计算机组成技术ch1

2018-6-25微机原理与接口Welcometothewonderfulworldofcomputer计算机科学与技术学院硬件教研室刘松波2018-6-25教学目录第一部分计算机原理第二部分汇编语言程序设计第三部分微型计算机接口技术2018-6-25教学要求1.上课出勤，并认真听课，遵守课堂纪律。2.按时、按量、认真地完成作业。3.预习实验、撰写实验，方可参加实验。4.课后要阅读相关参考书。2018-6-25成绩评定课程成绩通过三方面考核：考试成绩占：80%平时成绩占：10%实验课成绩占：10%总计满分为100分。但是没有平时成绩或实验课成绩，考试成绩无效。2018-6-25答疑安排建议在课堂上提问每周答疑期末安排集中答疑。2018-6-25第1章绪论1.1电子计算机的产生与发展1.2微型电子计算机的发展1.3我国电子计算机的发展1.4电子计算机的基本组成与结构1.5电子计算机的分类与性能评价1.6电子计算机的特点及应用1.7电子计算机的新进展2018-6-25课程简介指令系统指令系统指令系统软件硬件指令系统2018-6-25课程简介结构、组成、实现三者关系软、硬件分界面>>逻辑实现>>物理实现相互联系相互影响：结构决定组成，组成决定实现，反之又影响前者互相渗透：微程序控制，软件进入硬件设计；2018-6-25课程简介例：乘法指令是否包含乘法指令；（结构如何实现乘法指令；（组成乘法器的物理实现；（实现2018-6-25课程简介软件类硬件类高级语言程序设计汇编语言程序设计(清华)数字逻辑数据结构计算机组成原理（高教）编译原理操作系统接口技术（华中）2018-6-251.1电子计算机的产生与发展计算工具扩展并延伸了人脑的功能手动计算工具：算盘，算筹。机械式计算工具：手摇台式计算机1642年，法数学家Pascal始创1674年，德数学家Leibnitz改进1812年，英数学家Babbage分析机机电式计算工具：1944年艾肯研制成功MARK-I(电动、齿轮、继电器构成)2018-6-25第一代计算机：电子管计算机第二代计算机：晶体管计算机第三代计算机：集成电路计算机第四代计算机：大规模集成电路计算机现代电子计算机的发展2018-6-25图灵（AlanTuring）冯·诺依曼（JohnVonNeuman）两位杰出的计算机科学家2018-6-25“图灵机”：1937年提出，现代计算机的理论模型；（理想计算机的数学模型、可计算性）；图灵测试2018-6-25最简单的来说冯氏的精髓贡献是2点：二进制思想与存储程序思想2018-6-25现代电子计算机的发展第一代计算机（1946-1958）：电子管时代ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）运算速度：每秒几千次。1954年，第1个高级程序设计语言Fortran问世。2018-6-25世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)2018-6-25ENIAC:电子管：180005000次/秒140kW2018-6-25第二代计算机（1958-1965）：晶体管时代计算机的应用从科学计算，扩展到：数据处理和过程控制。Algol60高级程序设计语言问世计算机的运算速度达到：几万到几十万次每秒。现代电子计算机的发展2018-6-25第三代计算机（1965-1970）：集成电路时代集成电路(IntegratedCircuits,IC)代替分立元件。IBMSystem360系列机问世。操作系统(OS,OperatingSystem)日益成熟。半导体存储器开始替代磁芯存储器。小型计算机走进市场。计算机的运算速度最高可达：几千万次每秒。现代电子计算机的发展2018-6-25第四代计算机（1971-）：大规模集成电路时代现代计算机技术基本成熟，并行计算机得到广泛的应用。基于向量并行处理技术的Cray-1使人类首次获得每秒1亿次的运算速度。微处理器和微型计算机异军突起。现代电子计算机的发展2018-6-25最快的超级计算机（截止到2014.06）1.天河二号(国防科大，广州中心 CPU:3120000个;速度:33862Tflop2018-6-252、美国能源部国家实验室的“泰坦”最快的超级计算机（截止到2014.06）CPU:560640个；速度:17590TFlops2018-6-25最快超级计算机其他参考：最权威的超级计算机排名的参考网址http://www.top500.org2018-6-25EarthSimulator2018-6-25EarthSimulator2018-6-25第五代计算机？现代电子计算机的发展2018-6-251.2微型电子计算机的发展第一代（1971-1972）4位的微处理器开山之作：Intel4004通用微处理器：Intel40402018-6-25第二代（1972-1977）8位的微处理器和微型电子计算机代表机型：Intel8008，8080MotorolaM6800，M6809ZilogZ801.2微型电子计算机的发展2018-6-25第三代（1978-1983）16位的微处理器和微型电子计算机代表机型：Intel8086,80286MotorolaMC68000,MC68010ZilogZ80001.2微型电子计算机的发展2018-6-25第四代（1984-）32位的微处理器和微型电子计算机代表机型：MotorolaMC68020Intel80386,80486,PentiumXIBMPowerPC1.2微型电子计算机的发展2018-6-25摩尔定律Moore’sLaw每18个月微处理器内部的晶体管数量扩大一倍，计算机的性能将翻一番，而芯片的价格保持不变。