第2章计算机硬件系统

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1、第第2 2章章主要解决的问题主要解决的问题冯氏机C冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机C MEMORY MEMORY？ BUSBUS？ PORT?PORT?C 摩尔定律？摩尔定律？ 未来的计算机？未来的计算机？C 巨型计算机？巨型计算机？C 微机的主件？工作原理？微机的主件？工作原理？目录第第2 2章章现代电子计算机的“史前”时代p40对现代计算机的发明做出杰出贡献的人物和事件对现代计算机的发明做出杰出贡献的人物和事件p41：16741674年德国数学家莱布尼茨，提出了年德国数学家莱布尼茨，提出了“二进制二进制”数的概念。数的概念。18471847年英国科学家乔治年英国科学家乔治布尔创立了逻辑代数

2、（布尔代布尔创立了逻辑代数（布尔代数）。用数）。用“0”0”和和“1”1”表示信号的有表示信号的有/ /无、电路的通无、电路的通/ /断。布断。布尔代数为计算机的设计和制造尔代数为计算机的设计和制造奠定了理论基础。奠定了理论基础。19361936年英国科学家图灵，提出了可计算计算机的概念，年英国科学家图灵，提出了可计算计算机的概念，后来人们将他描述的计算机称之为后来人们将他描述的计算机称之为“图灵机图灵机”。图灵机图灵机（即，现代通用计算机的数学模型）（即，现代通用计算机的数学模型）为计算机的硬件和软为计算机的硬件和软件作了理论上的准备，对计算机的一般结构、可实现型和件作了理论上的准备，对计算

3、机的一般结构、可实现型和局限性研究产生了深远的影响局限性研究产生了深远的影响p23p23倒第倒第1 1段段。冯氏机冯诺依曼多次说到“现代计算机的设计思想来源于图灵”第第2 2章章冯氏机的基本结构-p42工作原理：程序存储，顺序控制工作原理：程序存储，顺序控制基本思想：基本思想：1. 1.二进制二进制 2. 2.指令和数据都存储在机内指令和数据都存储在机内（原来只存数据）计算机组成：运算器、控制器、存储器及计算机组成：运算器、控制器、存储器及I/OI/O设备设备倒数第2段以以“图灵机图灵机”为理论基础，冯为理论基础，冯诺依曼诺依曼提出了现代电子计算提出了现代电子计算机的工作原理及体系结构（实用图

4、灵机）：机的工作原理及体系结构（实用图灵机）：冯提出的原理导致现代意义的电子计算机的诞生，其卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则。故许多人推举他为“现代电子计算机之父”，将具有上述原理和体系的机称为冯氏机(4代主要为冯机)。史前四代计算机第第2 2章章计算机的历史-p40(只讲逻辑元件，和第4代其余学生自学)史前计算机史前计算机p40-42构成计算机硬件的构成计算机硬件的 逻辑元件逻辑元件电子管电子管 1946195719461957晶体管晶体管 1958196419581964中小集成电路中小集成电路 1965197019651970超大集成电路超大集成

5、电路 19711971冯氏体系超级计算机按按第第2 2章章全球超级计算全球超级计算机机500500强评选始强评选始自自19931993年，每年，每半年评选半年评选1 1次。次。评选由美国能评选由美国能源部劳伦斯源部劳伦斯. .伯伯克利国家实验克利国家实验室、田纳西大室、田纳西大学和德国曼海学和德国曼海姆大学共同完姆大学共同完成。成。巨型/超级计算机列表（201106）p48名次名次 名称名称峰值速度峰值速度 Petaflop/s Petaflop/s 千万亿次/s1 K COMPUTER 8.16 1 K COMPUTER 8.16 日本日本 2 2 天河一号天河一号国防科技大学国防科技大学

