計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)組成原理

白中英主編

科學(xué)出版社

計(jì)算機(jī)核心專業(yè)課程

2010年2月27日8時(shí)57分

天饞硒勒！!

?許德剛

?信息學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系

?TEL:67789848,66677513

?Email:xulaoshi@

?xu_laoshi@

?http://xulaoshi.126.com

2010年2月27日8時(shí)57分DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

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主要參考書

主教材：

?計(jì)算機(jī)組成原理白中英主編科學(xué)出版社

參考教材：

?1.計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)WilliamStallings

高等教育出版社

?2.計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)王愛(ài)英主編清華

大學(xué)出版社

?3.薛勝軍華中科技大學(xué)出版社計(jì)算機(jī)組成

原理

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<三目.錄

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器

第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng)

第五章中央處理器

第六章總線系統(tǒng)

第七章外圍設(shè)備

第八章輸入輸出系統(tǒng)

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第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

□簡(jiǎn)介

口計(jì)算機(jī)的發(fā)展

口計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織

口計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

口計(jì)算機(jī)軟件

口計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

口計(jì)算機(jī)的功能

口計(jì)算機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

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概述

El算機(jī)力契！?

機(jī)械計(jì)算機(jī)

電子模擬計(jì)算機(jī):數(shù)值由連續(xù)的量來(lái)表示。

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)中的數(shù)值由不連續(xù)的數(shù)字來(lái)表示。

專用機(jī)：經(jīng)濟(jì)，有效，快速，適應(yīng)性差

通用機(jī)：適應(yīng)性強(qiáng)

巨型機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)單片機(jī)

低簡(jiǎn)易性：高

高體積，功耗，性能，價(jià)格低

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計(jì)算機(jī)發(fā)展史

計(jì)算機(jī)的發(fā)展

OOO0OOOO

加法器1

CharlesBabbage

1642BlaisePascal1822差分機(jī)

1833分析機(jī)ENIACMARKI

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—，三

簡(jiǎn)介

■電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是一種能夠自動(dòng)、快捷，準(zhǔn)確地

實(shí)現(xiàn)信息存放數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理過(guò)程控制等多

種功能的電子機(jī)器，其基本功能是進(jìn)行數(shù)字化信

息處理。

■世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC(Electronic

NumericalIntegratorAndCalculator)誕生于

1946年2月15日，是美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)摩爾理

工學(xué)院的摩切利和?？ㄌ匕l(fā)明的。

■計(jì)算機(jī)應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、

實(shí)時(shí)控制、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程教育、電

子商務(wù)等多種領(lǐng)域。

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計(jì)瞽發(fā)展史

計(jì)算機(jī)的發(fā)展一一第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC）

5000次加法/秒

體重28噸

占地170M2

18800只電子管

1500個(gè)繼電器

7000個(gè)電阻

10000個(gè)電容

耗電150KW

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計(jì)算機(jī)的發(fā)篌

類型時(shí)期"主要器件重要特征

第一代1946-1957電子管機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言

速度低，體積大，價(jià)格昂貴

可靠性差，用于科學(xué)計(jì)算。

第二代1958-1964晶體管算法語(yǔ)言，操作系統(tǒng)

體積縮小，可靠性提高

從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理。

第三代1965-1971中、小規(guī)模體積小，可靠性大大提高，速度

集成電路達(dá)幾百萬(wàn)IPS,軟件技術(shù)和外設(shè)

發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

第四代1972-中、大及超速度提高至GIPS乃至TIPS水平

大規(guī)模集成多機(jī)并行處理和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)迅速

電路發(fā)展。

InstitueOfTechnology.

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時(shí)代機(jī)型產(chǎn)地

--ENIAC1946美.賓州大學(xué)

各時(shí)代EDSAC1949英.劍橋大學(xué)

1031953

代表機(jī)型IBM70901958IBM

DJS-21,108^-2,441B中國(guó)

IBM360/370系列IBM

CDC6000/7600,STAR-100,CDC

NOVA,PDP-11

DJS-130/200中國(guó)

四微型機(jī)APPLE,IBM-PC

VAX系列

長(zhǎng)城0520,....................

