1、上海海事大学计算机系LL 黄晓霞 计算机原理与系统2课程简介课程简介课程邮箱课程邮箱课程特点课程特点课程教学计划课程教学计划课程学习过程要求课程学习过程要求教学内容安排教学内容安排计算机原理与系统3课程邮件xinx_ xinx13计算机原理与系统4课程特点课程特点专业必修的核心课程专业必修的核心课程计算机专业硕士研究生入学必考课程计算机专业硕士研究生入学必考课程教学内容教学内容计算机硬件系统的基本组成及运行原理计算机硬件系统的基本组成及运行原理各功能部件的构成原理和运行原理各功能部件的构成原理和运行原理计算机硬件系统及功能部件的设计简介计算机硬件系统及功能部件的设计简介计算机原理与系统5计算机
2、组成原理计算机组成原理与先修后继课程的关系与先修后继课程的关系先修先修数字电子技术数字电子技术汇编语言程序设计汇编语言程序设计 本课程位置与作用本课程位置与作用 专业主干课程之一专业主干课程之一 专业基础课与专业课的重要纽带专业基础课与专业课的重要纽带，承上启下的作用承上启下的作用 后继后继 操作系统操作系统 计算机网络计算机网络 计算机接口技术计算机接口技术 嵌入式系统嵌入式系统 单片机原理、可编程逻辑器件等单片机原理、可编程逻辑器件等计算机原理与系统6课程教学计划课程教学计划 教材教材主教材主教材:计算机组成与结构王爱英计算机组成与结构王爱英 主编主编清华大学出版社。清华大学出版社。参考教
3、材：参考教材：数字电子技术基础数字电子技术基础 阎石主编阎石主编 实验教材实验教材：计算机原理与系统实验指导书：计算机原理与系统实验指导书 上海海事大学上海海事大学计算机原理与系统7学学 时时:上课学时上课学时:71:71实验学时实验学时:10:10课程教学计划课程教学计划 学时学时学学 分分:4.54.5计算机原理与系统8计算机组成原理计算机组成原理:期末考试：期末考试：7070平时成绩平时成绩:30:30（包括作业、考勤、课堂小测验及（包括作业、考勤、课堂小测验及期中考查，期中考试时间暂定在期中考查，期中考试时间暂定在10.2810.28（第（第八八周）周）课程教学计划课程教学计划 成绩构
4、成成绩构成计算机原理与系统9课程学习过程要求课程学习过程要求上课上课:听课投入听课投入 上课不迟到、不无故缺勤上课不迟到、不无故缺勤作业作业:作业本（封面写上学号和姓名）作业本（封面写上学号和姓名）认真复习相关内容认真复习相关内容相互探讨，独立完成相互探讨，独立完成按时按质交作业，难题集中讲解按时按质交作业，难题集中讲解实验实验:预习预习操作操作报告报告计算机原理与系统10教学内容安排教学内容安排教材总目录教材总目录第一章第一章计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章 （数字电路基础）计算机的逻辑器件（数字电路基础）计算机的逻辑器件第三章第三章 （数据表示）运算算法和运算部件（数据表示）运算算
5、法和运算部件第四章第四章主存储器主存储器第五章第五章 指令系统（汇编语言程序设计简介）指令系统（汇编语言程序设计简介）第六章第六章 中央控制器中央控制器第七章第七章 存储系统存储系统第八章第八章 辅助存储器辅助存储器第九章第九章 输入输出设备输入输出设备第十章第十章 输入输出系统输入输出系统第十一章第十一章 计算机系统计算机系统计算机原理与系统11Chapter 1 计算机系统概论计算机的发展简史计算机硬件计算机的语言计算机的应用（计算机网络）计算机的性能指标 生活中的计算机系统Product:Vendo Vue 40 vending machine.Microprocessor:Two 16
6、-bit Hitachi H8/300H ProcessorsA robot hand dispenses itemsProduct:Cannon EOS 30D Digital CameraMicroprocessor:DIGIC II Image ProcessorProduct:NASAs Twin Mars Rovers.Microprocessor:Radiation Hardened20Mhz PowerPCCommercial Real-time OSSoftware and OS was developed during multi-year flight to Mars an
7、d downloaded using a radio linkPhotograph courtesy of NASA/JPL CALTECHProduct:Atronic Slot MachineMicroprocessor:X86OS:Windows CESlots are networked to a casinos back office computer system.State Gaming agencies audit code and payoff odds.Product:LG VoIP PhoneMicroprocessor:Freescale i.MX21 ARM OS:W
