計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu) - 大連理工大學(xué)課程建設(shè)工程

T

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)

大連理工大學(xué)軟件學(xué)院

軟件工程系賴(lài)曉晨

far.away@

學(xué)習(xí)的思路

1.宏觀的視角一知道自己在學(xué)什么、做什么

2.注重內(nèi)容而非形式一叫什么、是什么、為什么

3.勤于思考，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)！

4.培養(yǎng)獨(dú)立解決問(wèn)題的能力、樹(shù)立學(xué)習(xí)的信心！

5.Google是最好的老師()

課程說(shuō)明

學(xué)時(shí)：

力上課：64學(xué)時(shí)

成績(jī)：

十期末閉卷考試

9平時(shí)成績(jī)（課堂提出問(wèn)題與回答問(wèn)題、作業(yè)完成

情況）

答疑：

?課程網(wǎng)立占：

9郵箱：far.away@

幾點(diǎn)要求

。按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講，筆記、復(fù)習(xí)。

。課上隨時(shí)可以提問(wèn)，鼓勵(lì)大家提問(wèn)，歡迎大

家和我一起討論問(wèn)題！

請(qǐng)大家按時(shí)獨(dú)立完成課后作業(yè)。

?:?課上請(qǐng)大家關(guān)掉手機(jī)。

參考書(shū)目

。王愛(ài)英《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》第4版，清華

大學(xué)出版社

。王愛(ài)英計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)習(xí)題集，清華大

學(xué)出版社

。戴梅萼《微機(jī)原理》清華大學(xué)出版社

鄭緯民《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》清華大學(xué)出版社

目錄

第1章概論第7章存儲(chǔ)系統(tǒng)

第2章邏輯部件第8章輔助存儲(chǔ)器

第3章運(yùn)算方法和第9章輸入輸出設(shè)備

運(yùn)算部件第10章輸入輸出系統(tǒng)

第4章主存儲(chǔ)器第11章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

第5章指令系統(tǒng)

第12章計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

第6章中央處理部件

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言

計(jì)算機(jī)的硬件

?:.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史和用途

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

n

第一節(jié)

計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言.

I

計(jì)算機(jī)的概念、自然語(yǔ)

言、高級(jí)語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)

言、指令、助記符

*

一、什么是計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)是一種

能夠接受輸入、處

理數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、

產(chǎn)生輸出的設(shè)備

二、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的概念

自然語(yǔ)言

?高級(jí)語(yǔ)言

指令、指令集

?:?機(jī)器語(yǔ)言

?助記符、匯編語(yǔ)言

指令的組成

一條指令通常由兩部分組成

力操作碼：規(guī)定該指令執(zhí)行的運(yùn)行類(lèi)型

Y地址碼（操作數(shù)）：規(guī)定對(duì)哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算

0011001

匯編語(yǔ)言

一條指令通常由兩部分組成

力操作碼：規(guī)定該指令執(zhí)行的運(yùn)行類(lèi)型

Y地址碼（操作數(shù)）：規(guī)定對(duì)哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算

0011001

助記符

-----------------------------源操作數(shù)

ADDAX,[9]目的操作數(shù)

計(jì)算機(jī)指令舉例

?:?指令舉例：y=ax+b

MOVAX,[08]

MULAX,[10]800101a

ADDAX,[9]900011b

MOV[11],AX1001100X

CALLPRT11y

HALT

MOVAX,[08]

計(jì)算y=ax+b的實(shí)例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作碼地址碼操作HALT

11011000(8)->AX

指令的操作碼定義

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作碼

41101011AX->(11)加法001

5111print減法010

6000halt乘法011

數(shù)據(jù)地址除法100

800101a取數(shù)101

900011b存數(shù)110

1001100X打印111

停機(jī)000

11y

MOVAX,[08]

計(jì)算y=ax+b的實(shí)例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作碼地址碼操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作碼定義

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+(9)一AX指令操作碼

41101011AX->(11)加法001

5111print減法010

6000halt乘法011

數(shù)據(jù)地址除法100

800101a取數(shù)101

900011b存數(shù)110

1001100X打印111

停機(jī)000

11y

MOVAX,[08]

