计算机组成原理第1章.ppt

计算机组成原理 第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统 目录 运 算 器控 制 器 主存储器 输入设备 输出设备 总线 和 输入输出接口 高速缓存 虚拟存储器 (磁盘设备) （第二章） （第五章） （第三章） （第六章） （ 第七、八章） 中央处理单元CPU 系统结构 基本概念 第一章 计算机系统概论 v计算机系统不同于一般的电子设备，它是一 个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。 1.1 计算机的分类和应用 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机的软件 1.4 计算机系统的层次结构 系统结构 基本概念 1.1.1 计算机的分类 计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机和数字计算机。 各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如 ：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的 数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量 （离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离 散式的 1.1 计算机的分类和应用 系统结构 基本概念 数字计算机与模拟计算计的主要区别 比较内容数字计算机模拟计算机 数据表示方式数字0和1电压、电流等 计算方式数字计算电量组合和测量值 控制方式程序控制模拟信号组合控制 精度、抗干扰性高、好低、差 数据存储量大小、几乎无 逻辑判断能力强无 系统结构 基本概念 数 字 计 算 机 专用计算机 通用计算机 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机 低 高 体积 功耗 性能 数据存储量 指令系统 价格 系统结构 基本概念 单片机 微机 小型机 中型机 大型机 超级计算机 低 高 体积 功耗 性能 存储容量 指令规模 价格 高 低 简易性 系统结构 基本概念 1.1.2 计算机的应用 计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所 有领域。本书归纳成六个主要方面来叙述 ： 科学计算 自动控制 测量和测试 信息处理 教育和卫生 家用电器 人工智能 1.2 计算机的硬件 vJ. Von Neumann（冯.诺伊曼） 1913，生于匈牙利，瑞士化学学士，匈牙利数学博士，后移居美 国；40年代初，参与曼哈顿计划；44年参观ENIAC； 45年发表“关于离散变量自动电子计算机的草案” v计算机的基本结构； v采用二进制； v数据和程序都放在内存中。 冯.诺伊曼结构 主 机 系统结构 基本概念 1.2.1 计算机的硬件系统组成 v打算盘，求解 y = ax + b c 一个算盘 v计算，暂存结果 一张纸 v记录步骤、数据 一支笔 v将步骤、数据抄至纸上； v算盘上数据，抄至纸上。 人脑和手 v控制算盘、完成步骤 运算器 存储器 IO设备 控制器 行号解题步骤与数据 1取数 （9）算盘 2乘法 （12）算盘 3加法 （10）算盘 4减法 （11）算盘 5存数 y 13 6输出 7停止 8 9a 10b 11c 12x 13y 系统结构 基本概念 1. 运算器 v算术运算、逻辑运算 v采用二进制数（容易实现） v算术逻辑单元（ALU） + 专用或通用寄存 器 v计算机的运算器长度： 8位、16位、32位或64位 系统结构 基本概念 2. 存储器 v功能：保存或“记忆”数据和运算过程 v存储的是0或1表示的二进制代码 v存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的n个 触发器，组成一个存储单元 v存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存 储单元的编号，称为地址 v存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位 “KB、MB、GB”等表示 v内存储器（主存）和外存储器(辅存） 0 地址 存储单元 1101010100010111 0000110100110001 0010111100000010 0000000000000000 0000000000000000 1101010100010111 1 2 3 4 . . . M-1 系统结构 基本概念 v(1) 程序 每一个基本操作就叫做一条指令,而解算某一问题的 一串指令序列,叫做该问题的计算程序,简称为程序。 v(2) 指令的形式 表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元 操作码地址码 指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等 3. 控制器 控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作 系统结构 基本概念 3. 控制器 v“存储程序”：是把指令序列事先输入到存储器中 v“程序控制”：当计算机启动后，程序就会控制计算机按规 定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务 v冯诺依曼型计算机的设计思想： 存储程序并按地址顺序执行 v指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。 （3）控制器的基本任务 控制取指令和指令译码，这段时间称为取指周期； 控制指令执行过程，这段时间称为执行周期； 取指周期和执行周期交替发生； 每取一条指令，指令计数器加1。 系统结构 基本概念 （4）指令流和数据流 v计算机中的信息单位：位（bit）、字节（Byte）、字（ Word）。例：10010110 v字长：组成一个字的二进制位数。一个“字”至少由一个 以上的字节组成。 v计算机字既可以代表指令,也可以代表数据。如果某 字代表要处理的数据,则称为数据字；如果某字为一 条指令,则称为指令字。 v指令和数据统统放在内存中,从形式上看,它们都是 二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出 的信息是指令流,它流向控制器；而执行周期中从内 存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器。 3. 控制器 系统结构 基本概念 操作编码 加法001 减法010 乘法011 除法100 取数101 存数110 停机000 指令和数据的存储 地址 存储单元 0 101 0111 011 1010 001 1000 010 1001 110 1011 000 xxxx 1 2 3 4 5 y x c b a(二进制) 9 6 7 8 10 11 指令字 数据字 指 令 区 数 据 区 操作的编码 系统结构 基本概念 4. 适配器与输入输出设备 v输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机 器内部所能接收和识别的二进制信息形式。 v输出设备把计算机处理的结果变换为人或其它机器 所能接收和识别的信息形式。 