8、indows CE计算机原理与系统181.11.1计算机的发展简史计算机的发展简史Chapter 1 计算机系统概论Pascal发明的史上第一台机械式计算机机械式计算机就是一台十进制计算机，它利用齿轮装置来保存十进制数据，并通过齿轮旋转来完成十进制的加法，齿轮传动来完成进位。计算机原理与系统191.1 1.1 计算机的发展简史计算机的发展简史一、第一台计算机 ENIAC、时间（1946）、地点、特点Chapter 1 计算机系统概论1946年研制成功的第一台电子计算机ENIAC也沿用了这一惯例即采用十进制，它是由一圈共10个真空管来表示一位十进制数据的，计算实现起来非常复杂。计算机原理与系统2
9、0世界第一台电子计算机世界第一台电子计算机ENIAC 埃尼阿克埃尼阿克宾夕法尼亚大学摩尔工程学院宾夕法尼亚大学摩尔工程学院莫奇利和埃克特领导的研究小组莫奇利和埃克特领导的研究小组1946年年2月月14日日The Electronic Numerical Integrator And Computer17468个电子管个电子管 60000个个电阻器电阻器 10000个电容器个电容器 6000个开关个开关30吨吨 160平方米平方米 174千瓦千瓦 5000次加法次加法/秒秒缺点：十进制人工改接连线计算机原理与系统211.11.1计算机的发展史计算机的发展史二、冯 诺依曼计算机设计思想计算机的工作
10、方式-存储程序的工作方式提出：1946 冯 诺依曼提出计算机的若干设计思想要点：1.计算机采用二进制表示数据和指令2.存储程序的工作方式3.计算机硬件组成及各部件功能EDVAC,采用存储程序方案EDVAC(Electronic Discrete variable Automatic Computer)。离散变量自动电子计算机。Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统22冯诺依曼计算机结构以运算器为核心、以存储程序原理为基础运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器指令指令驱动驱动指令流控制命令数据流人们将编好的程序和原始数据存入主存储器中，然后启动计算机工作
11、，计算机在不需要人工干预的情况下，自动完成逐条取出指令并执行指令的任务。计算机原理与系统23程序的执行过程程序指令1指令2指令3指令4指令n 取指令指令译码取操作数执行指令存结果指令周期操作码 操作数执行计算机原理与系统241.1 1.1 计算机的发展史计算机的发展史三、以器件划分计算机的发展史1第一代 电子管计算机 1947-19572第二代 晶体管计算机 1958-19643第三代 集成电路计算机 1964-1972 4第四代 大规模集成电路计算机 1972-至今（第五代，1981）Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统25真空电子管诞生李德弗雷斯特(Lee deForest
12、18731961)“电子管之父”“无线电之父”、“电视始祖”1899（26岁）发明了电解检波器和交流发射机。1906（33岁）年他发明了三极真空管（检波、产生振荡、放大电信号、改变电信号频率等）真空电子管的诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。计算机历史由此跨进了电子的纪元。计算机原理与系统26李德福雷斯特 13岁便“发明”了好几种小机器，一生获得了多达300余项专利。20岁那年他考取了耶鲁大学谢菲尔德理学院的奖学金，班上的同学都叫他“学校里最平庸、最神经质的学生”。成功的原因1.对于电学、特别是电磁波传播有着近乎痴迷的兴趣。2.耶鲁精神和美国精神耶鲁精神和美国精神 耶鲁精神和美国精神
13、耶鲁的精神-“我们需要接收这种观点，即希望的大门为我希望的大门为我们打开，充沛的精力需要我们展现，伟大的思想和目标们打开，充沛的精力需要我们展现，伟大的思想和目标由之而激励，对未来的信念必然会在我们心中生根由之而激励，对未来的信念必然会在我们心中生根，这就是耶鲁的生活所带给你们的，这就是耶鲁的精神。在耶鲁，大家都是为梦想而来，每个人都可以为自己的理想而努力奋斗。不仅是耶鲁人，那时的美国人都相信，即将到来的二十世纪将成为“美国的世纪”。美国的科技的高速发展，在美西战争中的辉煌胜利，还有人民高涨的爱国热情，都让人相信这个国家前途无限。美国在美国在20世纪成为世界科技中心。世纪成为世界科技中心。计算
14、机原理与系统28三项发明助力计算机产业腾飞贝尔实验室肖克利等三人发明的晶体管诺伊斯和基尔比发明的集成电路。特德霍夫发明的微处理器。计算机原理与系统29晶体管之父W.Shockley威廉肖克利（William Bradford Shockley，1910年2月13日1989年8月12日）是一位英国出生的美国物理学家和发明家。1947年12月（37岁），肖克利与合作者巴丁和布拉顿 共同发明了晶体管，分享了1956年度的诺贝尔物理学奖金。计算机原理与系统30 -Robert Noyce 罗伯特诺伊斯1968年创办英特尔公司 1957年创办仙童半导体公司。财富、威望和成就三位一体的圣人罗伯特诺伊斯(R
