计算机组成原理[袁春风]chap1.ppt
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1、1,第1章 概 述,南京大学 计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,2,主要内容,计算机的基本功能和结构 冯.诺依曼结构的基本思想 计算机的发展历史 计算机的分类 计算机系统的组成 计算机组织和系统结构的概念 计算机的性能设计,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,3,1.1 计算机的功能和构成,什么是计算机? 计算机是一种不需要人的 直接干预,能够对各种数字化信息进行自动快速运算的通用处理装置。 计算机具有高速、通用、准确和智能的特点。,内部特性 高速高集成度器件 数字化编码信息 逻辑判断和处理 存储程序工作方式,外部特性 快速性 准确性 通用
2、性 智能性,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,4,1.1 计算机的功能和构成,功能 数据处理 数据存储 数据传送 控制,内部结构 中央处理器(运算器) 存储器组织 输入/输出模块 中央处理器(控制器),系统互连,计算机硬件的功能和结构,中央处理器(CPU)是最复杂的功能部件。近年来采用多个处理器的计算机系统越来越多,但本课程重点在于单处理器系统的组织和结构。,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,5,1.2 计算机发展简史,第一代:真空管(电子管)194657年 46年诞生第1台电子计算机ENIAC 体积庞大,重30吨,有18000多个真空管组成,5000次加法/秒。 采用十进
3、制表示/运算,其存储器由20个累加器组成,每个累加器可存10位十进制数,每一位数由10个真空管表示。 采用手动编程,通过设置开关和插拔电缆来实现。 冯诺依曼机 45年冯诺依曼(图灵也同时)提出“存储程序”思想,并于46年开始设计“存储程序”计算机,被称为IAS计算机。 “存储程序”思想:将事先编好的程序和原始数据送入主存中,然后启动计算机工作。计算机应能在不需操作人员干预下,自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。 特点:单CPU,运算器为PC和AC结构,定点运算,程序控制I/O,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,6,冯诺依曼生平简介,诺依曼 John von Neuman(19031
4、957) 美籍匈牙利数学家。1903年12月28日生于布达佩斯。诺依曼先后入柏林大学和苏黎世技术学院学习,1925年毕业,获化学工程师称号,1926年获布达佩斯大学数学博士学位。毕业后在德国汉堡大学任教。1930年移居美国,在普林斯顿大学和该校高级研究所工作。诺依曼1944年参加JW莫奇利和JP埃克脱领导的“埃尼阿克”(ENIAC)计算机研究工作,在计算机的理论和设计方面发挥了重要作用。,1945年年中,诺依曼发表了离散变量自动电子计算机“埃德伐克”(EDVAC)计算机设计方案,提出重大革新措施。1946年,他与J巴克斯等合作,提出更加完善的计算机设计报告电子计算机逻辑设计初探。它是以CE仙农
5、提倡的二进制、程序内存以及指令和数据统一存储为基础,对于现代计算机的发展具有重要的意义。,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,7,IAS计算机,1946年冯诺依曼和他的同事在普林斯顿高级研究院开始设计一种新的程序存储计算机。它被称为IAS计算机。虽然直到1952年仍未完成,但它却是后来通用计算机的原型。,主存 储器,算术逻辑单元,程序控制器,输入输 出设备,IAS计算机的一般结构,它包含4个部件:,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,8,冯诺依曼结构的主要思想,计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。 各基本部件的功能是: 存储器不仅能存放数据,而
6、且也能存放指令,形式上两者没有区别,但计算机应能区分数据还是指令; 控制器应能自动执行指令; 运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算,并且也能进行一些逻辑运算和附加运算; 操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信。 内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型,地址码指出操作数的地址。由一串指令组成程序。 采用“存储程序”工作方式。,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,9,1.2 计算机发展简史,第二代:晶体管 195864年 元器件:逻辑元件采用晶体管以外,其内存储器由磁芯构成,磁鼓与磁带成为外存储器。 特点:变址,浮点运算,多路存
7、储器,I/O处理机,中央交换结构。 软件:使用了高级语言,并提供了系统软件。 代表机种:IBM 7094和DEC PDP-1,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,10,1.2 计算机发展简史,第三代:SSI/MSI 196571年 元器件:逻辑元件与主存储器均由集成电路实现 。 特点:微程序控制,Cache,虚拟存储器,流水线等。 代表机种: IBM 360和DEC PDP-8(大型/巨型机与小型机同时发展 ),问题:为什么可用集成电路实现计算机?,问题:计算机的基本功能是什么?,问题:这些基本功能如何实现?,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,11,IBM System/36
8、0系列计算机,IBM公司于1964年研制成功 引入了“兼容机”(或称为“系列机”)概念 兼容机的特征 : 相同的或相似的指令集 相同或相似的操作系统 更高的速度 更多的I/O端口数 更大的内存容量 更高的价格,有些低端机指令集是高端机的一个子集,称为“向后兼容”。,问题1:引入“兼容机”有什么好处?,问题2:实现“系列机”的关键是什么?,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,12,1.2 计算机发展简史,以后几代(标准、意见不一) (第四代:LSI/VLSI/ULSI 1972至今) 微处理器和半导体存储器的技术发展迅猛,微型计算机出现。 使计算机以办公设备和个人电脑的方式走向“最终用户
9、”。 半导体存储器 70年Fairchild公司生产出第一个相对大容量半导体存储器 74年位价格低于磁芯的半导体存储器出现,并快速下跌 从70年起,存储密度呈4倍提高(几乎是每3年)。 微处理器 微处理器芯片密度不断增加,使CPU中所有元件放在一块芯片上成为可能。71年开发出第一个微处理器芯片4004。 特点:共享存储器,分布式存储器及大规模并行处理系统,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,13,计算机的五个发展阶段,摘自 COMPUTER ORGANIZATION AND ARCHITECTURE Design for PerformanceWilliam Stallings,代号
10、大致年份 技术标志 代表速度(每秒执行指令数) 1 19461957 真空管 40,000 2 19581964 晶体管 200,000 3 19651971 中小规模集成电路 1,000,000 4 19721977 大规模集成电路 10,000,000 5 1978 超大规模集成电路 100,000,000,除了元器件外,系统结构的特点是换代的一个重要标志 1965-75期间,元器件延迟降为1/10,但指令时间却降为1/100。这说明了计算机结构改进的重要性。,计算机时代划分,南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风,14,非冯诺依曼计算机的发展,非冯诺依曼结构的计算机,迄今为止,非冯诺
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