vI/O设备通常统称为外围设备。 v适配器(I/O接口)相当与一个转换器,它可以保证外 围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息。 v系统总线构成计算机系统的信息链接,是多个系统 部件之间进行数据传送的公共通路。 系统结构 基本概念 硬件系统五大组成部分框图 常用的输入设备有：鼠标器、键盘、 扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条 形码阅读器、数码相机、A/D转换器 等 计算机中用于存取程序和数据 的部件。分为内存和外存两 类 显示器、打印机、音箱 、绘图仪等 指挥和控制计算机各个部件进行 工作的“神经中枢” 负责对信息进行加工和运算，内 设若干寄存器，用于暂存操作数 和中间结果。 系统结构 基本概念 1.2.2 计算机系统结构的过去和未来 v世界上第一台电子数字计算机ENIAC 诞生于 1946年，是在美国宾夕法尼亚大学制成的。计算 机的发展大致经历了五代的变化： 1.1946年开始，第一代电子管计算机 2.1958年开始，第二代晶体管计算机 3.1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机 4.1971年开始，第四代大规模集成电路计算机 5.1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机 系统结构 基本概念 第一台电子计算机（ENIAC） 5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2 18,800只电子管 1500个继电器 耗电150KW 计算机发展史 系统结构 基本概念 年代主要器件重 要 特 征 第1代 1946-1958 电子管 机器语言，汇编语言。速度低，体积大， 价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。速 度达几千次到几万次 第2代 1958-1964 晶体管 算法语言，操作系统。体积缩小，可靠性 提高。从科学计算到数据处理。每秒几万 次到几十万次 第3代 1964-1971 中小规模集成 电路 体积小，可靠性大大提高，速度达几百万 次，软件技术和外设发展迅速应用领域不 断扩大。 第4代 1971-1986 大/超大规模 集成电路 速度提高至几百万次至几千万次 出现微型计算机 第5代 1986- 巨大规模集成 电路 速度提高至几亿次乃至上百亿次。 出现单片机 计算机的发展史 系统结构 基本概念 v计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总 线和输入/输出设备组成的。都是由元件构成的有形 物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统 中实际物理装置的总称。 v软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档 。 v硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和 完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结 合，构成完整的计算机系统。 计算机系统硬件系统软件系统 系统结构 基本概念 1.3 计算机的软件 1.3.1软件的组成和分类 软件分类 操作系统 语言处理程序 服务性程序 应用程序 办公软件包 数据库管理系统 浏览器 实时控制软件 诊断、排错程序 反病毒程序 备份程序 文件压缩程序 卸载程序 图形图像处理软件 其它应用软件 系统程序 系统结构 基本概念 下面以系统程序为例,简要说明软件的发展演 变过程： 1. 目的程序 2. 汇编程序 3. 源程序 4. 操作系统 5. 数据库管理系统 1.3.2软件的发展演变 手编程序：直接用机器语言编写 用一些约定的文字、符号和数字按 规定的格式来表示各种不同的指令, 再用这些指令来编写程序 系统结构 基本概念 3. 源程序 v算法语言：按实际需要规定好的一套基本符号以及 由这套基本符号构成程序的规则。 v源程序：用算法语言编写的程序。 v通常采用下面两种方法把源程序翻译为机器语言 ： 编译系统：用编译程序将源程序编译成机器语言 形式的目的程序，然后在目标系统运行。 解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句， 它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解 释语句并得出计算结果。 系统结构 基本概念 4. 操作系统 v用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和 各种编译、应用程序)和自动调度用户的作业程序, 而使多个用户能有效地共用一套计算机系统。 v根据使用环境要求,操作系统大致分为批处理操作系统、 分时操作系统、网络操作系统、实时操作系统等多种。 5. 数据库管理系统 v数据库：实现有组织地、动态地存储大量相关数据,方便 多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。 v数据库管理系统：数据库和数据库管理软件一起,组成 了数据库管理系统。 系统结构 基本概念 1.4.1 多级组成的计算机系统 1.4 计算机系统的层次结构 机器语言级， 由微程序解释 机器指令系统 硬 件 级 混 合 级 面向用户，为方便用 户编写应用程序而设 置。由各种高级语言 编译程序支持和执行 系统结构 基本概念 1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性 v随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计 算机系统软、硬件界限已经变得模糊了。 v任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任 何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。 v就目前而言，一些计算机的特点是，把原来在一般机器 级通过编制程序实现的操作，如整数乘除法指令、浮点 运算指令、处理字符串指令等等，改为直接由硬件完成 。 v现在已经可以把许多复杂的、常用的程序制作成固件。 就它的功能来说，是软件；但从形态来说，又是硬件。 传统的软件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。 计算机组成原理 第一章计算机系统概论 本章小结 l计算机的类型：模拟和数字；专用和通用；巨型机、大型机、小型 机、微型机、单片机。 l计算机的应用领域。 l计算机从开始出现到目前经历了一个快速发展的过程。按计算机所 使用的微电子器件的发展可将电子计算机分成五代。 l计算机系统由软件系统与硬件系统组成。 l计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存 储器、控制器、适配器、输入输出设备。 l计算机的软件系统是计算机不同于一般电子设备的本质所在。计算 机的软件一般分为系统程序和应用程序两大类。 l计算机的层次结构通常由微程序设计级、 一般机器级、操作系统级 、汇编语言级、高级语言级组成。 习题1 1.计算机系统应包括（ ）。 A）运算器、存储器、控制器 B）主机与外部设备 C）硬件系统与软件系统 D）系统软件与应