15、obert Noyce)和德州仪器公司的杰克基尔比(Jack Kilby)在两年后分别发明了集成电路计算机原理与系统31特德霍夫与4004微处理器大学期间，每年暑假大学期间，每年暑假都到通用铁路信号公司的电子实验室做技师电子实验室做技师。在那儿，在电子跟踪电路电子跟踪电路，照明保护设计项目照明保护设计项目中，获得了专利申请的荣誉。大学毕业后一年大学毕业后一年，这两项专利被正式批准。1958年，申请了斯坦福大学，在这里获得了电子工程硕士和博士学位。在1971年（34岁），发明4004微处理器。用霍夫的话来说，“计算机这种智能体非常适合市场销售”。霍夫一直认为微处理器的发明远不如知道这种产品霍夫一
16、直认为微处理器的发明远不如知道这种产品拥有市场的感觉拥有市场的感觉 计算机原理与系统324004微处理器Intel 4004微处理器是世界上第一款商用计算机微处理器，是“一件划时代的作品”、人类历史上最具革新性的产品之一。它片内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108KHz，成本不到100美元。计算机原理与系统33v 从器件发展而言从器件发展而言电子管、继电器存储电子管、继电器存储 晶体管磁介质存储晶体管磁介质存储 集成电集成电路路 大规模和超大规模集成电路大规模和超大规模集成电路v 从结构的发展而言从结构的发展而言单个单个
17、CPU组成的单机系统组成的单机系统 流水线机流水线机 多处理机多处理机 大规模的并行处理机大规模的并行处理机v 从技术的发展上而言从技术的发展上而言变址技术变址技术 中断技术中断技术 微程序技术微程序技术 缓冲技术缓冲技术共享共享 重用技术重用技术 虚拟技术虚拟技术 1.11.1计算机的发展简史计算机的发展简史Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统34也称为超级计算机，它是一个国家科技水平、经济实力和军事威力的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值计算和信息处理能力，是每个时代计算机高精尖技术的集中代表。1983年我国自行研制出了第一台银河巨型机。此后，我国自行
18、研制的银河型巨型机每秒运算可达到120亿次。（1）巨型机）巨型机不同类型计算机简介计算机原理与系统35图1-5 第一台银河巨型机 图1-6 银河巨型机“天河一号”每秒计算1206万亿次的研制成功，世界上只有中、美能造,第一台国产千万亿次超级计算机“天河一号”2010.11，夺魁计算机原理与系统36 天河二号(第一名)泰坦(第二名，USA)Sequoia-blueGene(第三名,USA)K Computer(第四名)米拉(第五名,USA)Piz Daint（第六名，Switzerland）Stampede(第七名，USA)Juqueen(第八名，germany)Vulcan-BlueGene(
19、第九名)（USA）Cray XC30，（USA)计算机原理与系统372014.6年全球超级计算机排行前年全球超级计算机排行前10强强超级计算机500强排名2015发布 中国“天河二号”五连冠计算机原理与系统38天河二号天河二号已经是第五次拿到超级电脑运算能力的第一名了。位于中国国防科技大学的天河二号超级电脑，是中科曙光所开发，有312万颗核心处理器，其浮点运算速度达 33.86 petaflop/s，相当于第二快的超级电脑 Titan 的接近二倍。计算机原理与系统39计算机原理与系统40位于美国能源部橡树岭国家实验室的Titan，是超级电脑领域知名的克雷电脑公司(Cray)打造的，其浮点运算能
20、力为17.59 petaflop/s。第三名的超级电脑Sequoia同样位于美国的能源部，劳伦斯利福摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL），IBM 所开发，浮点运算能力为17.17petaflop/s。第四名则是位于日本理化学研究所的京(K computer)，由富士通打造。计算机原理与系统41z13的硬件扩展能力：41颗可配置处理器、10TB内存业务能力：单日能够处理25亿笔交易。2014年双十一那天，支付宝总交易2.78亿笔，其中移动端完成1.97亿笔，也就是说一台满配的z13几乎能处理10倍于支付宝双十一的交易量（2）大型
21、计算机）大型计算机图1-7 IBM大型机Z13mainframe computer它们一般用于大型事务处理系统计算机原理与系统42（Minicomputer）小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于PC服务器和大型主机之间的一种计算机（3）小型计算机）小型计算机IBM Power 780计算机原理与系统43微型计算机（Microcomputer）简称微型机或微机，是以微处理器为中央处理器而组成的计算机系统。（4）微型计算机）微型计算机它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计它是性能价格比最高、应用领域最广的一种计算机。近年来，微型机的发展最快、市场占有算机。近年来，微型机的发展最快、市场