計(jì)算y=ax+b的實(shí)例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作碼地址碼操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作碼定義

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+(9)-AX指令操作碼

41101011AX->(11)加法001

5111print減法010

6000halt乘法011

數(shù)據(jù)地址除法100

800101a取數(shù)101

900011b存數(shù)110

1001100X打印111

停機(jī)000

11y

MOVAX,[08]

計(jì)算y=ax+b的實(shí)例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作碼地址碼操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作碼定義

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作碼

41101011AX->(11)加法001

5111print減法010

6000halt乘法011

數(shù)據(jù)地址除法100

800101a取數(shù)101

900011b存數(shù)110

1001100X打印111

停機(jī)000

11y

MOVAX,[08]

計(jì)算y=ax+b的實(shí)例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作碼地址碼操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作碼定義

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作碼

41101011AX->(11)加法001

5111print減法010

6000halt乘法011

數(shù)據(jù)地址除法100

800101a取數(shù)101

900011b存數(shù)110

1001100X打印111

停機(jī)000

11y

MOVAX,[08]

計(jì)算y=ax+b的實(shí)例MULAX,[10]

ADDAX,[9]

MOV[11],AX

指令指令指令CALLPRT

地址操作碼地址碼操作HALT

11011000(8)TAX

指令的操作碼定義

20111010(AX)*(10)->AX

30011001(AX)+⑼->AX指令操作碼

41101011AX->(11)加法001

5111print減法010

6000halt乘法011

數(shù)據(jù)地址除法100

800101a取數(shù)101

900011b存數(shù)110

1001100X打印111

停機(jī)000

11y

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言比較

匯編語(yǔ)言機(jī)器碼

y=ax+bMOVAX,[08]11011000

MULAX,[10]20111010

ADDAX,[9]30011001

MOV[11],AX

41101011

CALLPRT

5111

HALT

6000

7

800101

900011

1001100

11

第二節(jié)

計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)硬件組成部分、

總線(xiàn)

計(jì)算機(jī)硬件組成

?:?硬件是由電子的、磁性的、機(jī)械的器件組成

的物理實(shí)體，包括運(yùn)算器、控制器（中央處

理器）、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等5

個(gè)基本組成部分。

CPU:

CentralProcessingUnit

硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件

主機(jī)外設(shè)

系

統(tǒng)

總

線(xiàn)計(jì)算機(jī)的硬件組成

算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算。加

法、移位

決定指令執(zhí)行順序、譯碼、

發(fā)出控制指令

地址選通、多級(jí)存儲(chǔ)

接受原始數(shù)據(jù)，給出運(yùn)算

結(jié)果

總線(xiàn)bus

ABus

CBus

DBus

a,bx

三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)原理圖

計(jì)算機(jī)的基本組成

第三節(jié)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

虛擬機(jī)器、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言

的演變、編程語(yǔ)言類(lèi)型

計(jì)算機(jī)破件系統(tǒng)層次

計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)級(jí)

寄存器級(jí)

門(mén)級(jí)

晶體管級(jí)

MOSTTL物理級(jí)

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)層次

虛擬計(jì)舁機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)體系的層次結(jié)構(gòu)

軟

件

部

分

硬

件

部

分

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言

。機(jī)器語(yǔ)言：機(jī)器碼結(jié)

構(gòu)

^01110010化

。低級(jí)語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言變

強(qiáng)

^movax,01h，

。高級(jí)語(yǔ)言：c、pascakfortun>basic

9for(i=0;i<100;i++);

。應(yīng)用語(yǔ)言：數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言

^^Select

■■

計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行方式

編譯執(zhí)行

解釋執(zhí)行

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與用戶(hù)的關(guān)系

T

第四節(jié)

計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

計(jì)算機(jī)階段、計(jì)算機(jī)分

類(lèi)、計(jì)算機(jī)用途

一、計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史

巴貝奇分析機(jī)

巴貝奇分析機(jī)部件

CharlesBabbage

1792-1871

后人復(fù)制的差分機(jī)

