华中科技大学计算机组成原理课件优质PPT.ppt

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存储器容量:

存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。

其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。

存储器容量越大，记忆的二进制数越多。

8,计算机的性能指标（3）,存储器带宽:

存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

主频/时钟周期:

CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。

度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。

例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。

9,计算机的性能指标（4）,CPU执行时间:

表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：

CPU执行时间CPU时钟周期数CPU时钟周期长CPI:

表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。

用下式计算：

CPI执行某段程序所需的CPU时钟周期数该程序包含的指令条数,10,计算机的性能指标（5）,MIPS:

表示每秒百万条指令数，用下式计算：

MIPS指令条数程序执行时间106时钟频率CPI106MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。

程序执行时间Te为：

Te指令条数MIPS106,11,计算机的性能指标（6）,FLOPS:

floating-pointoperationspersecond即“每秒浮点运算次数”，“每秒峰值速度”FLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。

一個MFLOPS（megaFLOPS）等於每秒100萬（=106）次的浮點運算，一個GFLOPS（gigaFLOPS）等於每秒10億（=109）次的浮點運算，一個TFLOPS（teraFLOPS）等於每秒1万亿（=1012）次的浮點運算，一個PFLOPS（petaFLOPS）等於每秒1千万亿（=1015）次的浮點運算，一個EFLOPS（exascaleFLOPS）等於每秒100亿亿（=1018）次的浮點運算。

12,本章主要内容,计算机分类、应用计算机发展简史计算机硬件系统计算机软件系统计算机系统层次结构,13,计算机发展简史,17世纪之前，中国人的智慧之光16世纪-17世纪初期，西方人的灵感17世纪中期-19世纪中期先驱的探索机械式计算机19世纪后期机械到电的飞跃机电式计算机20世纪电子文明的曙光电子计算机,17世纪以前,中国人的智慧之光,15,最古老的计算工具-算筹（算子）,算筹：

春秋时期出现。

纵式和横式表示自然数，可进行加减乘除、开方及其它的代数计算。

一纵十横，百立千僵，“运筹帷幄”负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。

这种运算工具和运算方法，在当时世界上是独一无二的。

祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到小数点后7位,16,最古老的计算器-算盘,算盘被誉作中国“第五大发明”，陕西歧山西周宫室遗址中出土了90粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色70粒，将算盘的发明时间提前到二千多年前的西周时期。

“价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养”,16世纪-17世纪初期,西方人的灵感,18,1621年-冈特计算尺,在发明计算机之前，计算尺是科学研究、工程设计和生产实践中使用最广泛、应用最便捷、最有价值的计算工具。

在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺为人类进步、世界文明作出了无法估量的伟大贡献。

19,达芬奇机械式计算机,1500年达芬奇手稿关于机械式计算工具的描述后人根据达芬奇手稿仿制的机械式计算机,17世纪中期-19世纪中期,先驱的探索,机械式计算机,21,1642年-PASCAL（1623）加法机,法国数学家、物理学家和思想家人类史上第一台机械式计算机，其原理对后续计算机产生了持久的影响。

采用齿轮传动设备完成运算。

pascal从加法机的成功中得出结论：

人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以用机械模拟人的思维。

1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级语言向其表示敬意,22,Pascal机械加法机1642,史上第一台机械计算机十进制运算齿轮旋转完成加法齿轮传动完成进位,23,1673年-G.Leibnitz乘法机器,1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，步进轮可利用多次加法完成乘法可以运行完整四则运算。

莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。

24,编程序？

1805-Jacquard自动提花机,25,程序控制思想的萌芽,如何将人的思想传送给机器，让机器按人的意志自动执行。

1725年，法国纺织机械师B.Bouchon发明利用穿孔纸带控制印花的方法1805J.Jacquard发明采用穿孔卡片的自动提花机编程序编织花布,26,1805Jacquard,27,28,1821年-Babbage差分机,1821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专门用于航海和天文计算。

