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1、,计 算 机 原 理,上海财经大学信息管理与工程学院2016年2月,课 程 内 容 简 介,计算机系统的主要组成部件及其工作原理计算机内部的运算方法和运算器功能,存贮系统、各种存贮器的工作原理,计算机指令系统中的寻址方式、指令格式和指令分类及功能,微处理器的结构组成原理，控制器的设计方法,总线结构和总线控制，常用的系统总线类型,外围设备的功能、种类和作用以及输入输出相关技术,微操作命令，控制单元外特性和控制方式,教材和参考书目,指定教材 唐朔飞 计算机组成原理，第2版， 高等教育出版社，2008年1月出版,参考书目 1. 蒋本珊 计算机组成原理，第2版， 清华大学出版社，2008年9月 2.
2、白中英等 计算机组成原理，第4版， 科学出版社， 2007年12月,第一章 计算机系统概论,计算机系统简介,1,计算机的基本组成,2,计算机硬件的主要技术指标,3,1. 计算机系统简介,硬件：组成计算机的可以看得见的设备实体,软件：由具有各类特殊功能的程序和文档组成,计算机软件的分类,按任务需要编制成的各种程序,用来管理整个计算机系统,语言处理程序,操作系统,服务性程序,数据库管理系统,网络软件,软件,计算机的解题过程,计算机系统（软件+硬件）如何 帮助人们解题的呢？,计算机系统的层次结构（1）,高级语言,虚拟机器 M3,汇编语言,虚拟机器 M2,机器语言,实际机器 M1,微指令系统,微程序机
3、器 M0,MOV AX, 30H; ADD AX, 08H.,main（） x=100; printf(“%d”,x);,计算机系统的层次结构（2）,用编译程序翻译成汇编语言程序,用汇编程序翻译成机器语言程序,用机器语言解释操作系统,用微指令解释机器指令,由硬件直接执行微指令,计算机系统的层次结构（3）,用编译程序翻译成汇编语言程序,用汇编程序翻译成机器语言程序,用机器语言解释操作系统,用微指令解释机器指令,由硬件直接执行微指令,虚拟机器 M3,虚拟机器 M2,实际机器 M1,微程序机器 M0,虚拟机器 M4,1.本课程主要讨论内容是M1,0的组成原理和设计思想2.软件和硬件的分界线不是一成不
4、变的，有时是模糊的,计算机体系结构和计算机组成,程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性,实现计算机体系结构所体现的属性,有无浮点运算指令,如何实现浮点运算指令,（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）,（具体指令的实现，如何取指、分析等）,2. 计算机的基本组成,输出设备,控制器,运算器,存储器,1,2,3,4,5,冯.诺依曼,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序方式,冯诺依曼计算机硬件框图,算术运算逻辑运算,存放数据和程序,将信息转换成机器能识别的形式,将结果转换成人们熟悉的形式,指挥
5、程序运行,存储器,输入设备,运算器,控制器,输出设备,现代计算机硬件框图,以存储器为中心,现代计算机主要部件,ALU,主存辅存,CPU,主机,I/O,硬件,CU,计算机的解题过程（1）,1.上机前的准备,建立数学模型,编制解题程序,确定计算方法,程序 运算的 全部步骤,指令 每 一个步骤,编 程 举 例,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,= (ax + b)x + c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax
6、2 + bx + c,指令格式举例,计算 ax2 + bx + c 程序清单,计算机的解题过程（2）,2.计算机的工作过程,运算器的基本组成及操作过程,运算器,MQ,ACC,ALU,X,被加数,被减数,被除数,乘数,商,加数,减数,被乘数,除数,加法,减法,乘法,除法,和,差,余数,ACCAccumulator累加器,ALUArithmetic Logical Unit 算术逻辑部件,X 操作数寄存器,MQMultiplier Quotient Register 乘商寄存器,加 法 操 作 过 程,减 法 操 作 过 程,乘 法 操 作 过 程,除 法 操 作 过 程,存储器的基本组成（1）,
7、MARMemory Address Register 存储器地址寄存器,MDRMemory Data Register 存储器数据寄存器,存储器的基本组成（2）,控制器的基本组成,取指令,分析指令,执行指令,PC,IR,CU,PC,IR,CU,IR 存放当前欲执行的指令,完成一条指令,CUControl Unit 控制单元,IRInstruction Register 指令寄存器,PCProgram Counter 程序计数器,取数指令的过程（1）,操作码,地址码,6位,10 位,取 数 指 令,000001,0000001000,取数指令的过程（2）,CU,控制,单元,CPU,控制器,运算器
8、,MQ,ACC,ALU,X,存数指令的过程（1）,操作码,地址码,6位,10 位,存 数 指 令,000010,0000001100,存数指令的过程（2）,CU,控制,单元,000010,0000001100,存 数 指 令,ax2 + bx + c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,3.计算机硬件的主要技术指标,1.机器字长,2.运算速度,CPU 一次能处理数据的位数与 CPU 中的 寄存器位数 有关,主频,22
9、1 = 256KB,存储容量-存放二进制信息的总量,主存容量,辅存容量,存储单元个数 存储字长,字节数,字节数 80GB,如：MAR MDR 容量,10 8,16 32,1K 8位,64K 32位,第二章 计算机的发展和应用,计算机的发展史,1,计算机的分类和应用,2,计算机展望,3,人类计算的历史,绳结计数,算盘计算尺,机械式计算器,电子计算机,现代计算机发展（1）,1936年 手摇式机械计算机,1674年 乘法计算机,1642年 机械式加法计算机,1943年 “巨人”计算机,现代计算机发展（2）,1946年世界上第一台电子计算机ENIAC,ENIAC(Electronic Numerica
