MHz

等幾款。由于推出的時(shí)間較晚，因此剛一推出就面臨著被Intel

公司淘汰出局的悲慘命運(yùn)。AMD微處理器發(fā)展歷史－K6-2第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)在AMDK6時(shí)代最為有名的是AMDK6-2。K6-2是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，主因歸于低價(jià)電腦的盛行AMDK6-2處理器采用了0.25微米五層金屬工藝制造，內(nèi)含930萬(wàn)個(gè)晶體管。AMDK6-2的最大特色是采用了3DNow!技術(shù)。采用3DNow!技術(shù)的K6－2，具有單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)性能，即用一條指令便可同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)，明顯加快了CPU的3D處理速度。K6－2/300的性能直逼PⅡ300，而價(jià)格卻相對(duì)便宜.AMD微處理器發(fā)展歷史－K6-2+第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)接著AMD推出了K6-2+和K6-3型處理器。這兩款產(chǎn)品都可以看作K6-2的升級(jí)版，其中K6-3比K6-2+先推出。這兩款處理器與K6-2的區(qū)別在于二級(jí)緩存的不同。K6-2的二級(jí)緩存是建立在主板上的，并以外頻速度來(lái)工作。而K6-3效仿PIII處理器，把二級(jí)緩存放進(jìn)了CPU內(nèi)部。

AMD微處理器發(fā)展歷史－K7第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)接著就到了AMDK7的時(shí)代。Duron（毒龍）處理器是K7時(shí)代的低端處理器。Duron（毒龍）的L1和L2Cache均采用的是全速Cache，運(yùn)行速度和處理器核心同速，性能和Thunderbird(雷鳥(niǎo))一樣強(qiáng)大。AthlonXP（速龍）處理器是AMD的一款成功之作。Athlon

XP（速龍）處理器與雷鳥(niǎo)相比較的改進(jìn)在于支持SSE指令集并且一級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)TLB（轉(zhuǎn)換表緩沖區(qū)）由32增加到了40個(gè)記錄，數(shù)據(jù)與指令的L1和L2TLB可以分別獨(dú)立運(yùn)行，而且TLB記錄能夠推斷來(lái)預(yù)先寫(xiě)入。

隨后Thoroughbred取代了Palomino核心的AthlonXP處理器。在為了應(yīng)對(duì)800MHz前端總線的P4時(shí)，AMD又推出了采用512KB二級(jí)緩存，333/400MHz前端總線的Barton核心的處理器.AMD微處理器發(fā)展歷史－K8第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)自從K7架構(gòu)取得無(wú)比輝煌的成功后，AMD就一直秘密進(jìn)行著自己的下一代處理器K8的研發(fā)工作2003年4月22日面向高端服務(wù)器市場(chǎng)代號(hào)Opteron的AthlonFX正式發(fā)布，緊接著在同年9月23日，代號(hào)ClawHammer的Athlon64處理器發(fā)布，Athlon64的出現(xiàn)正式宣告PC走向64位運(yùn)算。AMD為K8增加了一套通用寄存器（General-purposeRegisters，簡(jiǎn)稱(chēng)“GPR”），使的K8的GPR數(shù)量達(dá)到16個(gè).IBMPower系列第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)POWER

