计算机组成原理——教学笔记

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1、第二章计算机组成原理一、教学内容l研究讨论单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理。l单台：非多机系统。l基本：不一定是最高性能、最合理的组成,而是最基础的必要的组成部分。l完整：计算机整机、全部的硬件功能部件。二、授课过程1、计算机的发展与应用（1）计算工具的发展工时代——十指计数（远古时代起）机械时代——算盘（公元前五世纪，中国）和对数计算尺（公元17世纪，欧洲）电子时代——电子计算机（2）具体可分为五个发展阶段：第一阶段：电子管计算机（1946~1959）硬件简单，体积大，只能进行定点算术运算，运算速度慢（几千~几万次/秒），编程语言采用机器语言和汇编语言。开始出现高级语言。（

2、电子射线管、磁鼓存储信息）第二阶段：晶体管计算机（1959~1964）能进行浮点算术运算，运算速度提高到几~几十万次/秒，软件采用子程序库、批处理管理程序。高级语言得到迅速发展。（磁芯为主要存储器，；用磁盘和磁鼓为外存）第三阶段：中小规模集成电路计算机(1964~1975)采用微程序控制的设计技术、流水线结构以及高速缓冲存储器Cache,运算速度达到几十万~几百万次/秒。软件出现操作系统、虚拟存储系统。（半导体存储器为主存）第四阶段：大规模集成电路计算机（1975~1990）体积进一步缩小，可靠性进一步提高，出现微型机。运算速度达几百万～几千万次/秒。数据库管理系统、分布式处理及网

3、络。第五阶段：新一代计算机（1990~现在）采用超大规模集成电路，运算速度达到几亿次/秒，从数值运算过渡到以知识推理为主；计算机语言向自然语言发展，并且可以自动生成程序。1981年10月，日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机。第五代计算机与前四代计算机有本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。据2003年11月26日“中国计算机”报“电脑工程师”专版刊载如下一则新闻：“日本贸易工业部放弃第五代计算机研究计划，准备开发以神经网络为基础的第六代计算机。”1946年第一台电子数字计算机ENIAC（electronicnumericalintegratorandcomputer)在美

4、国宾夕法尼亚大学由Johnmauchly和J.pEckert领导的为导弹设计服务小组研制成功后，大约每5~8年，计算机的运算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，体积可缩小至原来的1/10，成本也降低为原来的1/10。自20世纪70年代以来，计算机的产量以每年25％的速度递增。1983年，我国第一台亿次巨型电子计算机“银河”诞生了！1999年，我国“神威”千亿次并行计算机研制成功！（3）计算机的应用：科学计算、过程控制、信息处理、辅助设计和辅助制造、人工智能、现代教育、医疗卫生、家庭办公与娱乐等。计算机具有存储容量大、处理速度快、工作全自动、可靠性高，同时又具有很强的逻辑推理和判断

5、能力等特点，所以被广泛应用于各种学科领域，并迅速渗透到人类社会的各个方面，同时也进入了家庭。2、计算机的分类(1)按照使用范围划分：通用计算机（按性能分）：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（个人电脑）、单片机（微处理器和嵌入式计算机）专用计算机：有效、经济、快速专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。这些东西就是再先进，你也不能用它来玩游戏。通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行

6、效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。一般来说，巨型计算机的运算速度很高，可达每秒执行几亿条指令，数据存储容量很大，规模大结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计算。它也是衡量一国科学实力的重要标志之一。单片计算机则只由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单，性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机。它们的性能指标和结构规模

7、则相应的依次递减。（2）按照信息的形式和处理方法分：电子模拟计算机、电子数字计算机和混合机模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的"思维"方式进行工作，所以又被称为“电脑”。比较内容电子数字计算机电子模拟计算机数据的