计算机组织与结构第1章计算机系统概论.ppt

计算机组织与结构 教材内容的组织* 本教材在内容的组织上，主要按照我国教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会制定的“计算机科学与技术专业规范”中的知识领域“CS-AR计算机体系结构与组织”所要求的内容进行编写。同时，紧跟IEEE-CS/ACM颁布的CS2013，对计算机体系结构和组织（AR）知识模块的内容做了适当调整。 各章节涵盖的知识单元包括 各章节主要内容 各章节主要内容 第1章 计算机系统概论 本章结构 重点 计算机的定义与特性 计算机的性能指标 计算机的基本组成 计算机系统的分层组织结构 计算机的定义与特性* 计算机（computer）俗称电脑，是一种是能够按照程序自动、高速、准确地对数据进行算术运算和逻辑运算的现代化智能电子设备。 * 快速性：现代计算机采用高速电子器件，这是快速处取信息的物质基础；另外．基于存储程序原理，使电子器件的快速性得到充分发挥。 通用性：计算机处理的信息内涵丰富， 这些信息都能用数字化编码表示；具有基本运算和逻辑判断功能；可以配置各种程序，有系统程序、用户程序。程序越丰富，通用性越强。 * 准确性：其包括两方面含义，即计算精度高，“算法”科学。 计算精度取决于运算中数的位数，位数越多越精确。一个算法科学且优质的程序，再加上高位数的计算功能，才能确保计算结果的准确性。 逻辑性：计算机内部有一个能执行算术/逻辑运算的部件，通过执行能体现逻辑判断和逻辑运算的程序，使整个系统具有逻辑性。例如，计算机运行时，可以根据当前运算的结果或对外部设备现场测试的结果，进行判断，从而从多个分支的操作中自动地选择一个分支、继续运行下去，直至得到正确的结果。 存储程序原理* 为了告诉计算机做什么事，按什么步骤做，就需要编制程序，使计算机能够按规定的程序自动的工作。 冯·诺依曼(John von Neumann )等人提出了计算机设计的一些基本思想，概括起来有如下一些要点： (1)采用二进制形式表示数据相指令。 (2)将程序(包括数据、指令序列)事先存入主存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。这就是存储程序原理的基本含义。 (3)由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大基本部件组成计算机硬件系统，并规定了这五部分的基本功能。 这样一些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，并开创了程序设计的时代。到目前为止大多数计算机仍沿用这一结构，称为“冯·诺依曼结构” 。其要点就是存储程序原理。 1.1 计算机的发展历程 计算机技术的飞速发展离不开其所依赖的器件技术的发展。在计算机界，人们普遍把计算机的发展划分为5个年代，而这一划分所依据的正是计算机所使用的基本元器件。可以说，器件技术是计算机发展的重要物质基础和技术保障。 计算机的发展年代 第零代：机械时代 世界上第一台以齿轮驱动的计算机器是由德国人Wilhelm Schickard教授于1623年设计并建造的计算钟（Calculating Clock）。能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案。 1642年法国数学家、物理学家帕斯卡发明的机械加法器Pascaline。 英国数学家巴贝奇Charles Babbage于1822年设计的差分机Difference Engine。 1938年，德国工程师朱斯（Konrad Zuse）成功制造了第一台二进制计算机Z-1，此后他继续研制了Z系列计算机，其中Z-3型计算机是世界上第一台通用程序控制的机电计算机，它使用了2600个继电器，采用二进制进行运算，运算一次加法只用0.3秒。 1944年，美国麻省理工学院科学家艾肯研制成功了一台通用型机电计算机MARK-I。 更多内容可参见网站： 计算机的发展阶段表 第一代：真空管计算机 电子计算机区别于机械式计算机的最主要特点是使用了电子元器件作为其存储和控制部件，计算机能够依靠电子元器件自动完成计算。 电子计算机发展阶段也正是以其所采用的基本电子元器件及技术作为划分的基础。 1946年诞生的第一台电子计算机ENIAC 第一代电子计算机的主要特点： 采用真空管作为基本元器件，体积庞大，功耗大，可靠性低。 引入存储程序的思想，开始使用存储器存储程序，但最初使用的存储设备为汞延迟线或静电存储管，存储容量很小，后来采用了磁鼓、磁芯，虽有一定改进，但存储空间仍然有限。 输入输出设备简单，主要采用穿孔纸带或卡片，速度很慢。 程序设计语言为机器语言，几乎没有系统软件。 典型的第一代计算机有ENIAC、EDVAC、UNIVAC-I、IBM 701、IBM 702、IBM 704、IBM 705、IBM 650等。 第二代：晶体管计算机