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計(jì)算機(jī)意體發(fā)展

年彳弋邏輯元件主存輔存語(yǔ)言處理速度代表機(jī)種

第一代了94619電子管磁芯、磁磁帶機(jī)器語(yǔ)言1萬(wàn)初秒ENICA

57鼓匯編語(yǔ)言IBM650

IBM709

第二代1958晶體管磁芯、磁磁帶、磁高級(jí)語(yǔ)言幾萬(wàn)次IBM7094

編譯語(yǔ)言幾百萬(wàn)次DTS-121

19641鼓盤

操作系統(tǒng)/秒X-2

磁1

第三代1965集成電路半導(dǎo)體存多道程序百萬(wàn)次IBM360

盤

1971和大規(guī)模儲(chǔ)器實(shí)時(shí)處理千萬(wàn)次DJS-100

集成電路,

第四代1972--超大規(guī)模半導(dǎo)體存高速磁盤數(shù)據(jù)庫(kù)系千萬(wàn)次VAM1

集成電路儲(chǔ)器統(tǒng)1億匆秒INTEL系

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)列

八DegJngXu,ZheiidzhiiuInstituteOfTeelnulogy.

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年份型號(hào)管數(shù)年份型號(hào)管數(shù)

1971400423001993PENTIUM310萬(wàn)

1972800835001995P-PRO550萬(wàn)

19748080,60001997P-MMX450萬(wàn)

19788086290001997P-II750萬(wàn)

198280286.13萬(wàn)1998Celeron750萬(wàn)

1985386DX27.5萬(wàn)1999P-III950萬(wàn)

1989486DX120萬(wàn)1999.10P-III-COP2800萬(wàn)

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?第五代計(jì)算機(jī)

?通信、存儲(chǔ)、信息處理和人工智能相結(jié)

合的超巨能計(jì)算機(jī)。

?第六代計(jì)算機(jī)

■利用光電子元件、超導(dǎo)電子元件或生物

電子元件作為計(jì)算機(jī)的核心元件。

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一.分類通用機(jī)：通用性強(qiáng)，綜合能力強(qiáng)，解決各種問(wèn)題

按用途分類

專用機(jī)：特殊配置，功能單一，解決特定問(wèn)題

巨型機(jī)：速度最快、處理能力最強(qiáng)

已達(dá)十幾萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算

“銀河nr,達(dá)每秒130億次

大型機(jī)：大型、通用、較快、較強(qiáng)

作“客戶機(jī)/服務(wù)器”的服務(wù)器

作“終端/主機(jī)”的主機(jī)

小型機(jī)：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)試制周期短

按綜合性能

工藝先進(jìn)、使用維護(hù)簡(jiǎn)單

指標(biāo)分類

工作站：介于PC與小型機(jī)之間

高分辨率、大容量?jī)?nèi)外存，圖形功能較強(qiáng)

微型計(jì)算機(jī)：小、巧、輕、使用方便、價(jià)格便宜

中央處理器：一個(gè)芯片

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：基于Java技術(shù)的瘦客戶機(jī)系統(tǒng)

高

體積

能

功

簡(jiǎn)

據(jù)

數(shù)

易

令

指

徼型機(jī)性

格

價(jià)

小型機(jī)

大型機(jī)

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二.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的應(yīng)用類型

1.工商：電子商務(wù)、CAD/CAM1.科學(xué)計(jì)算

2.教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育2.過(guò)程控制

3.醫(yī)藥：CAT、MRL遠(yuǎn)程醫(yī)療3.CAD/CAM/CAT

4.政府：電子政府4.數(shù)據(jù)處理.

5.娛樂(lè)：虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技5.電子商務(wù)

6.科研：數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析6.多媒體技術(shù)

7.家庭：家庭信息化7.人工智能

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計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織

硬件

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件界

面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬

件和固件的功能。

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電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想

?存儲(chǔ)程序控制

?“存儲(chǔ)程序”是把指令以代碼的形式事先輸入

到計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同一

裝置存儲(chǔ)執(zhí)行運(yùn)算的命令，這些指令按一定的

規(guī)則組成程序；

?“程序控制”是當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，程序就會(huì)控

制計(jì)算機(jī)按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動(dòng)完

成預(yù)定的信息處理任務(wù)。

?馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想：存儲(chǔ)程序并

檜地址順序軌行。

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一.硬件系統(tǒng)

控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備

系統(tǒng)總線

二.軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件：OS,語(yǔ)言處理，服務(wù)程序，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

用來(lái)提高使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)功能和用途的

程序。

應(yīng)用軟件：工程設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)控制，企業(yè)管理

用戶用來(lái)解決某些問(wèn)題而編制的程序。

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?運(yùn)算球計(jì)算機(jī)中進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。

?存儲(chǔ)器：存放程序和數(shù)據(jù)的部件(R/W)。

?控制矍二控制計(jì)算機(jī)有條不紊地執(zhí)行程序的部件。

程序控制

?尬△逡魚」能將人們所熟悉的信息形式變換為計(jì)算機(jī)