是PowerOptimizationWithEnhancedRISC

的縮寫(xiě)，是IBM的很多服務(wù)器、工作站和超級(jí)計(jì)算機(jī)的主要處理器。POWER

芯片起源于801CPU，是第二代RISC

處理器。POWER

芯片在1990年被RS

或RISC

System/6000UNIX

工作站（現(xiàn)在稱(chēng)為

eServer

和pSeries）采用POWER

的產(chǎn)品有POWER1、POWER2、POWER3，POWER4，POWER5等。最新是POWER6.IBMPower系列第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)微處理器發(fā)展趨勢(shì)???現(xiàn)實(shí)的解決方案一：多核(Mulitcore)頻率瓶頸由于晶體管數(shù)量倍增，會(huì)導(dǎo)致硅芯片所需要的電能、耗費(fèi)功率大幅提升，甚至成幾何級(jí)數(shù)的增加多核處理器可以解決功耗和性能比的問(wèn)題目前常見(jiàn)2核、4核、8核、16核68核、80核、2xx核計(jì)算能力將>2TFlops多核處理器設(shè)計(jì)包括核間通訊cache設(shè)計(jì)片內(nèi)總線設(shè)計(jì)總線->NOC（networkonchip）現(xiàn)實(shí)的解決方案一：挑戰(zhàn)軟件怎么利用多核尚未解決操作系統(tǒng)方案一:當(dāng)作多處理器看待，不能發(fā)揮封裝在一個(gè)核的優(yōu)點(diǎn)方案二:虛擬化，把多核虛擬為一核，犧牲性能方案三:定制，重寫(xiě)操作系統(tǒng)與編譯器，無(wú)產(chǎn)品應(yīng)用軟件計(jì)算型軟件，容易并行信息處理軟件，串行的，怎么用多核課程知識(shí)更新快速現(xiàn)實(shí)的解決方案一：疑惑雙核是兩個(gè)單核焊接在一起么四核是兩個(gè)雙核焊接在一起么處理器中其他器件怎么連接Intel、AMD給出不同的答案真假四核現(xiàn)實(shí)的解決方案二：可重構(gòu)處理器架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)不固定微處理器可以針對(duì)不同的應(yīng)用修改自己的體系結(jié)構(gòu)達(dá)到性能最優(yōu)、功耗更低的目的不增加硬件開(kāi)銷(xiāo)又稱(chēng)軟微處理器在MPSOC中，經(jīng)常有FPGA等可重構(gòu)器件現(xiàn)實(shí)的解決方案二：挑戰(zhàn)全新架構(gòu)，無(wú)一定規(guī)格硬件設(shè)計(jì)重構(gòu)成什么微處理器專(zhuān)用微處理器核有：XML、JAVA、壓縮、加密、網(wǎng)絡(luò)、多媒體軟件設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)如何運(yùn)行軟件有沒(méi)有其他解決方案?產(chǎn)業(yè)界主導(dǎo)的技術(shù)，而非研究機(jī)構(gòu)最強(qiáng)的研究力量都在業(yè)界推出既是標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)使得對(duì)手越來(lái)越少封裝與制造工藝——SOCKET、SlotSocket插座安裝CPUSocket4、Socket5、Socket7、Socket370(Pentium

時(shí)代的

CPU插座從Socket4

開(kāi)始,它有273個(gè)腳，工作電壓為5V。正是因?yàn)樗墓ぷ麟妷禾撸运](méi)有怎么流行就被Socket5

取代了。Socket4

只能支持60－66MHz

的Pentium。)(Socket370從名字就可以看出Socket370

插座有370

個(gè)管腳。在

Intel

找到了把處理器內(nèi)核和

L2

緩存很便宜的做在一起的方法之后，它的CPU

插座從Slot

回到了Socket。Socket370是基于Socket7

的，它不過(guò)只是在插座的四邊每一邊加了一排管腳。首先采用Socket370

的是PPGA

封裝的Celeron，接著是

FC-PGA

封裝的

PentiumIII

和CeleronII。同樣也有Socket370

到Slot1

的轉(zhuǎn)接卡。目前Intel的主流CPU

都是Socket370

類(lèi)型的。)Slot1一個(gè)狹長(zhǎng)的242引腳的插槽Slot1、Slot2接口標(biāo)準(zhǔn)、SlotA接口標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算器運(yùn)算器是一個(gè)數(shù)據(jù)加工部件，主要完成二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算電子計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制數(shù)的原因運(yùn)算規(guī)律簡(jiǎn)單，在電子器件中比較容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器的位數(shù)越多，計(jì)算的精度就越高，但是所費(fèi)的電子器件也越多，成本就高。目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算長(zhǎng)度一般為8位、16位、32位或64位。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)控制器

