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1、计算机组成原理 先修课程：数字逻辑电路 课程性质：专业必修课 学时分配：课堂64学时，实验16学时 其他参考教材：白中英 计算机组成原理 科学出版社 唐朔飞 计算机组成原理 高等教育出版社 后续课程：计算机系统结构 课程历史沿革：课程历史沿革：1987年，中国计算机学会教育专业委员会推出我年，中国计算机学会教育专业委员会推出我国计算机本科专业国计算机本科专业“87教程教程”，对，对8门重点课程门重点课程（其中含计算机组成原理）提出了基本要求；（其中含计算机组成原理）提出了基本要求；2002年，中国计算机学会教育专业委员会、全国年，中国计算机学会教育专业委员会、全国高等学校计算机教育研究会推出高
2、等学校计算机教育研究会推出中国计算机科学中国计算机科学与技术学科教程与技术学科教程2002，提出硬件课程包含，提出硬件课程包含“数字数字逻辑与数字系统逻辑与数字系统”、“计算机组成计算机组成”、“计算机体计算机体系结构系结构”三大知识模块三大知识模块;2006年，教育部高等学校计算机科学与技术教学年，教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会推出指导委员会推出“高等学校计算机科学与技术专业高等学校计算机科学与技术专业发展战略报告暨专业规范发展战略报告暨专业规范”，仍然将，仍然将“数字逻辑与数字逻辑与数字系统数字系统”、“计算机组成计算机组成”、“计算机体系结构计算机体系结构”列为主干课程。列
3、为主干课程。目目 录录第第1章章 计算机系统概述计算机系统概述第第2章章 数据的表示和运算数据的表示和运算第第3章章 存储器层次结构存储器层次结构第第4章章 指令系统指令系统第第5章章 中央处理器中央处理器第第6章章 总线总线第第7章章 输入输出系统输入输出系统目目 录录第第8章章 流水线处理技术流水线处理技术第第9章并行计算机体系结构章并行计算机体系结构第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.4 计算机的分类和应用计算机的分类和应用1.1 计算机的发展历程计算机
4、的发展历程 根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子计算机的发展依次经历了电子管时代、晶体管时代、计算机的发展依次经历了电子管时代、晶体管时代、中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代、甚大规模和极大规模集成电路时代等几个路时代、甚大规模和极大规模集成电路时代等几个不同的发展阶段。不同的发展阶段。第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（1946194619591959）电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件，电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件，如图如图1.11.1所示。世界上第一台
5、电子数字计算机所示。世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And calculatorcalculator），），19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制，年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长字长1212位，运算速度位，运算速度50005000次次/秒，使用秒，使用1880018800个电子个电子管、管、15001500个继电器，功耗个继电器，功耗150kw150kw，占地，占地170m2170m2，重达，重达3030吨，造价吨，造价100100万美元
6、，如图万美元，如图1.21.2所示。所示。图1.1 电子管图1.2 第一台电子数字计算机ENIAC第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（1959195919641964）晶体管，通常指的是晶体三极管，是用半导体晶体管，通常指的是晶体三极管，是用半导体材料制作出来、封装在一个金属壳内的带有三个管材料制作出来、封装在一个金属壳内的带有三个管脚的小器件，脚的小器件，19581958年进入批量生产阶段。用它可以年进入批量生产阶段。用它可以设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路，和触发再实现出计算机使用的
7、全部组合逻辑线路，和触发器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用分立器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用分立的晶体管线路实现的计算机称为晶体管计算机。第的晶体管线路实现的计算机称为晶体管计算机。第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展，主要用于商业、大起来了，计算机工业迅速发展，主要用于商业、大学教学和政府机关。学教学和政府机关。第三代，中小规模集成电路计算机时代（第三代，中小规模集成电路计算机时代（1964196419701970）集成电路（集成电路（Integrated CircuitIntegrated Ci
8、rcuit，简称，简称ICIC）是做在晶）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。计算机的数据存储、运却包含了几千个晶体管元件。计算机的数据存储、运算、传输以及控制功能基本上都是由具有逻辑功能的算、传输以及控制功能基本上都是由具有逻辑功能的各类门电路组成实现的，而门电路又是由晶体管、电各类门电路组成实现的，而门电路又是由晶体管、电阻、电容等组成，因此集成电路制造技术的发展可以阻、电容等组成，因此集成电路制造技术的发展可以实现将成百上千个门电路全部制作在一块极小的硅片实现将成百上千个门电路全部制作在一块极小