6、2.572.57 中国中国 3 3 JAGUARJAGUAR 1.76 1.76 美国美国 由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。(天河一号，就用了逾7000个Intel处理器）2014年6月：第1名-天河2号-5.49亿亿次。计算速度计算速度=1T次次/s第第2 2章章微型计算机系统p49:=软件+硬件超级计算机系统组成第第2 2章章微型计算机硬件系统-p49重点讲授 主机：主机： CPU：CPU + CPU + 主主/ /内存储器内存储器微处理器微处理器( (控制控制+ +运算运算+ +寄存寄存) )p50p50 外设外设: : I

7、/OI/O+ + 辅辅/ /外存储器外存储器硬件系统工作原理下面根据该程序，介绍各器件和工作原理void main( ) int a, b, c; scanf(%d%d, &a,&b); c=a+b; printf(c=%dn,c); 主板主板: :最大一块电路板最大一块电路板, ,各部件的连接平台各部件的连接平台第第2 2章章冯机冯机2：程序存储。自动执行指令集合：程序存储。自动执行指令集合 （取（取分析分析执行指令，指令即执行指令，指令即2进制编码）进制编码）void main( ) int a=5, b=4, c; c=a+b; printf(c=%dn,c);CPUp5

8、0计算机工作原理5+4 p50倒数第3段：取指令-执行指令、cpu内部结构硬件系统总线结构内部总线内部总线运算器运算器: 算术算术(+-*/)和逻辑和逻辑(逻辑加逻辑加/乘乘/非非)控制器控制器: 读取指令读取指令/分析分析/发出控制指令发出控制指令寄存器寄存器: 直接参与运算直接参与运算/存放中间结果存放中间结果指令顺序指令内容指令内容执行操作执行操作操作码操作数操作数1取数取数-0100-01005-01015-01012取数取数-0100-01004-01004-01003加法加法-0010-00105 5，4 44存数存数-0101-01019-10019-10015打印打印-1000

9、-10009 96停机停机-1111-1111字长字长: 单位时间内能同时处理的比特数单位时间内能同时处理的比特数总线总线: 信息传递的高速公路信息传递的高速公路按下页，介绍总线结构第第2 2章章 计算机的总线结构p51-图2-15地址总线地址总线微机的组成微机的组成微处理器微处理器存储器存储器I/O数据总线数据总线取数取数控制总线控制总线P8-图1-2 微型机组成框图I+O设备设备+外存储器外存储器=外设外设(简称简称I/O设备设备)、运算、运算+控制控制+存储存储=主机、主机、接口接口外设与主机桥梁外设与主机桥梁CPU多核按位置：按位置： 内部总线、外部总线内部总线、外部总线按功能：按功能

10、： 数据数据(Data Bus)、地址地址(Address Bus)、控制控制(Control Bus)特性：特性：DB双向的，宽度决定了双向的，宽度决定了CPU和其他设备间交换数据的位数，和其他设备间交换数据的位数，即运算能力，通常与寄存器位数相同即运算能力，通常与寄存器位数相同AB是单向的，传送是单向的，传送CPU发出的地址信息，其宽度决定了发出的地址信息，其宽度决定了CPU的最大寻址能力，即主存容量。的最大寻址能力，即主存容量。p64-计算题：计算题：11,2,4,5,6题。题。思考题：思考题：ABAB的宽度为的宽度为4b4b，该机能寻址的范围是（，该机能寻址的范围是（? ?）字节。）字

11、节。第第2 2章章单晶硅棒经过抛光、切片之后，就成为了大晶元片。直径在单晶硅棒经过抛光、切片之后，就成为了大晶元片。直径在312英英寸。晶元越大，同一圆片上可生产的寸。晶元越大，同一圆片上可生产的die就越多，可降低成本。就越多，可降低成本。多核处理器p51-图2-16-在任务管理器上可见各核使用状态Core Yonah 65nm核心照片 AMD的双核：的双核：Intel的双核（的双核（“双芯双芯”如左上图如左上图）：）：双核心分类：双核心分类：原生双核原生双核（AMD）和封装双核和封装双核（Intel）将两个内核做在一个将两个内核做在一个Die（晶元）上，（晶元）上，通过直连架构连接起来，集