2018-6-25每18个月微处理器内部的晶体管数量扩大一倍，计算性能翻一番，而价格保持不变。2018-6-25微处理器的发展趋势2018-6-25处理器、DRAM2018-6-251.3我国电子计算机的发展1956年，“12年科技发展规划”。同年，哈工大、清华大学创建“计算机专业”（1957年1月，制成我国第一台比较完整的结构式电子模拟计算机。1973年，中国第一台百万次集成电路电子计算机“150机”研制成功。1983年，银河I号巨型计算机研制成功，运算次数达到每秒1亿次。1984年，第一台国产16位微机---长城0520正式推出。2018-6-25我国电子计算机的发展1993年，第一台10亿次巨型银河计算机II型通过鉴定，并于次年在国家气象局投入正式运行1995年，曙光1000型大型机通过鉴定，其峰值可以达到每秒25亿次1997年，银河III并行巨型机研制成功1999年，银河四代巨型机研制成功2000年，“神威”高性能计算机研制成功2018-6-251.4计算机系统的基本组成与结构由具有各类特殊功能的信息（程序）组成。计算机系统计算机的实体，如主机、外部设备（外设）等。1.4.1计算机系统的基本组成（1）2018-6-251.4计算机的基本组成与结构主机中央处理CPU1.4.1计算机系统的基本结构（2）运算器控制器主存储器2018-6-251.4计算机的基本组成与结构外设I/O设备1.4.1计算机系统的基本结构（3）输入设备输出设备辅助存储器2018-6-25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2018-6-25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器M01.4.2计算机系统的层次结构2018-6-25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2018-6-251.5电子计算机的分类与性能评价1.5.1电子计算机的分类从电子计算机的内部实现来分模拟式电子计算机数字式电子计算机按设计目的：专用电子计算机通用电子计算机2018-6-251.5.1电子计算机的分类从电子计算机的性能来分微型电子计算机小型电子计算机中型电子计算机大型电子计算机超级电子计算机2018-6-251.5.1电子计算机的分类从电子计算机的用途来分个人电子计算机工业控制电子计算机军用电子计算机嵌入式电子计算机等等2018-6-251.5.2电子计算机的性能评价基本字长：8位，16位，32位，64位主存容量：主存容量=存储单元数*字长存取周期：目前半导体存储器的存取周期约为60ns。运算速度：2018-6-254.运算速度主频2018-6-251.5.2电子计算机的性能评价(续)系统配置：软件配置，外设配置CPU主频：主频提高，速度提高，但功耗增加软件兼容性：向上兼容，向下兼容。特性：可靠性，可用性，可维护性，完整性、安全性。可伸缩性：可扩展性用户关注的任何指标。2018-6-251.6电子计算机的特点及应用1.6.1电子计算机的特点能在程序的控制下自动连续地工作具有很强的“记忆”功能运算速度快，计算精度高具有逻辑判断能力通用性强2018-6-251.6.2计算机的应用科学计算数据处理过程控制和实时控制CAD/CAM/CIMS智能模拟网络通信多媒体技术2018-6-251.6.2计算机的应用CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助设计是指按设计任务书的要求，利用计算机进行各种设计的比较，确定产品结构、外形尺寸、材料选择、模拟组装；再对模拟整机进行各种性能测试，包括强度分析、振动分析、运动状态分析等；并任意修正，最后从性能的先进性、经济的合理性、加工的可行性等方面进行论证，获得最终的设计产品，大大降低了产品设计的成本，缩短了产品的设计周期，最大限度地降低了产品设计的风险。2018-6-251.6.2计算机的应用CAM（ComputerAidedManufacturing）计算机辅助制造是以数控机床为主体，利用存有全部加工资料的的数据库，如刀具、夹具和各种零件的加工程序，以及在加工过程中的自动换刀及加工数据的控制。目前人们已经将数控、物料流控制及存储、机器人、柔性制造、生产过程仿真等计算机相关控制技术统称为计算机辅助制造。2018-6-251.6.2计算机的应用CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems）计算机集成制造系统是信息技术和现代管理技术改造传统制造业、加强新兴制造业、提高企业市场竞争能力的一种生产模式。具体而言，以企业选定的产品为龙头，在产品设计过程、管理决策过程、加工制造过程、产品质量管理和控制等过程中，采用计算机辅助技术和先进的科学管理方法，在计算机网络和数据库的支持下，实现系统集成，进而使企业优化运行，达到产品上市快，质量好，成本低、服务好的目的，以此提高产品的市场占有率和企业的市场竞争能力。2018-6-251.7电子计算机的新进展1.7.1电子计算机技术发展的动力需求、以用户为中心、探索。1.7.2元器件技术的进步高集成度、高主频，DNA计算1.7.3电子计算机发展的趋势高、开、多、智、网。2018-6-25参考书目教材：微型计算机技术，孙德文，高等教育出版社参考书1）计算机组成原理，唐朔飞编著，高等教育出版社出版2）IBMPC汇编语言程序设计（第二版），沈美明、温冬婵编 著，清华大学出版社出版3）微型计算机接口技术刘乐善华中科技大学补充