可处理3个5位数，计算精度达到6位小数。

“差分”是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。

20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。

29,DifferenceEngine,三个具有现代意义的装置保存数据的寄存器（齿轮式装置）；

从寄存器取出数据进行运算的装置，机器的乘法以累次加法来实现；

控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置；

最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。

30,ThefirstprogrammerAdaAugusta,ada描述了差分机如何进行编程，最早给出计算机程序设计的许多想法。

讨论预言了通用计算机的作用，控制卡、数据卡、操作卡提出了存储位置或地址的想法“循环”（looping）的概念三角函数和级数相乘程序、贝努利函数程序,31,AnalyticalEngine,32,AnalyticalEngine,33,AnalyticalEngine,34,1940MechanicalanalogmachinesdesignedbyLordKelvin,机电式计算机,19世纪后期机械到电的飞跃,36,赫尔曼霍勒斯制表机,赫尔曼霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形1888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。

37,Punchedtape/card,Punchedcardsacceleratedthedevelopmentoftwentiethcenturycommerceandindustry.,38,Punchedcard,Thecapacitywas2000cards,orinmodernparlance20KBytes.Itweighed6.6Kg.,39,PunchedcardProcess,40,1890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。

1900年美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了1年零7个月时间。

霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入CTR（计算制表记录）公司1924年IBM成立,赫尔曼霍勒斯制表机,41,1904年弗莱明发明真空电子二极管,1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。

电子管的诞生，是人类电子文明的起点。

42,1906年弗雷斯特发明真空电子三极管,1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管。

在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增。

这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。

43,现代真空电子管,44,1938年朱斯的Z系列计算机,1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1计算机第一台采用二进制和真空电子管的计算机。

朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、Z-3和Z-4。

Z-3使用了2600个继电器，在1944年美军对柏林进行的空袭中被炸毁。

45,1943年英国“巨人”计算机Colossus,1943年英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军Enigma密码。

第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。

二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平均每小时破译11份德军情报,46,艾肯的MARKI,1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持下，研制成功机电式计算机MARK-I。

世界上最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。

MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米，高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800公里电线，每分钟进行200次运算。

电子计算机的诞生,48,世界上第一台电子数字计算机,ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer），美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功。

18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，占地150平方米，运算速度5000次/秒左右。

尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。

宣告人类进入电子计算机时代。

担任开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。

49,ENIAC,50,ENIAC,51,VacuumtubeinENIAC,52,InputPannel（42）,53,Cable,54,Programing,55,Debug（线路检查）,56,ENIAC&

VonNeumann,57,ENIAC的问题,十进制计算机每一位数由一圈共10个真空管表示通过开关和插拔电缆进行手动编程输入程序和数据可能需要半天时间能否将程序和数据存在存储器中？

存储程序？

EVDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）,58,现代电子计算机之父,19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：

采用二进制和“存储程序”。

这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。

59,现代计算机理论基础,布尔代数计算机三原则图林机维纳现代计算机五大原则计算机开关电路冯诺依曼计算机原理,60,布尔代数,1847和1854年，英国数学家布尔发表了两部重要著作逻辑的数学分析和思维规律的研究，创立了逻辑代数。

逻辑代数系统采用二进制，是现代电子计算机的数学和逻辑基础。

61,阿塔纳索夫计算机三原则,阿塔纳索夫三原则；

采用二进制进行运算；

采用电子技术来实现控制和运算；

采用把计算功能和存储功能相分离的结构。

1939年，阿塔纳索夫还设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工。

其设计方案启发了ENIAC开发小组的莫克利，并直接影响到ENIAC的诞生。

1972年美国法院判决ENIAC的专利权无效，阿塔纳索夫拥有作为第一个电子计算机方案提出者的优先权。

62,图林机,1936年，24岁的英国数学家图林发表著名论文论可计算数及其在密码问题的应用，提出了“理想计算机”，后人称之为“图林机”。

图林通过数学证明得出理论上存在“通用图林机”，这为可计算性的概念提供了严格的数学定义，图林机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。