內(nèi)部能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息的設(shè)備。

?尬出逡備」把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其它設(shè)備

所能接收和識(shí)別的信息形式的設(shè)備。

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計(jì)笄機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

輸?shù)谝粏卧?/p>

入

輸

出輸入設(shè)備

接

口

和輸出設(shè)備

外存設(shè)備總

第三單元線第四單元

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

運(yùn)算器

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7/,

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

|2

運(yùn)算器部件是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件,

其主要功能包括:

1.執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)加減乘除等運(yùn)算,

執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等邏輯運(yùn)算，

由一個(gè)被稱為ALU的線路完成。

2.暫時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果,

由多個(gè)通用寄存器來(lái)承擔(dān)。

3.運(yùn)算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐稯

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計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

控制器

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器I

控制器是計(jì)算機(jī)中控制執(zhí)行指令的部件：

一.正確執(zhí)行每條指令

1.首先是取來(lái)一條指令，

2.接著分析這條指令，

3.再按指令格式和功能執(zhí)行這條指令

二.保證指令按規(guī)定序列自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行。

三.對(duì)各種異常情況和請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)和處理。

說(shuō)到底，控制器要向計(jì)算機(jī)各功能部件提供

每一時(shí)刻協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)

/\uiauomuu///

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

主存儲(chǔ)器

外存設(shè)備

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

—__-_.由高速緩沖存儲(chǔ)器，主存儲(chǔ)器，

高速緩存I外存儲(chǔ)器所組成的多級(jí)（層）存儲(chǔ)器

另存儲(chǔ)器（系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ)程序和數(shù)

王行憧奇（據(jù)的子系統(tǒng)。這三級(jí)存儲(chǔ)器所用的

外存設(shè)備[J存儲(chǔ)介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。

將作為三個(gè)部分分別講解

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器

高速緩存

輸入設(shè)備

主存儲(chǔ)器

外存設(shè)備

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運(yùn)算器

高速緩存

—I輸入設(shè)備

主存儲(chǔ)器輸入設(shè)遂.計(jì)算機(jī)中送入程序和數(shù)

據(jù)的有一定獨(dú)立功能的設(shè)備，通過(guò)接

外存設(shè)備口和總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)連通，用于

人一機(jī)交互聯(lián)系，如計(jì)算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)

等，

Degang

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運(yùn)算器

高速緩存

輸入設(shè)備

主存儲(chǔ)器

外存設(shè)備輸出設(shè)備

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)笄機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運(yùn)算器

高速緩存

輸入設(shè)備

主存儲(chǔ)器

外存設(shè)備輸出設(shè)備

輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)中用于送出計(jì)算機(jī)

內(nèi)部信息的設(shè)備,例如打印機(jī),顯示器等。

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-一計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器運(yùn)算器

高速緩存

輸入設(shè)備

主存儲(chǔ)器

外存設(shè)備輸出設(shè)備

這些部件和設(shè)備通過(guò)總線和接口連接在

2010年!起，構(gòu)成計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)，協(xié)同運(yùn)行.

/\uiauoiitUUIII

計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

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計(jì)算機(jī)基本工作原理

1.指令:讓計(jì)算機(jī)完成某個(gè)操作發(fā)出的命令。（用二進(jìn)制

代碼來(lái)表示）

2.程序|操作碼|操作數(shù)

有序的指令集合。

3.指令的執(zhí)行

取指周期：|內(nèi)存］一指合一,CPU

執(zhí)行周期：|CPU譯碼產(chǎn)嶼|有關(guān)部件動(dòng)足

4.程序的執(zhí)行

全曹出5娶指令而ga熱何蠲z念前曲eOfTechnology.

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2、計(jì)算機(jī)軟件

軟件=程序+數(shù)據(jù)+文檔操作系統(tǒng)

語(yǔ)言處理程序

——系統(tǒng)軟?一診斷程序

——反病毒程序

實(shí)用程序------卸載程序

軟件分匕——備份程序

辦公軟件包一文件壓縮程序

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

——應(yīng)用軟?網(wǎng)絡(luò)軟件

實(shí)時(shí)控制軟件

圖形圖像處理軟件

其它應(yīng)用軟件

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(1)操作系統(tǒng)

管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源(包

括硬件和軟件)

-----裸機(jī)+操作系統(tǒng)=虛擬機(jī)

目的---------不需了解軟硬件細(xì)節(jié)，提高工作效率

-----統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，提高使用效

率和經(jīng)濟(jì)效益

2010年2月27日8時(shí)57分DegangXu,ZhengzhouInstitueOfTechnology.

