計(jì)算機(jī)組成原理資料

1、1. 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史類(lèi)型時(shí)期主要器件重 要 特 征第一代1946-1958電子管機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言，速度低，體積大，價(jià)格昂貴，可靠性差，用于科學(xué)計(jì)算第二代1958-1964晶體管算法語(yǔ)言，操作系統(tǒng)，體積縮小，可靠性提高，從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理第三代1964-1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達(dá)幾MIPS，機(jī)種多樣化，“小型計(jì)算機(jī)” 出現(xiàn)，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大第四代1971-中、大及超大規(guī)模集成電路速度提高至GIPS乃至TIPS水平，多機(jī)并行處理和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。 “微型計(jì)算機(jī)” 出現(xiàn)2 各時(shí)代代表機(jī)型時(shí)代機(jī)型產(chǎn)地一ENIAC 1946 十進(jìn)制EDS

2、AC 1949 二進(jìn)制和“存儲(chǔ)程序”103（M-3） 195759美.賓州大學(xué)英.劍橋大學(xué)中科院計(jì)算所二IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441B IBM中國(guó)三IBM360/370系列CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1NOVA,PDP-11DJS-130/200IBMCDC美中國(guó)四微型機(jī) APPLE, IBM-PCVAX系列長(zhǎng)城0520, .APPLE ， IBMDEC長(zhǎng)城計(jì)算機(jī)3世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)于1946年研制成功并

3、投入使用。456第四代計(jì)算機(jī)中微處理器的發(fā)展：Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位芯片Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問(wèn)世，微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開(kāi)始。1971年11月，Intel推出MCS-4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）74004 4004包含2300個(gè)晶體管，尺寸規(guī)格為3mm4mm，計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)年的ENIAC，最初售價(jià)為200美元。 880081972年4月，霍夫等人開(kāi)發(fā)出第一個(gè)8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器

4、，因此仍屬第一代微處理器。 98080 第二代微處理器 1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。 主頻2MHz的8080芯片運(yùn)算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲(chǔ)器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個(gè)晶體管，處理速度為0.64MIPS。 10Intel 8086 第三代微處理器1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微處理器，標(biāo)志著第三代微處理器問(wèn)世。它采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和29000個(gè)3微米技術(shù)的晶體管，售價(jià)360美元。 11第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)：Altair 8800 1975年4月

5、，MITS發(fā)布第一個(gè)通用型Altair 8800，售價(jià)375美元，帶有1KB存儲(chǔ)器。這是世界上第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。 Altair定位在青年電腦迷市場(chǎng) Paul Allen和Bill Gates在三周內(nèi)為Altair開(kāi)發(fā)出BASIC語(yǔ)言，MITS成為兩個(gè)未來(lái)富翁的第一個(gè)客戶(hù) 121981-PC元年早在1980年7月，一個(gè)負(fù)責(zé)“跳棋計(jì)劃”的13人小組秘密來(lái)到佛羅里達(dá)州波克羅頓鎮(zhèn)的IBM研究發(fā)展中心，開(kāi)始開(kāi)發(fā)后來(lái)被稱(chēng)為IBM PC的產(chǎn)品。一年后的8月12日，IBM公司在紐約宣布第一臺(tái)IBM PC誕生，這個(gè)開(kāi)創(chuàng)計(jì)算機(jī)歷史新篇章的時(shí)刻。第一臺(tái)IBM PC采用了主頻為4.77MHz的Intel 8088操作

6、系統(tǒng)是Microsoft提供的MS-DOSIBM將其命名為“個(gè)人電腦（Personal Computer）13計(jì)算機(jī)的發(fā)展日新月異 從計(jì)算機(jī)的規(guī)模，運(yùn)算速度上看，巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、單片機(jī)從CPU的發(fā)展來(lái)看 40048008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P41415我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展1953年開(kāi)始研究，1958年研究出第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，103型通用計(jì)算機(jī)50年來(lái)相繼研究出了第二代，第三代計(jì)算機(jī)。80年代研究出了每秒億次的巨型機(jī)，銀河I,II,其他如曙光天演(清華BBS,學(xué)校高性能計(jì)算中心)。19