现代通用数字计算机的数学模型。

图林发表于1940年的另一篇著名论文计算机能思考吗？

，对计算机的人工智能进行了探索，并设计了著名的“图林测验”。

1954年图林英年早逝，年仅42岁。

63,TuringMachine,1936,Anabstractmodelofacomputingmachine-afinitestatemachine-aread/writehead-aninfinitescannabletapeofsymbols（e.g.,0sand1s）AnyconceivablealgorithmcanbereducedtoaTuringmachineAuniversalmachine:

canemulateanyconceivablecomputingmechanism,64,1940年维纳现代计算机五原则,1940年美国科学家维纳阐述了对现代计算机的五点设计原则数字式而不是模拟式；

以电子元件构成并尽量减少机械装置；

采用二进制而不是十进制；

内部存放计算表；

内部存储数据。

维纳在1948年完成了著作控制论，这不仅使维纳成为控制论的创始人，而且对计算机后来的发展和人工智能的研究产生了深刻的影响。

65,计算机开关电路,1938年，信息论的创始人、美国科学家香农发表论文继电器和开关电路的符号分析首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。

66,采样定理（samplingtheorem）,又称香农采样定理或者奈奎斯特采样定理或者奈奎斯特-香农定理。

采样定理指出:

如果信号是带限的，并且采样频率高于信号带宽的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。

从采样定理中，我们可以得出以下结论：

如果已知信号的最高频率fH，采样定理给出了保证完全重建信号的最低采样频率。

这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特频率，通常表示为fN；

相反，如果已知采样频率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信号频率。

67,比如声音信号（音频信号20Hz20kHz），由人类发出的声音信号中，频率超过5kHz的成分通常非常小，因此以10kHz的频率来采样这样的音频信号就足够了。

在第二种情况下，我们得假设信号中频率高于采样频率一半的频率成分可忽略不计。

这通常是用一个低通滤波器来实现的。

比如图像信号（模拟视频信号DC4.5MHz），问题：

一般视频AD和DA中的采用频率是多少？

为什么要几十MHz，甚至上百MHz？

采样定理（samplingtheorem）,68,香农定理（ShannonsTheorem）,奈奎斯特定理：

Cmax=2Blog2L这里Cmax指的是信道的最大容量，B是信道的带宽，L还是信号电平的个数。

奈奎斯特定理适用的情况是无噪声信道，用来计算理论值。

没有噪声的信道在现实中是不存在的。

香农定理：

Cmax=Blog2（1+（S/N）,其中C是链路速度；

B是链路带宽；

S是平均信号功率,N是平均噪声功率，S/N指的是信道的信噪比信噪比，常用分贝（dB）表示，分贝数=10log10（S/N）。

69,计算机的五代变化,第一代为19461957年，电子管计算机：

数据处理；

第二代为19581964年，晶体管计算机：

工业控制第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：

小型计算机第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：

微型计算机；

第五代为1991年-至今，巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现。

70,1946-1957第一代电子管计算机时代,UNIVAC埃克特和莫克利第一个进行批量生产的计算机。

1951年，电脑开始走出实验室服务于社会与公众。

1952年，UNIVAC因准确地预测美国总统大选结果而名声大噪。

EDVAC冯诺依曼1950问世的第一台并行计算机EDVAC，首次实现了冯诺依曼的两个重要设想：

存储程序和采用二进制。

IBM7011952年IBM公司推出的IBM701在商战中击败UNIVAC，不仅使IBM实现了全面的转型，更奠定了IBM产业霸主地位,71,存储器的出现,1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。

72,比尔盖茨曾说过,如果在80年代那位“眼光远大的工程师”没有贻误战机的话，今天可能就没有什么微软公司了。

“我可能就在某个地方成了一位数学家，或一位律师，而我少年时代在个人计算机方面的迷恋只会成为我个人的某种遥远的回忆。

”,73,高级语言的出现,1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一个高级程序语言FORTRAN，它被广泛用于科学计算。