控制器是計(jì)算機(jī)的決策部件，通過(guò)指令譯碼產(chǎn)生各操作控制信號(hào)，控制各部件有條不紊地工作設(shè)計(jì)目標(biāo)：容量大、速度快、成本低；同時(shí)計(jì)算機(jī)還應(yīng)具有響應(yīng)外部突發(fā)事件的能力，控制器能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻響應(yīng)這些外部的請(qǐng)求，并作出處理。將解題的程序（指令序列）存放到存儲(chǔ)器中稱(chēng)為存儲(chǔ)程序控制器依據(jù)存儲(chǔ)器的程序來(lái)控制全機(jī)協(xié)調(diào)地完成計(jì)算任務(wù)叫做程序控制存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器的功能是保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟設(shè)計(jì)目標(biāo)：容量大、速度快、成本低為解決容量與成本的矛盾：將存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器：由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（RAM、ROM）構(gòu)成，特點(diǎn)：速度快、但成本高，存放正在運(yùn)行和處理的程序和數(shù)據(jù)外存儲(chǔ)器：由磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)、移動(dòng)存儲(chǔ)器等構(gòu)成，特點(diǎn)：容量大、成本低，可脫機(jī)保存信息，存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)存儲(chǔ)器一組基本概念主存儲(chǔ)器一般由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，最基本的單元是一個(gè)記憶二進(jìn)制數(shù)碼（0或1）的記憶元件，它所記憶的是二進(jìn)制信息中的一個(gè)數(shù)位（bit），稱(chēng)為存儲(chǔ)元若干個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元，微機(jī)中的一個(gè)存儲(chǔ)單元通常為8bit，存放一個(gè)“字節(jié)”(Byte,簡(jiǎn)稱(chēng)B)的二進(jìn)制信息，1Byte=8bit，但一個(gè)存儲(chǔ)單元也可以是16位、32位、64位等第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)最小單位：位(Bit)基本單位：字節(jié)(Byte)，也是常用單位d0d1d2d3d4d5d6d7位字節(jié)存儲(chǔ)器(信息的存儲(chǔ)單位)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)存儲(chǔ)器(其它存儲(chǔ)單位)(存儲(chǔ)器容量常以字節(jié)為單位計(jì)量)千字節(jié)(KB) 1KB=1024Bytes兆字節(jié)(MB) 1MB=210KB吉字節(jié)(GB) 1GB=210MB太字節(jié)(TB) 1TB=210GB第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，稱(chēng)為地址。向存儲(chǔ)器中寫(xiě)數(shù)或者從存儲(chǔ)器中讀數(shù)，都是按給定的地址來(lái)尋找所選的存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)存儲(chǔ)器(地址與容量)輸入設(shè)備的作用是把人們熟悉的某種形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式輸出設(shè)備的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式I/O接口(適配器)，相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息；由于不同的I/O設(shè)備在許多方面存在差異，所以適配器的種類(lèi)很多，有專(zhuān)用的，也有通用的第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)I/O系統(tǒng)（接口與I/O設(shè)備）系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路借助系統(tǒng)總線，計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作系統(tǒng)總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)的硬件)系統(tǒng)總線第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行程序人工編寫(xiě)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行源程序sourceprogram目標(biāo)程序objectprogram輸出結(jié)果outcome圖1.2計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器的層次結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)器M3（高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器）虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1匯編語(yǔ)言或中間語(yǔ)言機(jī)器翻譯程序：編譯程序和解釋程序第一代語(yǔ)言1GL2GL、3GL、4GL第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器的層次結(jié)構(gòu)翻譯程序編譯程序:將編寫(xiě)的源程序中全部語(yǔ)句翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序后，再執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言程序。解釋程序:在將源程序的一條語(yǔ)句翻譯成機(jī)器語(yǔ)言以后立即執(zhí)行它，然后再翻譯執(zhí)行下一條語(yǔ)句。它的特點(diǎn)是翻譯一次只能執(zhí)行一次，當(dāng)?shù)诙沃貜?fù)執(zhí)行該語(yǔ)句時(shí)，要重新翻譯，因而效率較低。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu))計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)器M4（高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器）虛擬機(jī)器M3（匯編語(yǔ)言或中間語(yǔ)言機(jī)器）虛擬機(jī)器M2（操作系統(tǒng)語(yǔ)言機(jī)器）實(shí)際機(jī)器M1（機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器）高級(jí)語(yǔ)言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言或中間語(yǔ)言機(jī)器本級(jí)語(yǔ)言程序經(jīng)編譯程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序或操作系統(tǒng)語(yǔ)言一般用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)語(yǔ)言由硬件或微程序執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)(ENIAC)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（通用可編程序）18800電子管30噸150平方米140kw5000次十進(jìn)制加法/秒1946年美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC

(ElectronicNumerical

IntegratorAndComputer)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史)?？颂?右)莫克利(左)ENIACENIACENIAC：永遠(yuǎn)是光輝的起點(diǎn)ENIAC最初是為了進(jìn)行彈道計(jì)算而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。1996年2月15日，在ENIAC問(wèn)世50周年之際，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐谫e夕法尼亞大學(xué)舉行的隆重紀(jì)念儀式上，再次按動(dòng)了啟動(dòng)電鈕。戈?duì)栐谙虍?dāng)年參加ENIAC的研制、如今仍健在科學(xué)家發(fā)表講話:“我謹(jǐn)向當(dāng)年研制這臺(tái)計(jì)算機(jī)的先驅(qū)者們表示祝賀。”

為了改進(jìn)程序的輸入方式：美國(guó)數(shù)學(xué)家馮·諾依曼，提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)構(gòu)想。提出并描述一個(gè)計(jì)算機(jī)模型EDVAC(Electronic

DiscreteVariableAutomaticComputer,離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)),1952年才調(diào)試成功.

ENIAC的特點(diǎn)：十進(jìn)制表示程序用插線開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史)VonNeumann,EDVAC第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼(JohnVonNeumann)美籍匈牙利科學(xué)家，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父，率先奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)組成原理討論的基礎(chǔ)，其基本設(shè)計(jì)思想就是存儲(chǔ)程序和程序控制，具有以下特點(diǎn)：