7、85年6月，中國(guó)第一臺(tái)自行研制的微機(jī)長(zhǎng)城0520研制成功，其廣告詞是：“一臺(tái)我們自己制造的能夠處理中文的電腦”。 在高性能計(jì)算，并行計(jì)算上已緊跟國(guó)際先進(jìn)水平，但計(jì)算機(jī)的核心部件CPU技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。中科院研究開(kāi)發(fā)的龍芯GODSON16計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)總趨勢(shì)：速度越來(lái)越快，體積越來(lái)越小， 成本越來(lái)越低，功耗越來(lái)越低1、微型計(jì)算機(jī)已邁入64位的新時(shí)代2、精減指令計(jì)算機(jī)（RISC）正在逐步取代復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)（CISC）3、多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)正在推廣使用4、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（MPP）的處理速度已達(dá)到TFLOPS（每秒1012條浮點(diǎn)指令,萬(wàn)億）級(jí)5、超立方體計(jì)算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等高性能計(jì)

8、算機(jī)正在加緊研究、試制之中。 隨著電子器件速度極限的逼近人們又開(kāi)始了全新時(shí)代計(jì)算機(jī)的研究 17二十一世紀(jì)的計(jì)算機(jī) 光計(jì)算機(jī)： 光能夠像電一樣傳送信息，其抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快，并且光學(xué)器件的能耗非常低。尤為重要的是，光的獨(dú)立性使得大規(guī)模的并行計(jì)算成為可能。 生物計(jì)算機(jī)： 生物系統(tǒng)的信息處理過(guò)程是基于分子的計(jì)算與通訊過(guò)程，生物計(jì)算不是按照傳統(tǒng)的確定算法來(lái)解決問(wèn)題，而是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化的方式來(lái)求解問(wèn)題。生物計(jì)算的主要形式是學(xué)習(xí)和記憶 。生物系統(tǒng)在解決復(fù)雜圖形和多重模式判定方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 量子計(jì)算機(jī)： 量子計(jì)算的概念遠(yuǎn)比光子計(jì)算和生物計(jì)算出現(xiàn)得晚，但卻具有更大的革命潛力 。 信息存儲(chǔ)器 目前，在室

9、溫下能夠制造出單電子內(nèi)存，在大約7平方納米大小的位元上，每一平方納米就能存儲(chǔ)250GB的信息。 18計(jì)算機(jī)電子模擬計(jì)算機(jī)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)巨型機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)單片機(jī)2、計(jì)算機(jī)的分類(lèi) 19對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的理解 硬件：對(duì)數(shù)字操作的機(jī)器系統(tǒng) 數(shù)字硬件： 對(duì)數(shù)字進(jìn)行處理、傳輸、和存儲(chǔ)的硬件 轉(zhuǎn)換硬件： 將各種形式的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，或者將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為各種形式的硬件（圖像、聲音、文字輸入輸出設(shè)備，目前重要的設(shè)備是顯示器）20計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成運(yùn)算器（完成算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算）主存儲(chǔ)器（存放程序以及數(shù)據(jù)）控制器（控制指令的執(zhí)行序列，根據(jù)指令的功能給出實(shí)現(xiàn)指令功能所需要的控制信號(hào)

10、）輸入設(shè)備，能將人能夠識(shí)別的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能夠識(shí)別的形式輸出設(shè)備21計(jì)算機(jī)硬件組成框圖主機(jī)外圍設(shè)備CPU運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器接口輸入設(shè)備接口輸出設(shè)備系統(tǒng)總線(xiàn)22計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)硬件是載體， 軟件是靈魂。系統(tǒng)軟件 、 應(yīng)用軟件一切程序的集合固件：具有軟件功能，具有硬件形態(tài)的部件23硬件是相似的，軟件則各有各的不同各種硬件在數(shù)字域都有相同或相似的內(nèi)臟（只有三個(gè)部分：處理、傳輸、存儲(chǔ)）今后的各種信息工具和設(shè)備外部雖然千變?nèi)f化，內(nèi)部都是一樣的（統(tǒng)一性）軟件是思想和內(nèi)容的數(shù)字化，各個(gè)領(lǐng)域都有自己的軟件，所以是各不相同的真正的價(jià)值體現(xiàn)在軟件硬件與軟件可以互相轉(zhuǎn)化，軟件固化成為固件24計(jì)算機(jī)

