组成原理第1章

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1、计算机系统结构ComputerArchitecture天津师范大学计信学院胡燕翔yanxianghu@126.com教学计划•教材：《计算机系统结构》（第二版）郑纬民汤志忠等清华大学出版社•参考书：天津师范大学计信学院《计算机系统结构复习与考试指导》郑纬民等高等教育出版社《计算机系统结构－量化研究方法》（第三版）[美]JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson著郑纬民汤志忠等译电子工业出版社第一章基本概念本章介绍计算机系统结构的一些基本知识，包括定性知识和定量知识两大组内容。为了便于学习，本章各节重新编号，与教材编号不同。天津师范大学计信学院定性知识：本课程经常使用的一

2、些名词概念，以及对计算机的定性认识、分析方法。定量知识：对计算机性能进行定量评价的几个重要公式。•计算机发展的五个阶段•1、1945－1954：电子管、继电器，定点运算、机器/汇编语言•2、1955－1964：分立式晶体管、铁磁心存储器、单层PCB，变址寄存器，浮点运算，高级语言＋批处理监控；天津师范大学计信学院•3、1965－1974：SSI、MSI，多层PCB，微程序控制，Cache，多道程序并行，分时OS，IBM360/370；•4、1975－1990：LSI、VLSI，半导体存储器，并行处理，分布处理；•5、1991～：VLSI，ULSI，大规模并行处理•推动计算机性能提高的两个关

3、键因素:•组成器件：电子管－晶体管－集成电路•系统结构的改进天津师范大学计信学院晶体管的发明天津师范大学计信学院第一只晶体管晶体管之父：巴丁（J.Bardeen),肖克莱（W.Schokley）和布拉顿（W.H.Brattain）（从左到右）第一台计算机天津师范大学计信学院第一台电子计算机：ENIAC天津师范大学计信学院美国宾夕发尼亚大学J.PresperEckert&JohnMauchly，1946年公开。ENIAC的总成本为48万6千8百美元。它是一个有18000多只电子管，7200只晶体二极管，10000多只电容，7000多只电阻，5万多个焊点，消耗功率174kW，重约30吨，占地2

4、00m2的庞然大物。天津师范大学计信学院4004微处理器天津师范大学计信学院透视计算机的心脏——CPU4004,Intel最早的CPU，集成有2，250个晶体管，最大主频为0.1MHz。天津师范大学计信学院Intel的Itanium™Processor，集成有35，000，000个晶体管，最大主频可以达到2.0GHz。Intel的第一块CPU—4004Intel的CPU——Itanium™Processor微处理器类型：单片机天津师范大学计信学院嵌入式处理器台式机与笔记本电脑AMD皓龙12核天津师范大学计信学院工作站安腾双核天津师范大学计信学院服务器至强Xeon75008核天津师范大学计信

5、学院超级计算机世界500强2010年No.1天津师范大学计信学院1.1计算机系统结构1.1.1计算机系统结构定义计算机＝软件＋硬件（+网络）两种定义：定义1：Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出天津师范大学计信学院：程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性程序员：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统看到的：编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的机器抽象•概念结构主存主存控制器CPU天津师范大学计信学院IO控制器IO控制器打印机磁盘机终端磁带机•8功能特性：指令系统及其执行模式•数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；•寻址方式：最小寻

6、址单位、寻址方式的种类和地址运天津师范大学计信学院算等；•寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；•指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制；中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等；处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等；输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等；天津师范大学计信学院信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持。•透明性概念•本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在•例如：浮点数表示、乘法指令•对高级语言程序员、

7、应用程序员透明•对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明天津师范大学计信学院•例如：数据总线宽度、微程序•对汇编语言程序员、机器语言程序员透明•对硬件设计者、计算机维修人员不透明•透明度越高，编程越简单，执行效率降低•透明度越低，编程越复杂，执行效率提高•定义2：•计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定•计算机系统由软件、硬件和固器组成，它们在功能上是同等的。天津师范大学计信学院•同一种功能可以用硬件实现