计算机组成原理（计算机组织与结构） -ch1 计算机系统概述

计算机原理

ComputerPrinciple

基本结构BasicArchitecture

工作原理Principle

设计方法LayoutMethods

■

♦1、计算机系统组成

♦2、计算机的工作过程

♦3、计算机的分类

♦4、计算机的应用与发展

«重要性

・计算机专业的专业课程；

•后续课程的知识基础课程;

•继续深造的必考课程；

学习的意义

口主题：

每位学生都应该了解计算机的内部机理。

□启迪：

A如何使程序运行更快，应用程序需要那种类型硬件

»技术、结构如何设计、工作

第一章绪论

1、计算机及其发展史

•计算史

1.手工计算

・计数工具：绳结

•计算工具：算筹

•«

•计算尺

2011年8月217

2011年8月219

1、计算机及其发展史

•计算史

2.机械计算

•Pascal的AddingMachine（加法器）

•DifferenceEngine（差动器）

•Differentialanalyzer（差分仪）

2011年8月2110

第一章绪论

addingmachine（力口法器）1642

第一章绪论

m二mr-tr

.

，，，，

，，，

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，，：

，f■.r,KaKW2t_

二二

二二

二三-|m

二

三二

三三

二二n

3C??B"J»-F-

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■ra>«Et.v2^

二

=1-X氨

第一章绪论

Differentialanalyzer（差分仪）1925

1、计算机及其发展史

・计算史

3.电子计算

•二进制与布尔代数

•“图灵机”

•V.Atanasoff的ABC

•德国的G-Z1

•1946年ENIAC（埃尼阿克）

•英国的EDSAC

1、计算机及其发展史

图灵的贡献非常重要，计算机

领域世界最重要的奖项就被用

命名为“图灵奖”。

・英国数学家艾兰•图灵40年代提出一种自动计算机器模

型，“图灵机”。并提出图灵原理：一切可能的机械

式计算过程都能由图灵机实现。还指出，存在“通用

”图灵机，它可实现所有图灵机的功能。

•不必造加法机、乘法机、最大公约数机，只要造出

“通用图灵机”功能等价的机器，就能解决所有计算

问题。

2011年8月21

第一章绪论

WorldWarandComputer

♦USAABC

2011年8月2117

第一章绪论

1stComputer

♦USAENIAC194630吨5000次计算/秒

9

第一章绪论

JohnvonNeumann

♦USAENIAC

5000次加法/秒

体重28吨

占地170m2

18800只电子管

1500个继电器

功率150KW

2011年8月2120

第一章绪论

EDSAC(CambridgeUniversity)

第一台带有

存储结构思

想的电子计

算机

2011年8月2122

1、计算机及其发展史

「计算史

4.计算机时代

•划分标准—电子器件

2011年8月2123

1、计算机及其发展史

计算机发展的几个阶段

第一代第二代

（1946T956）（1957-1964）

电子管晶体管

5千~4万（次/秒）几十万~百万（次/秒）

1964年911机1966年112机

第四代第三代

（1971~90年代）（1965-1970）

大、超大集成电路中小集成电路

几百万~几亿（次/秒百万~几百万（次/；

2011年8月21

1、计算机及其发展史

•计算史

4.计算机时代

•划分标准—电子器件

电子二器件存储兀件指令系统机器语言

第1代电子管磁鼓等定点汇编

第2代晶体管磁芯浮点Fortran等

第3代半导体存储器微程序技术多道并行OS

第4代LSI、VLSI半导体存储器并行、分布处理高级OS

2011年8月21

1、计算机及其发展史

计算机第一定律-----摩尔定律

晶

单

体

位

500

管

(mlpn)时

数

间

百

万

执

1.0条

行/

每

秒

0.1的

指

0.01

令

数

每18个月芯片能力增长一倍。

2011年8月2126

1、计算机及其发展史

「计算史

4.计算机时代

・划分标准—规模

*巨型机

*大型机

*小型机

*工作站

*微型计算机

2011年8月2127

Hguicl-o

Thedoset-sized

systemunitfor

theIBMSX390

G4mainframe

computer

containsthe

processingunit,

memory,and

circuitryto

supportmultiple

terminals.

Herocomputers

Atypicalminicomputer

handlesprocesshgtaskslor

multipleusers

AstandarddesktopnicroconvuterMsonades＞：AinlCTOComputefatowercasecontainsthe

andrunsonpoverfromanelectrical刖outlet.samebasiccomponentsasastandarddesktop

Thedisplayscreenisusuallyplacedontopofthemicrocomputer,butthevertically-OTientedcaseis

horizontaldesktopcaselargeandallowsmoreroomfor

towerunitcanbeplacedonthe

deskspace.

Terminalsactaseachuser'smaininputandoutputdevice.