11、軟件系統(tǒng)分類(lèi)軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理程序情報(bào)檢索程序科學(xué)計(jì)算程序自動(dòng)控制程序工業(yè)設(shè)計(jì)程序語(yǔ)言處理程序標(biāo)準(zhǔn)子程序SIN服務(wù)性程序系統(tǒng)操作系統(tǒng)255、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5.應(yīng)用程序級(jí)4. 語(yǔ)言處理程序及其他系統(tǒng)軟件級(jí)3.操作系統(tǒng)級(jí)2.機(jī)器指令系統(tǒng)級(jí)1.微程序級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)26計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)外設(shè)主機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件固件存儲(chǔ)器CPU控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器綜合起來(lái)27外存儲(chǔ)器(軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)、磁帶等)輸入設(shè)備(鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、光筆、圖形掃描儀等)輸出設(shè)備(顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等)其他(網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、聲卡、顯卡、視頻卡等)控制器運(yùn)算器寄存器只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(

12、RAM)高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)中央處理器（CPU）內(nèi)存儲(chǔ)器主機(jī)外部設(shè)備硬件系統(tǒng)操作系統(tǒng)(DOS、UNIX、Windows、OS/2等)語(yǔ)言處理程序(編譯系統(tǒng)和解釋系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(FoxPro、Oracle、Access等)網(wǎng)絡(luò)軟件其他(編輯程序：EDIT、診斷程序、連接裝配程序：LINK等)Office套件(字處理、表處理、繪圖、網(wǎng)頁(yè)制作等)工具軟件(解壓縮程序、殺病毒程序等)用戶(hù)程序系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)工作過(guò)程（外）存儲(chǔ)器（內(nèi)）存儲(chǔ)器中央處理器（CPU）控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備數(shù)據(jù)流地 址控制流運(yùn)算器 工作過(guò)程:輸入,存儲(chǔ),處理,輸出四個(gè)步驟計(jì)算機(jī)工作原理指令

13、是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。PC+1輸入計(jì)算機(jī)的信息：數(shù)據(jù)和程序計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)處理各種信息0110000010000001（060201-八進(jìn)制）0110（06）：是操作碼，表示加法操作0201：源操作數(shù)在02寄存器，目的操作數(shù)在01寄存器計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)程序運(yùn)行過(guò)程指令：計(jì)算機(jī)能直接識(shí)別并執(zhí)行某種基本操作的命令，由一串二進(jìn)制數(shù)碼組成。機(jī)器指令格式操作碼操作數(shù)機(jī)器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對(duì)象（具體數(shù)、存放位置）程序：是由一系列指令組成，它是為解決某一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一系列排列有序的指令的集合。1.5.3 微機(jī)的主要性能指標(biāo)與硬件配置微機(jī)的主要性能指標(biāo)有字長(zhǎng)

14、、速度、內(nèi)存容量等。字長(zhǎng)CPU能直接處理參與運(yùn)算寄存器所含有的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)，它代表了機(jī)器的精度。 (2)速度主頻：主時(shí)鐘頻率，是時(shí)鐘周期的倒數(shù)，等于CPU在1秒鐘內(nèi)能夠完成的工作周期數(shù)。它在很大程度上決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度用兆赫茲（MHz）為單位。主頻越高表示CPU的運(yùn)算速度越快。例如Pentium（奔騰）機(jī)系列目前市場(chǎng)上的主頻大多在2.0GHz4.0GHz之間。運(yùn)算速度衡量計(jì)算機(jī)性能的一項(xiàng)主要指標(biāo)，它取決于指令的執(zhí)行時(shí)間。常用單位時(shí)間執(zhí)行多少條指令來(lái)表示。直接描述運(yùn)行次數(shù)的指標(biāo)為MIPS （Million Instructions Per Second），即每秒百萬(wàn)條指令。某一Intel Pentium的速度可達(dá)400MIPS，即表示每秒執(zhí)行4億條指令以上。目前