人類(lèi)歷史上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)：ENIAC

H重達(dá)30噸

占地170m2

H耗電150千瓦

H18000個(gè)電子管

H計(jì)算5000次/每秒

電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator

OWN山

計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史

。第一代(1946——1957):電子管

ENIAC.ABC、IBM701

機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言

科學(xué)計(jì)算

下

計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史世

紀(jì)

第二代(1958——1964)：晶體管最

偉

IBM7094.CDC1640大

的

發(fā)

高級(jí)語(yǔ)言明

數(shù)據(jù)處理、事物管理、工業(yè)控制

計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史

第三代(1965——1971)：集成電路

IBM360.IBM370、DECPDP-X

操作系統(tǒng)

文字處理、圖形處理

計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史

。第四代（1972至今）大規(guī)模集成電路LSI和超

大規(guī)模集成電路VLSI微型機(jī)

牽牛星8800

蘋(píng)果APPLE-2

IBM一PC

數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域

二、計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

按處理對(duì)象分類(lèi)

1.模擬計(jì)算機(jī):

速度快、精度低

2.數(shù)字計(jì)算機(jī)：

精度高、便于存儲(chǔ)

3.數(shù)字模擬混和計(jì)算機(jī)：造價(jià)高

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

?按用途分類(lèi)

專(zhuān)用計(jì)算機(jī)：

功能單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

可靠屜高、適應(yīng)性差）特定

情況下最有效、最經(jīng)濟(jì)、最

快速

通用計(jì)算機(jī)：一J

功能齊全、適應(yīng)

性強(qiáng)，在某些具體

環(huán)境下運(yùn)行效率低

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

*按規(guī)模分類(lèi)

Y巨型：速度最快,處理能力最強(qiáng)

i大中型：通用，較快，較強(qiáng)

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

小微型：小，巧，輕，使用方便，價(jià)格便宜

巨型機(jī)

巨型機(jī)：

速度最快、處理

能力最強(qiáng)。

例如：曙光4000L644GB內(nèi)存,浮點(diǎn)運(yùn)

算達(dá)每秒3萬(wàn)億次.目前多用于戰(zhàn)略武器（如

核武器和反導(dǎo)彈武器）的設(shè)計(jì)，空間技術(shù)，

石油勘探，中、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。

TOP10SitesforJune2007/lists/2007/06人

Formoreinformationaboutthesitesandsystemsin“皿…藍(lán)色基因：萬(wàn)億次浮點(diǎn)

completelist,367

運(yùn)算每秒

RankSiteComputer---------------------------------------------------------------------

BlueGene/L-eServerBlueGene

DGE/NNSA/LLNL

Solution

UnitedStates

IBM

2OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT4/XT3

UnitedStatesCrayInc.

RedStorm-Sandia/CrayRedStorm

3NNSA/SandiaNationalLaboratories4

Opteron2.4GHzdualcore

UnitedStates

CrayInc.

IBMThomas工WatsonResearchCenterBGW-eServerBlueGeneSol

4

UnitedStatesIBM

StonyBrook/BNL.NewYorkCenterforNev-/YorkBlue^erverBlueGene

5ComputionalSoencesSolution

UnitedStatesIBM

ASCPurple-eServerpSeriesp5575

DOE/NNSA/LLNL

61.9GHz

UnitedStates

IBM

RensselaerPolytechnicInstitute」Computional

eServerBlueGeneSolution

7CenterforNanotechnologyInnovations

IBM

UnitedStates

Abe?PowerEdge1955,2.33GHz,

NCSA

8.Infiniband

UnitedStates

Dell

MareNostrum-BladeCenterJS21

§BarcelonaSupercomputingCenter

Cluster,PPC970,23GHz,Myrinet

Spain

IBM-----------------------

LeibnizPechenzentrumHLRB-II-Atox470C地球模擬器

10

GermanySGI43萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒

v

儂、百可以修費(fèi)眄日向加2007,~2007

大型機(jī)

?:?大型機(jī)：這覆蓋國(guó)內(nèi)常

說(shuō)的大、中型機(jī)。特點(diǎn)

是通用，具有很強(qiáng)的綜

合處理能力和管理能力。

主要用于大銀行、大公

司、規(guī)模較大的高校和

科研院所。

zSeries800大型機(jī)

