計算機組成與結構 - 大連理工大學課程建設工程

T

計算機組成與結構

大連理工大學軟件學院

軟件工程系賴曉晨

far.away@

學習的思路

1.宏觀的視角一知道自己在學什么、做什么

2.注重內容而非形式一叫什么、是什么、為什么

3.勤于思考，透過現象看本質！

4.培養(yǎng)獨立解決問題的能力、樹立學習的信心！

5.Google是最好的老師()

課程說明

學時：

力上課：64學時

成績：

十期末閉卷考試

9平時成績（課堂提出問題與回答問題、作業(yè)完成

情況）

答疑：

?課程網立占：

9郵箱：far.away@

幾點要求

。按時上課，認真聽講，筆記、復習。

。課上隨時可以提問，鼓勵大家提問，歡迎大

家和我一起討論問題！

請大家按時獨立完成課后作業(yè)。

?:?課上請大家關掉手機。

參考書目

。王愛英《計算機組成與結構》第4版，清華

大學出版社

。王愛英計算機組成與結構習題集，清華大

學出版社

。戴梅萼《微機原理》清華大學出版社

鄭緯民《計算機體系結構》清華大學出版社

目錄

第1章概論第7章存儲系統(tǒng)

第2章邏輯部件第8章輔助存儲器

第3章運算方法和第9章輸入輸出設備

運算部件第10章輸入輸出系統(tǒng)

第4章主存儲器第11章計算機系統(tǒng)

第5章指令系統(tǒng)

第12章計算機設計

第6章中央處理部件

第一章計算機系統(tǒng)概論

計算機的語言

計算機的硬件

?:.計算機系統(tǒng)的層次結構

計算機發(fā)展簡史和用途

計算機網絡

n

第一節(jié)

計算機的語言.

I

計算機的概念、自然語

言、高級語言、機器語

言、指令、助記符

*

一、什么是計算機

計算機是一種

能夠接受輸入、處

理數據、存儲數據、

產生輸出的設備

二、計算機語言的概念

自然語言

?高級語言

指令、指令集

?:?機器語言

?助記符、匯編語言

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)行的運行類型

Y地址碼（操作數）：規(guī)定對哪些數據進行運算

0011001

匯編語言

一條指令通常由兩部分組成

力操作碼：規(guī)定該指令執(zhí)行的運行類型

Y地址碼（操作數）：規(guī)定對哪些數據進行運算

0011001

助記符

-----------------------------源操作數

ADDAX,[9]目的操作數

計算機指令舉例

?:?指令舉例：y=ax+b

MOVAX,[08]

MULAX,[10]800101a

ADDAX,[9]900011b

MOV[11],AX1001100X

CALLPRT11y

HALT

MOVAX,[08]

計算y=ax+b的實例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

數據地址除法100

800101a取數101

900011b存數110

1001100X打印111

停機000

11y

MOVAX,[08]

計算y=ax+b的實例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

數據地址除法100

800101a取數101

900011b存數110

1001100X打印111

停機000

11y

MOVAX,[08]

計算y=ax+b的實例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

數據地址除法100

800101a取數101

900011b存數110

1001100X打印111

停機000

11y

MOVAX,[08]

計算y=ax+b的實例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

數據地址除法100

800101a取數101

900011b存數110

1001100X打印111

停機000

11y

MOVAX,[08]

計算y=ax+b的實例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

數據地址除法100

800101a取數101

900011b存數110

1001100X打印111

停機000

11y

MOVAX,[08]

計算y=ax+b的實例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

數據地址除法100

800101a取數101

900011b存數110

1001100X打印111

停機000

11y

計算機語言比較

匯編語言機器碼

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)

計算機硬件

計算機硬件組成部分、

總線

計算機硬件組成

?:?硬件是由電子的、磁性的、機械的器件組成

的物理實體，包括運算器、控制器（中央處

理器）、存儲器、輸入設備和輸出設備等5

個基本組成部分。

CPU:

CentralProcessingUnit

硬件結構框圖

硬件

主機外設

系

統(tǒng)

總

線計算機的硬件組成

算術運算、邏輯運算。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、多級存儲

接受原始數據，給出運算

結果

總線bus

ABus

CBus

DBus

a,bx

三總線結構計算機原理圖

計算機的基本組成

第三節(jié)

計算機系統(tǒng)層次結構

虛擬機器、計算機語言

的演變、編程語言類型

計算機破件系統(tǒng)層次

計算機

系統(tǒng)級

寄存器級

門級

晶體管級

MOSTTL物理級

計算機軟件系統(tǒng)層次

虛擬計舁機的層次結構

計算機體系的層次結構

軟

件

部

分

硬

件

部

分

計算機語言

。機器語言：機器碼結

構

^01110010化

。低級語言：匯編語言變

強

^movax,01h，

。高級語言：c、pascakfortun>basic

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

。應用語言：數據庫語言

^^Select

■■

計算機程序的執(zhí)行方式

編譯執(zhí)行

解釋執(zhí)行

計算機系統(tǒng)與用戶的關系

T

第四節(jié)

