计算机组成与系统结构复习第一章

计算机组成与系统结构上海交通大学继续教育学院陈泽宇博士副教授2本课程与计算机专业其他课程的关系数学基础课离散数学计算机基础课计算机应用基础（国家统考）计算机专业课硬件、软件、网络……3计算机专业课软件类数据结构（学位课）操作系统（学位课）程序设计（C）面向对象程序设计（Java）应用软件开发（C#）数据库原理与应用网络类计算机网络网络与信息安全硬件类计算机组成与系统结构嵌入式系统及应用讲座信息技术前沿专题讲座选修课软件工程与项目管理数据库系统管理与维护网络规划设计与管理维护网络攻击与防御技术可视计算及应用4第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器（CPU）第6章总线系统第7章输入输出（I/O）系统第8章并行计算机系统5第1章计算机系统概论1.1计算机的分类、发展与应用1.2计算机的基本组成1.3计算机系统的概念61.1计算机的分类、发展与应用1.1.1计算机的分类1.1.2计算机的发展概况1.1.3计算机的应用7电子数字计算机（ElectronicDigitalComputer）通常简称为计算机（Computer）是按照一系列指令来对数据进行处理的机器计算机拥有众多的物理形态个人计算机（PersonalComputer，PC）便携计算机（PortableComputer）又称膝上型计算机（LaptopComputer）嵌入式计算机（EmbeddedComputer）使用最为广泛的计算机形态8根据Church–Turing理论，任何一台具有最基本功能的计算机，原则上都能够执行任何其他计算机可以执行的任务只要不考虑时间和存储容量，性能和复杂度均相差甚远的各种计算机，都能够执行相同的运算任务9美国SGI公司为NASA制造的Columbia超级计算机GNUX（GNU+Linux）操作系统下运行视频会议软件的手表计算机101.1.1计算机的分类1．计算机分类2．通用计算机分类111．计算机分类根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，计算机可分为通用计算机和专用计算机两大类通用计算机功能齐全，通用性强，适应面广，可完成各种各样的工作但是牺牲了效率、速度和经济性12专用计算机是专为某些特定问题而设计的功能单一的计算机，一般结构简单具有可靠性高、速度快、成本低的优点，是最有效、最经济和最快速的计算机但是其适应性很差132．通用计算机分类通用计算机分为6类，其区别在于体积、复杂度、功耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和价格超级计算机（Supercomputer）大型机（Mainframe）服务器（Server）工作站（Workstation）微型机（Microcomputer）单片机（Single-ChipComputer）14超级计算机主要用于科学计算运算速度远远超过其他计算机，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵单片机是只用单片集成电路（IntegratedCircuit，IC）做成的计算机体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜大型机、服务器、工作站、微型机结构规模和性能指标依次递减随着超大规模集成电路的迅速发展，今天的工作站可能是明天的微型机，而今天的微型机也可能是明天的单片机151.1.2计算机的发展概况1．第一台通用电子数字计算机2．数字计算机的发展史3．计算机体系结构的发展过程4．数字计算机的发展趋势16“Computer”一词最初指的是从事数值运算的人，他们往往借助于某种机械运算装置来完成数值运算工作现在专指计算机，即电子数字计算机171．第一台通用电子数字计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，电子数字积分计算机）1946年，美国宾夕法尼亚大学18000多个电子管占地170平方米总重量达30吨耗电140千瓦每秒能做5000次加减运算是科学史上一次划时代的创新，奠定了现代电子数字计算机的基础最初的结构设计不够灵活，每一次重新编程都必须重新连线（Rewiring）18存储程序体系结构（Stored-ProgramArchitecture）给计算机一个指令序列（即程序），计算机会存储它们，并在未来的某个时间里，从计算机存储器中读出，依照程序给定的顺序执行它们现代计算机区别于其他机器的主要特征，就在于这种可编程能力冯·诺伊曼体系结构（vonNeumannArchitecture）早在ENIAC完成之前，数学家约翰·冯·诺伊曼（JohnvonNeumann）就在其论文中提出了存储程序计算机的设计思想因此，存储程序体系结构又称为冯·诺伊曼体系结构大多数当代计算机仍然采用冯·诺伊曼体系结构192．数字计算机的发展史从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了5代的变化时间使用器件执行速度（次/秒）典型应用第1代1946~1957电子管几千至几万数据处理机第2代1958~1964晶体管几万至几十万工业控制机第3代1965~1970小规模/中规模集成电路几十万至几百万小型计算机第4代1971~1985大规模/超大规模集成电路几百万至几千万微型计算机第5代1986~甚大规模集成电路几亿至上百亿单片计算机20第一代计算机1946年到1957年使用电子管（VacuumTube）作为电子器件使用机器语言与符号语言编制程序体积庞大，存储容量小，成本很高，可靠性较低主要用于科学计算在此期间，形成了计算机的基本体系结构，确定了程序设计的基本方法21第二代计算机1958年到1964年使用晶体管（Transistor）作为电子器件开始使用计算机高级语言体积缩小，存储容量扩大，成本降低，可靠性提高不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制“工业控制机”开始得到应用22第三代计算机1965年到1970年使用小规模集成电路（Small-ScaleIntegration，SSI）与中规模集成电路（Medium-ScaleIntegration，MSI）作为电子器件操作系统开始出现计算机小型化、微