小型機(jī)

?:?小型機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)

方便，成本較低，易于推

廣。不需要經(jīng)長(zhǎng)期培訓(xùn)即

可維護(hù)和使用5主要用于

企業(yè)管理、數(shù)據(jù)采集與分

析。

PDP-11小型機(jī)

微型機(jī)

微型機(jī)：

以小、巧、輕、

使用方便、價(jià)格便

宜、軟件豐富、功

能齊全、等優(yōu)勢(shì)而

擁有廣大的用戶(hù)

三、計(jì)算機(jī)的用途

計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

巨型化

微型化

多媒體摩爾定律

網(wǎng)名各化

智能化

摩爾定律

19751985

晶

體10M-Mlnm500

(mlp?)

Ctranflivtoro)^OOO

B百

管

Permitm25萬(wàn)

丸

數(shù)

條

行

、

10OKJZJaoaBo__!_1.0每

砧

秒

1OK0,1

.▼ftoao

?4004I0.01

每三年芯片集成度翻2翻。

?Introducedin1970

曲;J?Firstmicroprocessor

3Bl?4bitarchitecture!

1?2,250transistors

?12mm2

遛ElJ?Clock:108kHz

、s

Intel8085Microprocessor

?Introducedin1974

?8-bitarchitecture

?Stillusedinsome

microcontroller

applications!

Intel8086Microprocessor

?Introducedin1979

?29,000transistors

?33mm2

?Clock:5MHz

16bitarchitecture

LSM

Intel386Microprocessor

?Introducedin1985

?275,000transistors

?43mm2

?Clock:16MHz

?32bitarchitecture

金端霆蒿潴

LSM

Intel486Microprocessor

?Introducedin1989

?1,200,000transistors

?81mm2

?Clock:25MHz

?32bitarchitecture

?1stpipelined

implementationof

IA32

LSM

IntelPentiumMicroprocessor

CLOCKDRIVER

CODE?Introducedin1993

CACHE

?3,100,000transistors

CODE

TLB?296mm2

COMPLEX

BUSINTERFACEINSTRUCTION?Clock:60MHz

LOGICSUPPORT

一鼻，?32bitarchitecture

SUPERSCALER

INTEGER

EXEClfflON

?1stsuperscalar

implementationofIA32

MPLOGIC

LSM

巨型化

運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾

百億次運(yùn)算。1975年

世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)

算機(jī)“Cray-1”超級(jí)計(jì)

算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報(bào)、

地震機(jī)理研究、石油

和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖

像處理等大量科學(xué)計(jì)CRAY-II

算的高科技領(lǐng)域。

中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河

國(guó)防科技大學(xué)研制的“銀河1號(hào)”、“銀河2

國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)曙光

國(guó)家職能計(jì)算機(jī)中心推出的：“曙光1000”、

“曙光20001”和“曙光3000”

微型化

Altair8800

eMac

SayhellotoiMac.

平果iMac

Icam

?Thinkdifferent

yiHnoiki@muc.coiH

多媒體

。多媒體就是計(jì)算機(jī)集圖.

形、圖像、聲音、文字

處理為一版。多工某體技

術(shù)的目標(biāo)是：無(wú)論在彳十

么虛方）只需要簡(jiǎn)單的

設(shè)備藐能自由自在地以

交互法對(duì)話(huà)方式收發(fā)所，

需要的信息。多媒體技

術(shù)的實(shí)質(zhì)就是讓人們利

用計(jì)算機(jī)以更接近自然

方式交換信息。

網(wǎng)絡(luò)化

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：

計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技

術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動(dòng)

力：

使用遠(yuǎn)程資源，

共享程序、數(shù)據(jù)和信

息資源。

智能化

使計(jì)算機(jī)具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)言、行為、思

維、邏輯推理等能力。

GarryKasparov

智能化

*智能化機(jī)器人、機(jī)器狗、機(jī)器昆蟲(chóng)等

智能化

*智能化機(jī)器人、機(jī)器昆蟲(chóng)、機(jī)器狗等

29tM?com

T

第五節(jié)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

一、網(wǎng)^<^出

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念

計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了計(jì)

算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

地理位置不同，并具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)