22、占有率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的率最高，其许多性能达到甚至超过了小型机的水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、水平。微型计算机正不断向微型化、网络化、高性能、多用途发展。高性能、多用途发展。计算机原理与系统44微型计算机的分类方法很多。按字长可分为8位、16位、32位、64位微型机计算机;按组装形式可分为非便携式和便携式微型计算机，前者如台式机（如图1-8所示），后者是一种可移动的微型机，如笔记本和掌上计算机（如图1-9所示）。图1-8台式机 图1-9笔记本 计算机原理与系统45Chapter 1 计算机系统概论1.2 1.2 计算机的硬件计算机的硬件软件与硬件计算机是一种能够自
23、动、高速解决数学问题及逻辑问题的现代化电子装置。硬件构成了计算机系统的物质基础软件则是计算机系统的应用基础硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展。计算机原理与系统461.2 1.2 计算机的硬件计算机的硬件一、硬件系统一、硬件系统 CPU（运算器、控制器）核心组合逻辑控制器、微程序控制器 存储器容量、速度、价格主存（内存）、辅存（外存）、高速缓冲存储器（CACHE）、虚拟存储器 I/O设备：I/O接口计算机硬件（计算机硬件（Hardware）是指计算）是指计算机系统使用的电子线路和电子元件等机系统使用的电子线路和电子元件等物理设备的总称。物理设备的总称。Chapter 1 计算机系统概论
24、计算机原理与系统47运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备 总线总线 和和 输入输出接口输入输出接口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)第第3章章第第6章章第第4、7、8章章第第9章章第10章Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统48二、二、计算机硬件组成及各部件功能计算机硬件组成及各部件功能运算器存储器控制器输入设备输出设备程序结果数据结果地址指令命令状态请求命令请求命令计算机：计算机：CPU、存储器、输入输出设备（、存储器、输入输出设备（I/O）+总线总线运算器运算器ALU+控制器控制器Chapter 1 计算机系统
25、概论计算机原理与系统49微型计算机的概念结构微型计算机的概念结构AB:Address Bus，DB:Data Bus，CB:Control Bus地址总线地址总线 AB AB存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU数据总线数据总线 DB DB控制总线控制总线 CB CBI/O接口各个部件如何连接起来？（p.6图1.1）计算机原理与系统50Chapter 1 计算机系统概论1.3 计算机软件计算机语言发展史机器语言汇编语言高级语言计算机原理与系统51一、机器语言1、计算机采用二进制表示数据和指令 数据、指令（产生控制命令）计算机内采用二进制的原因：信息数字化容易实现，运算简单硬件上容易实
26、现（如在电路中能够与电子器件中电压的高低、脉冲的有无对应起来）01101011100101110Chapter 1 计算机系统概论 2、存储程序的工作方式计算机原理与系统52二、汇编语言例：MUL B B(0101 0010 0010)MUL A EMUL A CSUB B AMOV D B其中A、B、C、D、E中分别存放a、b、c、d、4Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统53三、高级语言BASIC、FORTRAN、C语言等例：BASIC 中LET d=b*b-4*a*cChapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统541.4 1.4 计算机的应用计算机的应用1.科学计算2
27、.数据处理3.计算机控制4.计算机辅助设计/制造5.人工智能Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统551.5 1.5 计算机的性能指标计算机的性能指标 字长：参与一次运算的数的位数。8位、16位、32位、64位 数据通路宽度：数据线位数 特例：INTEL 8088 字长16位，数据线8位，称准16位机 主存容量：按字节编址用单元数表示：16M（16M8位）按字编址用单元数位数表示 64k 16位 外存容量：10.2G 20G 运算速度 主频（CPU时钟频率）每秒平均执行指令数（ips）（MIPS）浮点运算速度 兼容性、可靠性、可维护性、性价比Chapter 1 计算机系统概论计算机原理与系统56本章结束谢谢！