計算機發(fā)展簡史

計算機階段、計算機分

類、計算機用途

一、計算機發(fā)展歷史

巴貝奇分析機

巴貝奇分析機部件

CharlesBabbage

1792-1871

后人復制的差分機

人類歷史上第一臺計算機：ENIAC

H重達30噸

占地170m2

H耗電150千瓦

H18000個電子管

H計算5000次/每秒

電子數字積分計算機

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator

OWN山

計算機發(fā)展歷史

。第一代(1946——1957):電子管

ENIAC.ABC、IBM701

機器語言、匯編語言

科學計算

下

計算機發(fā)展歷史世

紀

第二代(1958——1964)：晶體管最

偉

IBM7094.CDC1640大

的

發(fā)

高級語言明

數據處理、事物管理、工業(yè)控制

計算機發(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

計算機發(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

牽牛星8800

蘋果APPLE-2

IBM一PC

數據庫、網絡等社會的各個領域

二、計算機的分類

按處理對象分類

1.模擬計算機:

速度快、精度低

2.數字計算機：

精度高、便于存儲

3.數字模擬混和計算機：造價高

計算機的分類

?按用途分類

專用計算機：

功能單一、結構簡單、

可靠屜高、適應性差）特定

情況下最有效、最經濟、最

快速

通用計算機：一J

功能齊全、適應

性強，在某些具體

環(huán)境下運行效率低

計算機的分類

*按規(guī)模分類

Y巨型：速度最快,處理能力最強

i大中型：通用，較快，較強

i小型：規(guī)模小，結構簡單，設計試制周期短

小微型：小，巧，輕，使用方便，價格便宜

巨型機

巨型機：

速度最快、處理

能力最強。

例如：曙光4000L644GB內存,浮點運

算達每秒3萬億次.目前多用于戰(zhàn)略武器（如

核武器和反導彈武器）的設計，空間技術，

石油勘探，中、長期天氣預報等領域。

TOP10SitesforJune2007/lists/2007/06人

Formoreinformationaboutthesitesandsystemsin“皿…藍色基因：萬億次浮點

completelist,367

運算每秒

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

GermanySGI43萬億次浮點運算每秒

v

儂、百可以修費眄日向加2007,~2007

大型機

?:?大型機：這覆蓋國內常

說的大、中型機。特點

是通用，具有很強的綜

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

小型機

?:?小型機：結構簡單，維護

方便，成本較低，易于推

廣。不需要經長期培訓即

可維護和使用5主要用于

企業(yè)管理、數據采集與分

析。

PDP-11小型機

微型機

微型機：

以小、巧、輕、

使用方便、價格便

宜、軟件豐富、功

能齊全、等優(yōu)勢而

擁有廣大的用戶

三、計算機的用途

計算機的發(fā)展趨勢

巨型化

微型化

多媒體摩爾定律

網名各化

智能化

摩爾定律

19751985

晶

體10M-Mlnm500

(mlp?)

Ctranflivtoro)^OOO

B百

管

Permitm25萬

丸

數

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

運算速度可達每秒幾

百億次運算。1975年

世界上第一臺超級計

算機“Cray-1”超級計

算機應用：天氣預報、

地震機理研究、石油

和地質勘探，衛(wèi)星圖

像處理等大量科學計CRAY-II

算的高科技領域。

中國超級計算機銀河

國防科技大學研制的“銀河1號”、“銀河2

國超級計算機曙光

國家職能計算機中心推出的：“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

。多媒體就是計算機集圖.

形、圖像、聲音、文字

處理為一版。多工某體技

術的目標是：無論在彳十

么虛方）只需要簡單的

設備藐能自由自在地以

交互法對話方式收發(fā)所，

需要的信息。多媒體技

術的實質就是讓人們利

用計算機以更接近自然

方式交換信息。

網絡化

計算機網絡：

計算機技術與通信技

術結合的產物。

計算機網絡的發(fā)展動

力：

使用遠程資源，

共享程序、數據和信

息資源。

智能化

使計算機具有視覺、聽覺、語言、行為、思

維、邏輯推理等能力。

GarryKasparov

智能化

*智能化機器人、機器狗、機器昆蟲等

智能化

*智能化機器人、機器昆蟲、機器狗等

29tM?com

T

第五節(jié)

計算機網絡

網絡基礎、網絡拓撲、

網絡協議、網絡設備

一、網^<^出

計算機網絡的概念

計算機技術和通信技術相結合，產生了計

算機網絡。

地理位置不同，并具有獨立功能的多個計