9、的硅片上，这种技术的应用使得计算机的体积大大缩小，并上，这种技术的应用使得计算机的体积大大缩小，并且降低了功耗，提高了计算机的可靠性。第三代计算且降低了功耗，提高了计算机的可靠性。第三代计算机的代表是机的代表是IBMIBM公司花了公司花了5050亿美元开发的亿美元开发的IBM 360IBM 360系列。系列。第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（1970 1970 至今）至今）这个时代的计算机使用的元件依然是集成电路，这个时代的计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十
10、万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（LargeScale lntegrated CircuitLargeScale lntegrated Circuit，简称，简称LSILSI）和超大规模）和超大规模集成电路（集成电路（Very Large Scale lntegrated CircuitVery Large Scale lntegrated Circuit，简称，简称VLSIVLSI）。）。19751975年，美国年，美国1BM1BM公司推出了个人计算机公司推出了个人计算机PCPC（PersonaI ComputerPersonaI Co
11、mputer），从此，人们对计算机不），从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。表表1.1计算机发展历程中各个阶段的特点计算机发展历程中各个阶段的特点 年代年代第一代第一代1946-1959第二代第二代1959-1964第三代第三代1964-1970第四代第四代1970-现在现在电子器件电子器件电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模、超大大规模、超大规模集成电规模集成电路路存储器存储器延迟线延迟线磁芯、磁鼓磁磁芯、磁鼓磁带、纸带带、纸带磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓
12、磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁带、磁盘磁带、磁盘光盘光盘处理方式处理方式机器语言机器语言汇编语言汇编语言监控程序监控程序高级语言高级语言实时处理实时处理操作系统操作系统实时实时/分时处理分时处理网络操作系网络操作系统统应用领域应用领域科学计算科学计算科学计算科学计算数据处理数据处理过程控制过程控制科学计算科学计算系统设计等系统设计等 科技工程领域科技工程领域各行各业各行各业运行速度运行速度5000至至3万次万次/秒秒几十万至几十万至百万次百万次/秒秒百万至百万至几百万次几百万次/秒秒几百万至几百万至千亿次千亿次/秒秒典型机型典型机型ENIACEDVACIBM705UNIVACI
13、BM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和计算机组织两个概念。分计算机结构和计算机组织两个概念。计算机结构计算机结构:对涉及机器语言或者汇编语言的程序设对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示各
14、种数据类型的逻辑执行，主要包括指令集、表示各种数据类型的比特数、比特数、I/OI/O机制以及内存访问技术等。机制以及内存访问技术等。计算机组成计算机组成:计算机各部件的具体组成以及它们之间计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算机组成是计算机结构的逻辑实现。从这一点上，计算机组成是计算机结构的逻辑实现。图1.3 计算机系统的层次结构计算机系统通常包括计算机系统通常包括硬件和软件两大部分，硬件和软件两大部分，计算机的层次结构既计算机的层次结构既是分配软硬件功能的是分配软硬件功能的一种模式描述，也是一
15、种模式描述，也是分析计算机系统的较分析计算机系统的较好方法。好方法。目前计算机系统层次目前计算机系统层次结构分为六层，如图结构分为六层，如图1.3所示。所示。1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成 计算机系统的硬件部分从外观上看主要有主机、计算机系统的硬件部分从外观上看主要有主机、键盘、鼠标和显示器等组成；从逻辑功能上看，可键盘、鼠标和显示器等组成；从逻辑功能上看，可以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为设备五个部分，一般地又把运算器和控制器
16、合称为中央处理器中央处理器(Central Processing Unit,CPU)(Central Processing Unit,CPU)。1.2.2计算机软件的分类计算机软件的分类 计算机软件计算机软件：计算机系统中的程序和文档。程序是：计算机系统中的程序和文档。程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。计算机的软为了便于了解程序所需的阐明性资料。计算机的软件按照面向对象的不同可以分为两类：系统软件和件按照面向对象的不同可以分为两类：系统软件和应用软件。应用软件。系统软件系统软件：用于实现系统功能、管理系统的软件，：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编译器、解释器、汇编器等。译器、解释器、汇编器等。应用软件：应用软件：面向用户的，针对某种