型化不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域出现了管理信息系统（ManagementInformationSystem，MIS）“小型计算机”开始出现23第四代计算机1971年到1985年使用大规模集成电路（Large-ScaleIntegration，LSI）与超大规模集成电路（Very-Large-ScaleIntegration，VLSI）作为电子器件计算机在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手由几片大规模集成电路组成的“微型计算机”开始出现，并进入家庭24第五代计算机1986年开始采用甚大规模集成电路（Ultra-Large-ScaleIntegration，ULSI）作为电子器件由一片甚大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现25总体而言电子管计算机在整个20世纪50年代居于统治地位20世纪60年代，晶体管计算机逐渐取而代之20世纪70年代，集成电路技术的采用和其后微处理器的产生，导致计算机有了一次新的飞跃20世纪80年代，计算机被个人广泛使用，成为现在无处不在的个人计算机20世纪90年代以来，几乎所有的现代电子设备都会包含某种形式的计算机在内263．计算机体系结构的发展过程在冯·诺伊曼体系结构的基础上，以提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性、方便用户使用为目的，不断采用新的器件、研制新的软件主要是指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构、多媒体体系结构、操作系统和数据库管理系统的形成和发展274．数字计算机的发展趋势1）多处理2）网络化3）智能化4）微型化5）巨型化6）多媒体281）多处理多处理（Multiprocessing）在一个或多个CPU之间划分工作传统上用于超级计算机、大型机和服务器这类大型、强大的计算机上超级计算机经常拥有几千个CPU、定制的高速互连网络和专门的计算硬件低端市场应用配备多处理器（Multiprocessor）和多核（Multi-Core）处理器的台式/便携式计算机292）网络化20世纪70年代，美国国防部高级研究计划署（ARPA）资助形成ARPANET此后，该网络传播开来，最终形成了互联网（Internet）20世纪90年代，电子邮件（e-Mail）和万维网（WorldWideWeb，）等应用普及以太网（Ethernet）和非对称数字用户线路（AsymmetricDigitalSubscriberLine，ADSL）等廉价、快速联网技术发展计算机网络变得无处不在303）智能化人们将用自然语言和机器对话计算机将从数值计算为主过渡到知识推理为主，进入知识处理阶段4）微型化微型计算机将向更加微型化、网络化、高性能、多用途方向发展5）巨型化超级计算机将向更加巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展316）多媒体多媒体信息文本、图像、图形、声音、视频等多媒体计算机将真正改善人机界面使计算机向着人类接受和处理信息的最自然的方式发展321.1.3计算机的应用1．科学计算2．自动控制3．测量测试4．信息处理5．教育卫生6．电子电器7．人工智能331．科学计算科学计算领域数学、化学、原子能、天文学、地球物理学、生物学等基础科学研究航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质找矿、天气预报等方面的大量计算益处大大减轻计算工作量一些以往无法解决、无法及时解决或无法精确解决的问题得到圆满的解决342．自动控制有了体积小、价廉、可靠的微型机和单片机作为工具，自动控制进入了以计算机为主要控制设备的新的发展阶段353．测量测试提高测量精度提高工作效率完成非人力所能完成的测量和测试任务如高温、低温、有毒、辐射环境的测量和测试，核爆炸时的数据采集等等364．信息处理人本身就是一个非常高级的信息处理系统一台计算机实际上就是一台信息处理机可用来处理文字、表格、图像、声音等各类信息信息处理的典型应用办公自动化、管理信息系统、电子银行（e-Banking）、电子购物（e-Shopping）、网上订票、虚拟图书馆、网络流媒体（StreamingMedia）375．教育卫生计算机辅助教学（Computer-AidedInstruction，CAI）基于网络的现代远程教学（DistanceLearning，或e-Learning）38使用计算机的各种医疗设备CT图像处理设备、心脑电图分析仪、血液分析仪专家系统中医专家诊疗系统、各种疾病的电子诊疗系统396．电子电器电子电器产品中广泛应用了各种嵌入式计算机微波炉、洗衣机、家用空调、DVD播放机、电子玩具、游戏机电子电器产品网络化许多家用电器可以通过各种有线或无线的网络连接（如Internet、红外线、蓝牙等），完成自身程序的自动更新、远程控制等复杂任务407．人工智能人工智能简而言之就是使计算机模仿人的高级思维活动文字识别、图形识别、景物分析、语音识别、语音合成、语言理解机器人人工智能研究中最突出的成就41工业机器人在生产线上完成简单重复的工作代替人类在高温、有毒、辐射、深水等恶劣环境下工作智能机器人自己识别控制对象和工作环境自动作出判断和决策直接领会人的命令和意图避开障碍物，适应环境变化灵活机动地完成指定的控制任务与信息处理任务汽车生产中的工业机器人421.2计算机的基本组成1.2.1计算机硬件1.2.2计算机软件1.2.3软件与硬件的逻辑等价性43计算机由硬件（Hardware）和软件（Software）两部分组成硬件是基础，是软件活动的舞台软件是灵魂，使硬件最大限度地发挥作用两者缺一不可计算机硬件由物理元器件构成的有形实体主要是数字逻辑电路计算机软件由计算机程序构成的无形的东西需要存储在有形的硬件（如主存储器、硬盘等）中可以实现更高层次的逻辑功能441.2.1计算机硬件1．控制器2．运算器3．存储器4．输入输出设备5．总线45计算机硬件是组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称冯·诺伊曼体系结构主要特点：使用二进制数和存储程序设计思想：存