第一章：概述

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1、第一章概述2012年8月27日南京大学计算机科学与技术系夏耐xianai@nju.edu.cn计算机的基本功能和结构计算机的发展历史★冯·诺依曼结构的基本思想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计算机的性能设计本章要点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。计算机具有快速、通用、准确和智能的特点。计算机的功能和组成中央处理器（CPU）是最复杂的功能部件。近年来采用多个（或多核）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。计算机的功能和组成第一阶段

2、：可计算理论的奠基（AlanTuring）计算机发展简史第一代：真空管（电子管）时代（1946～1957年）◦1946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实现。计算机发展简史第一代：真空管（电子管）时代（1946～1957年）计算机发展简史第一代：真空管（电子管）时代（1946～1957年）◦冯·诺依曼机1945年冯·诺依曼（图灵也同

3、时）提出“存储程序”思想，并于1946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。存储程序工作方式：存储器一维线性编址，按址存取，指令从存储器逐条取出，串行执行。计算机发展简史计算机发展简史1946年冯·诺依曼和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。IAS计算机的一般结构包含4个主要部件:计算机发展简

4、史计算机发展简史计算机发展简史计算机发展简史1.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；二进制指令和数据的存储是冯氏机的核心思想。2.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、输出设备与主机进行通信。计算机发展简史第二代：晶体管时代（1958～1964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

5、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-1计算机发展简史第三代：小/中规模集成电路时代（1965～1971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，高速缓冲存储器，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）计算机发展简史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

6、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”。计算机发展简史IBMSystem/360计算机的主要性能计算机发展简史同在64年出现。与IBM360相比，价格更低、更小巧，因而被称为小型机（Minicomputer）。PDP-8“创造了小型机的概念，并使之成为数十亿美元的工业”，使DEC成为了最大的小型机制造商。计算机发展简史主要特点：首次采用总线结构。Omnibus总线包含了96个独立的信号通道，用以传送控制、地址和数据信号。这种结构具有高度的灵活性，允许将模块插入总线以形成

7、各种配置。计算机发展简史第四代：大/超大/极大规模集成电路时代（1972年至今）◦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。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1970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。计算机发展简史第四代：大/超大/极大规模集成电路时代（1972

8、年至今）计算机发展简史新一代计算机◦日本的第五代计算机80年代初，日本政府制定