10、l Integrator And Computer) 开始研制于1943 年，完成于1946 年，负责人是美国宾西法尼亚大学的John W.Mauchly 和J.Presper Eckert。 18800个电子管，而每个电子管大约有一个普通家用25瓦灯泡那么大。 8英尺高、3英尺宽、100英尺长的身躯，重达30吨，耗电高达140千瓦。每秒能进行5000次加法运算，还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。,电子管，是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。利用电场对真空
11、中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。,晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。,晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。,现代计算机发展（3）,第一台Von Neumann 系统结构的计算机,现代计算机发展（4）,IBM System360,个人计算机Personal Computer,硬件技术对计算机发展的影响,五,Moore定律,微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番，性能提高一倍，价格下降一半,I
12、ntel微处理器的发展,Intel 迅驰/酷睿双核处理,Intel奔腾系列/赛扬系列,Intel X86系列,Intel 4044/8008,2003年以后,1993-2001,1978-1989,1971-1974,CPU（CentralProcessingUnit), 是现代计算机的核心部件，又称为“微处理器”。主要生产商Intel、AMD和Motorola等。,PentiumM移动处理器结合802.11的无线WiFi技术，就构成了英特尔Centrino(迅驰)移动运算技术.不但有很强的网络连接功能,而且具备了节能、长续航时间的优点，更领导了目前流行的无线网络风尚。,+,英特尔迅驰移动技术
13、,移动处理器,无线网络技术,双核处理器,Intel Core ( 酷睿) 2,AMD Athlon (速龙) X2,软件技术的兴起和发展（1）,机器语言 面向机器,汇编语言 面向机器,高级语言 面向问题,FORTRAN 科学计算和工程计算,PASCAL 结构化程序设计,C 面向对象,Java 适应网络环境,各种计算机语言,系统软件,语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序,操作系统 UNIX Windows Android,服务性程序 装配 调试 诊断 排错,数据库管理系统 数据库和数据库管理软件,网络软件 TCP/IP CDMA 3G/4G通讯软件,软件技术的兴起和发展（2）,软件发展的特
14、点, 开发周期长, 制作成本高, 检测软件产品质量的特殊性,软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档,2. 计算机的分类和应用,大型计算机,小型计算机,微计算型机,具有超强的计算和处理能力. 主要用于天气预报，模拟核试验等超大型科学计算和数据处理典型机器： IBM深蓝, NEC 地球模拟器，中国的曙光,具有很强的计算和处理能力. 主要用于多客户，多任务业务处理系统。例如：银行和保险业务处理系统。典型机器：PDP 11/44,VAX11/780.,具有较强的计算和处理能力. 主要用于办公自动化和家庭多媒体娱乐。典型机器：DELL,HP,联想,苹果的PC台式和笔记本电脑.,超级计算机（1
15、）,6000个处理器， 16 teraflops,2008年 曙光公司 曙光5000A,超级计算机（2）,5120个处理器， 40.9 teraflops,2007年 NEC Earth Simulator,超级计算机（3）,30,000个处理器， 91.29 teraflops,2007年 IBM BlueGene/W,超级计算机（4）,2009年 天河一号,71,680个处理器，1.206 petaflop,超级计算机（5）,2009年 IBM Roadrunner,122,400个处理器，1.376 petaflop,超级计算机（6）,2009年 Cray Jaguar,224,162个
16、处理器，2.331 petaflop,超级计算机（7）,14336颗Intel Xeon X5670 六核心处理器,还有2048颗FT-1000八核处理器，总计20多万颗处理器核心, 达到2.507petaflop。,2010年 天河一号A,超级计算机（8）,705240颗处理器核心, 达到8.162petaflop。,2011 富士通 ”京”,2012 泰坦,18,688颗AMD 16核心CPU，18,688颗NVIDIA图形处理器, 峰值达到20petaflop,2014 天河二号,3120000颗处理器核心, 达到33.9petaflop。,计算机应用（1）,一、科学计算和数据处理,二、
17、工业控制和实时控制,三、网络技术,1. 电子商务,2. 网络教育,3. 敏捷制造,计算机应用（2）,四、虚拟现实,五、办公自动化和管理信息系统,六、CAD/CAM/CIMS,七、多媒体技术,八、人工智能,3. 计算机的展望,物理极限的制约，Moore定律的终结,挑战人脑智慧,存在的问题：,发展的机遇：,量子计算机,神经科学和人工智能技术,人工智能AI,本 书 结 构,第一篇 概论,第二篇计算机系统硬件结构,第三篇 CPU,第四篇 CU,复习讨论,什么是计算机系统？说明计算机系统的层次结构,请简述计算机组成和计算机体系结构的概念,请描述冯.诺依曼计算机的特点的层次结构,请简述计算机硬件基本组成及主要部件的功能,解释MIPS，CPI和FLOPS的含义,请简述计算机解题时内部工作过程,
