计算机组成原理(2)——清华大学

第一单元第二讲计算机发展简史 运算器功能及数据表示

内容提要 计算机发展简史 运算器基本功能 数据表示– 数值 整数 定点小数 浮点数

– 字符 – 逻辑值

Computer Generations Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s)

Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959) Gen-2: Transistors (1960-1968)– John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley

Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977)– Jack Kilby (1958)

Gen-4: VLSI (1978-present) Gen-5: Optical? Quantum? 生物？

古代及近代计算技术公元前500年，中国出现算盘 1642年，Blaise Pascal发明 自动进位的加法机器，齿轮 驱动拨盘，在窗口显示结果 1822年，Charles Babbage, 16世纪，Alkhowarizmi 差分机(Differential Engie)提出算法概念，并出版

以算法(Algorithm) 1833年，分析机(Analytical 为题的书籍 Engine),通用机器

Turing机1937年，Alan Turing提出一种 “通用”计算机的概念，它可以 执行任何一个描述好的程序(算 法),实现需要的功能，形成了 “可计算性”概念的基础。存储程序的思想，使计算机从专 用走向通用。正是这一创新，开 创了计算机的新时代。

Turing机特点 通用计算机：并不是保存所有问题的结 果。 存储程序计算机：问题的求解由程序或 过程给出，程序和过程可以通过语言描 述。 有限速度：计算机执行程序的时间是有 限的。 是现代计算机的鼻祖。

现代计算机的里程碑年代 1834 1936 1943 1944 1946 1949 1951 1952 1960 1961 1962 1963 1964 1964 1965 1970 1974 1974 1978 1981 1985 1987 1990 机器名称 Analytical Engine Z1 COLOSSUS Mark I ENIAC I EDSAC Whirlwind I IAS PDP-1 1401 7094 B5000 360 6600 PDP-8 PDP-11 8080 CRAY-1 VAX IBM PC MIPS SPARC RS6000 制造者 Babbage Zuse 英国政府 Aiken Eckert/Mauchley Wilkes M.I.T. Von Neumann DEC IBM IBM Burroughs IBM CDC DEC DEC Intel Cray DEC IBM MIPS Sun IBM 说明 建造数字计算机的第一次尝试 第一台使用继电器的计算机器 第一台电子计算机 第一台美国通用计算机 现代计算机历史从它开始 第一台存储程序的计算机 第一台实时计算机 大多数现代计算机还用的设计 第一台小型机(销售 50 台) 非常流行的小型商用机 60 年代早期的主流科学计算用机 面向高级语言设计的第一台计算机 系列机的第一个产品 第一台用于科学计算的超级计算机 第一台占领市场的小型机(销售 50,000 台) 70 年代的主导小型机 第一台在一个芯片上的 8 位计算机 第一台向量超级计算机 第一台 32 位超级小型计算机 开创现代个人计算机新纪元 第一台商用 RISC 机 第一台基于 SPARC 的 RISC 工作站 第一台超标量体系结构计算机

第一台通用电子计算机ENIACElectronic Numerical and Integrate Calculator

Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日 第一台通用电子计算机，设计用 于计算火炮的弹道 重30吨，占地15000平方英尺， 18000个电子管，耗电 140KW

运算速度：5000次加法/秒使用十进制数 20个寄存器，每个存放10位的十进制数 通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程

Von Neumann机IAS

现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件

将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。采用二进制数据：简化了存储器 只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住 小数点的位置。

第一台小型计算机：PDP-1 1957年由DEC公司生产 第二代计算机(晶体管) 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒 售价120000美元。售出50台。

开创了计算机产业！

第一个系列计算机：IBM 360 第三代计算机 计算机应用：科学计算和 商务处理 如何在不同的硬件平台上 运行相同的软件？ 系列计算机：IBM 360 计算机系统结构：程序员 眼中的计算机。具有相同 系统结构的计算机可以运 行相同的程序。 微程序控制器

应用的普及：IBM PC机

RISC计算机

精简指令系统计算机 指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成 提高计算机的运行速度

下一代计算机

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运算器基本功能 完成算术、逻辑运算– +、—、 、 、 、 、 。

取得操作数– 寄存器组、立即数

输出、存放运算结果– 寄存器组、数据总线

暂存运算的中间结果– Q寄存器、移位寄存器

运算器基本功能 获得运算结果的状态– C、Z、V、S

理解、响应控制信号