计算机组成原理[袁春风]cha

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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1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2南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风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性智能性3南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风1.1计算机的功能和构成功能数据处理数据存储数据传

2、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。4南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风1.2计算机发展简史第一代：真空管（电子管）1946～57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

3、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/O5南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风冯·诺依曼生平简介诺依曼JohnvonNeuman（1903~1957）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，1

4、926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J·W莫奇利和J·P·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C·E·仙农提倡的二进制、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。6南京大学计算机系多媒

5、体技术研究所袁春风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:7南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风冯·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

6、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。8南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风1.2计算机发展简史第二代：晶体管1958～64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：IBM7094和DECPDP-19南京大学计算机系多媒体

7、技术研究所袁春风1.2计算机发展简史第三代：SSI/MSI1965～71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：IBM360和DECPDP-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？10南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风IBMSystem/360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