74,1958-1964晶体管造就第二代计算机,1947年，贝尔实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明点触型晶体管；

1950年又发明了面结型晶体管。

晶体管体积小、重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路结构大大改观，运算速度大幅提高。

肖克莱（左）、巴丁（中）、布拉顿（右）于1956年共同获得诺贝尔物理学奖。

75,1955年，在美国原子能委员会的支持下，IBM和生产UNIVAC的兰德公司分别开始实施Stretch计划和LARC计划，希望设计更快速的计算机。

美国贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。

相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。

IBM公司于1958年制成的1401及后续的1410/1440系列计算机，是第二代计算机中的代表。

76,计算机商务处理的开始第二代计算机除了大量用于科学计算，还逐渐被工商企业用来进行商务处理，高级语言FORTRAN和COBOL因此也得到了广泛应用。

77,1965-1971第三代计算机,1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。

集成电路的出现使得计算机脱胎换骨,78,世纪豪赌IBMS/360,S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有360度”全方位的特点，因此得名。

IBM投入了50亿美元的研发费用，远远过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元。

79,1972-1990年第四代计算机,从1970年至今的计算机基本上都属于第四代计算机，它们都采用大规模和超大规模集成电路。

80,霍夫和Intel4004,1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统其包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器。

81,Intel4004,包含2300个晶体管，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。

82,Intel8008,1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。

8008采用的是P沟道MOS微处理器，属第一代微处理器。

83,8080第二代微处理器,1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。

主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。

84,Intel8086第三代微处理器,1978年6月，Intel推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。

它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。

85,Z80微处理器,Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。

当时，zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。

86,第一台微型计算机：

Altair8800,1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair8800，售价375美元，带有1KB存储器。

这是世界上第一台微型计算机。

Altair定位在青年电脑迷市场PaulAllen和BillGates在三周内为Altair开发出BASIC语言，MITS成为两个未来富翁的第一个客户,87,Apple,1976年3月，SteveWozniak和SteveJobs开发出微型计算机AppleI，愚人节这天，两个Steve成立了Apple计算机公司。

AppleII是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为1300美元。

AppleII及其系列改进机型风靡一时，使Apple成为微型机时代最成功的计算机公司。

88,1981-PC元年,1980年7月，“跳棋计划”的13人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的IBM研究发展中心，次年8月12日，IBM公司宣布IBMPC诞生。

IBM将其命名为PersonalComputerCPU为主频4.77MHz的Intel8088OS：

MicrosoftMS-DOS,89,1991-至今第五代计算机,巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现,90,计算机的发展日新月异,从CPU的发展来看40048008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4从计算机的规模，运算速度上看，巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机,91,92,计算机的发展日新月异,93,HistoryofIntelCPU,19788086/80885-10MHz1982802866-12MHz1985Intel38616-33MHz1989Intel486DX25-50MHz1993Pentium60-233MHz1997PentiumII233-450MHz1999PentiumIII450M-1GHz2000Pentium41.4-3.2GHz,94,第一代计算机,1946开始的电子管计算机时代运算速度一般为每秒几千次到几万次，体积庞大，功耗大，价格昂贵，成本很高，可靠性较低。

存储器：

水银延迟线辅助存储器：

磁鼓、纸带、卡片使用机器语言/汇编语言，应用领域集中在科学计算第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础,95,第二代计算机,1958开始的晶体管计算机时代运算速度提高到每秒几万次到几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低，功耗降低。

主存储器：

磁芯辅助存储器：

磁盘、磁带在软件上出现了算法语言和操作系统应用领域从科学计算扩展到了数据处理。

FORTRAN、ALGOL-60、COBOL,96,第三代计算机,1965开始的集成电路计算机时代运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，功耗显著降低。

半导体在此期间，形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，“小型计算机