Theterminalhasake\tooardforinputandadisplayscreen

foroutput,butitdoesnotprocesstheuser'sdata.Instead,

process*ngrequestsmustbetransmittedfromtheterminal

totheminicomputer

Theminicomputerstoresdataforallthe

usersinonecentralizedlocation

2011年8月2128

1、计算机及其发展史

「计算史

4.计算机时代

・划分标准—规模

•界限不明显

•性能有交叉

•技术共享

•应用领域不同

•基础相同

2011年8月2129

1、计算机及其发展史

「计算史

5.计算机技术发展的推动力

•并行处理技术

♦通常首先应用于巨型机

♦流水线技术

♦缓存技术(Cache,Buffer)

♦分支预判技术

♦超流水技术、超标量技术、超长

指令字技术

2011年8月2130

1、计算机及其发展史

「计算史

5.计算机技术发展的推动力

•目标

♦更大、更快、更强

•战略

♦Wintel(Windows+Intel)

♦Workstation(UNIX+RISC)

2011年8月2131

2、计算机系统组成

・计算机的功能

•数据传送功能数据源

•数据存储功能数据

传输

•数据处理功能

•操作控制功能

数据控制数据

•操作判断功能存储装置处理

2、计算机系统组成

2011年8月2133

2、计算机系统组成

存储程序原理

程序和数据都以二进制形式存储在机

器中，计算机自动从机器中逐条取出指

令执行。----vonNeumann体系结构

2011年8月2134

•计算机硬件系统组成:

数据流

A现代计算机结构已转化为以存储器为中心

运算器工作原理

2011年8月2137

2、计算机系统组成

•存储器M（数据与指令）

•原理：二进制数据表示

•存储单元的顺序编号——地址

•存储器的金字塔结构

•两级Cache机构

存储器的构成

2011年8月2138

第一章绪论

金字塔结构

Faster

Larger

2011年8月2139

第一章绪论

Cache

2011年8月2140

第一章绪论

StorageOrganization

—CPU

CPU

Pll图1.4

2011年8月2141

•控制器cu

•根据预定的步骤，控制与协调各部

件的自动工作。管理机构和指挥中

心。

2011年8月2142

•控制器cu

・功能实质一.解释程序：获取指令、译

码、产生控制信号

•执行程序

•组成：指令控制、地址形成、定时、微

操作控制

2011年8月2143

2、计算机系统组成

・控制器CU

•指令控制部件：

•PC：指令地址寄存器和计数器

・IR：当前正在执行的指令

•ID：将指令转换微操作控制信号

2011年8月2145

2、计算机系统组成

・控制器CU

•地址形成部件：

•AR：需要访问的存储器单元地址

・XR：变址寻址

•地址计算部件

•提供多样灵活的寻址方式

2、计算机系统组成

•控制器CU

•定时部件:

•CP：主频

・TSG：时序信号产生器

•节拍和主频周期

2011年8月2147

•控制器cu

•微操作(Micro—operation)部件

•组合逻辑

•微程序

•微程序通常固化在ROM中

2011年8月2149

CPU

是中央处理器的英文缩写，是运算器与控制器

两者的统称。

内存、外存

内存储器外存储萧

存取速度快，基本上能与外存响应速度相对较慢.(H

CPU速度相匹配。容洪可以做的很大，价格比

RAM和ROM较便宦.可常期保存大量程

ROM的最大特点是不会因序或数据。

断电丢失信息，作BIOS

内存

50

2011年821

2、计算机系统组成

•外设Device（输入与输出）

・主机：CPU、存储器

•输入设备

•输出设备

,输入输出设备

・I/O的特点

•I/O设备的发展

2011年8月2151

•夕卜设Device=

•输入设备

•键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、

摄像机

•输出设备

•显示器、打印机、绘图机

•外存储器

•互连结构

2011年8月2152

・计算机软件系统

•用户与硬件间的接口

•控制硬件工作的指令、程序及符号语言

・程序和文档

­软件的作用

2011年8月2153

操作系统（核心）DOS、Windows系列、UNIX、LINUX等

语言处理程序VisualBasic、VisualC++等

系统软件数据库管理系统FoxBASE>FoxPro、Access等

网络通信管理程序Windows2000>WindowsNT、UNIX等

常用的服务程序软件调试程序、错误测试、诊断程序等

办公自动化软件Word、Excel、WPS等

应用软件防杀病毒KILL、KV3000、Rising

常用工具软件WinZIP、WinRAR.NetAnts等

2011年8月2154

­软件的设计

•软件工程；

­软件和硬件在功能上的等价性；

•系统设计时如何确定软硬件的功能;

•固件Firmware

2011年8月2155

•计算机的层次结构

2011年8月2156

temp=v[k];

v[k]=v[k+1];

v[k+1]=temp;

0($2)

4($2)

0($2)

4($2)

110001101010111101011000

010110000000100111000110

101011110101100000001001

000010011100011010101111

2011年8月2157

・计算机的层次结构

•基础和扩展的关系

­层次的划分不是绝对的

3、分类

・计算机的工作特点

•运算速度快—主频

•运算精度高—数据表示

•记忆功能强—存储器

•通用性广——处理对象

•自动运算——程序

2011年8月2160

3、分类

厂计算机的分类

•表示的信息和处理方式

•计算机的用途

•计算机的规模

•使用方式

,单机

・工作站

2011年8月21

4、计算机的应用与发展

•应用类型

•科学计算

I高速、大容量

­数据处理

•自动（实时）控制一自动执行

•CAD

•智能模版科学研究助手

4、计算机的应用与发展

•应用领域

•中文信息处理

•计算机图形学、图形图像处理

•多媒体技术

•计算机辅助技术

•计算机控制

•计算机信息处理

•计算机仿真

2011年8月2163

4、计算机的应用与发展

•发展

・性能超级化

•超高性能微处理器

•并行处理技术的应用

•体积微型化

•应用网络化

•处理智能化一新概念计算机的

2011年8月21

5、