Xulaoshi@tom.com

■Ij■—.

⑵實(shí)用程序

操作系統(tǒng)自己帶一些

J第三方開(kāi)發(fā)

—診斷程序：SCANDISK

—反病毒程序：KV300、金山毒霸

—卸載程序：Windows中的添加/刪除程序

一備份程序：Windows2000中的備份程序

—文件壓縮程序:ARJWinZip

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缸h.〃鏟討

(3)語(yǔ)言處理程序

-----機(jī)器語(yǔ)言

-----匯編語(yǔ)言

面向過(guò)程：BASIC>Pascal

-----高級(jí)語(yǔ)言」、FORTRAN>C等

面向?qū)ο螅篊++、Java、Visual

-----面向問(wèn)題的語(yǔ)言Basic等

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計(jì)算機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

■字長(zhǎng):一參與運(yùn)算的基本位數(shù),它決定了寄存器、加

法器、存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。它標(biāo)志著計(jì)算

精展。

■主存容量：存儲(chǔ)器可以容納的二進(jìn)制信息量。

■運(yùn)算速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)。

■軟、硬件配置：外部設(shè)備的配備和功能強(qiáng)大的操作

系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

?性能價(jià)格比：性能和價(jià)格之比是衡量計(jì)算機(jī)的綜合

指標(biāo)。

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計(jì)算機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

?以性能/價(jià)格比為核心

?性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)

-時(shí)間、基準(zhǔn)程序、硬件測(cè)量工具

?價(jià)格的因素

-集成電路的工藝、產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程、銷售過(guò)程

?性能價(jià)格設(shè)計(jì)的一些原則

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vt"算機(jī)的發(fā)展一Pentium和PowerPC發(fā)展概述

?Pentium系列微處理器的發(fā)展概況

-8080、8086>80286>80386、80486、

Pentium>PentiumPro>PentiumII>

PentiumIII>PentiumIV、Merced>Prescott

-CISC

?PowerPC系列微處理器的發(fā)展概況

-601>603、604、620

-RISC

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計(jì)算機(jī)的發(fā)展一一發(fā)展趨勢(shì)

?計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)梭趨勢(shì)

-程序及數(shù)據(jù)所使用存儲(chǔ)器容量的不斷增大：程

序所需的存儲(chǔ)器容量平均每年遞增1.5?2%,

也就是說(shuō)計(jì)算機(jī)的地址位以每年1/2?1位的速

度遞增。；

-編譯器的重要性日益突出。編譯器已逐漸成為

用戶與計(jì)算機(jī)的主要界面。

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摩東定律

早在1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon

Moore)在一篇很短的論文里斷言：每18個(gè)月，集成電路

的性能將提高一倍，而其價(jià)格將降低一半。這就是著名

的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)

的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無(wú)

誤地驗(yàn)證著。

摩爾定律有另外一種表述方法，即每過(guò)禪年計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)性能將會(huì)增加100倍，通訊帶寬也會(huì)提高100倍，而

花費(fèi)的資金不會(huì)增加。我們完全有理由相信,這種趨勢(shì)

在今后20年還會(huì)持續(xù)下去，我們還沒(méi)有達(dá)到物理上造成

計(jì)算機(jī)性能停滯不前的任何限制。

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計(jì)算機(jī)的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)

?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

資源共享資源重復(fù)時(shí)間重疊

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/

計(jì)算機(jī)的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)（資源共享）

多道程序分時(shí)系統(tǒng)4局域網(wǎng)

多終端、遠(yuǎn)程終端通信處理機(jī)，廣域

甲

智能終端多機(jī)系統(tǒng)

分布處理系統(tǒng)元計(jì)算系統(tǒng)

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計(jì)算機(jī)的發(fā)展——發(fā)展趨勢(shì)（資源重復(fù)）

部件冗余同構(gòu)型多處理機(jī)

1

/緊密耦\合系統(tǒng)

多操作部件，多存儲(chǔ)體/

1

并行處理機(jī)/多處理機(jī)

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計(jì)算機(jī)的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)（時(shí)間重疊）

先行控制異構(gòu)型多處理機(jī)

I/.

指令（操作）流水線/數(shù)據(jù)庫(kù)處理機(jī)

松散需合系統(tǒng)

向量1處理機(jī)/

外圍處理機(jī)

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

第1層微程序設(shè)計(jì)層

第2層一般機(jī)器層

第3層操作系統(tǒng)層

第4層匯編語(yǔ)言層

第5層高級(jí)語(yǔ)言層

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計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

?第一層