《计算机系统概论》PPT课件.ppt

计算机组成原理,任课教师：马玉峰 时间：7-18周,教材 白中英，计算机组成原理第五版立体化教材，科学出版社，2013 参考书 陈智勇，计算机组成原理, 西安电子科技大学出版社，2009 钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清华大学出版社，2006 王爱英,计算机组成与结构第3版, 清华大学出版社，2001 白中英 邝坚，计算机组织与结构网络版，科学出版社，2003,第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 多层次的存储器 第四章 指令系统 第五章 中央处理机 第六章 总线系统 第七章 外存与I/O设备 第八章 输入输出系统,目录,一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标） “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算器、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。 主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。 二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求） 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。 三、课程与其他课程的联系与分工 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。 四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等） 授课学时：48，实验学时：8,教学大纲,第一章 计算机系统概论 1.1 计算机的分类 1.2 计算机发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构,目录,第一章 计算机系统概论,1.概念 计算机（Computer）是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。,（1）内部特征： （A） 高速高集成度开关元件 （B） 数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力 （D） 存储程序 （2）外部特征： （A） 快速性（由（1）中（A）（D）决定） （B） 准确性（由（1）中（B）（D）决定） （C） 逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定） （D） 通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）,2、特征 ：,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。,数字计算机与模拟计算计的主要区别,数字计算机分类,数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类： 专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。,通用计算机类别,巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减。 随着超大规模集成电路的迅速发展,今天的小型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是明天的单片机。,1.2. 数字计算机的发展史,世界上第一台电子数字计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于1946年2月15日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机的发展大致经历了五代的变化： 1946年开始，第一代电子管计算机 1958年开始，第二代晶体管计算机 1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机 1971年开始，第四代大规模集成电路计算机 1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机,计算机的发展史,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,Top500 (2004)曙光5000A,计算机发展史,Top500 (2008)曙光5000A,计算机发展史,摩尔定律,早在1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。 作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着。,1.2.2 半导体存储器的发展,20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。 其中1K=210,1M=220,1G=230,1.2.3 微处理器的发展,1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器。 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。 Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 到现在的64位处理器和多核处理器,1.2.4 计算机的性能指标,吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。 响应时间 表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。 利用率 表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。 处理机字长 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。 字长越长，表示计算的精度越高。,总线宽度 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。 存储器容量 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。 存储器带宽 存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。 主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。,主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。 CPU执行时间 表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算： CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期 CPI 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算： CPI 执行某段程序所需的CPU时钟周期数该程序包含的指令条数 MIPS 表示每秒执行百万条定点指令数，用下式计算： MIPS 指令条数（程序执行时间 106 ） FLOPS 表示每秒执行浮点操作次数，用下式计算： MFLOPS=程序中的浮点操作次数（程序执行时间 ）,1.3 计算机的硬件,一、硬件组成要素 通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算 y=ax+b-c 这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。,手工模仿计算机工作（1）,手工模仿计算机工作（1）,二、数字计算机基本组成,控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸,三、 冯诺依曼计算机的基本思想,采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成； 将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念； 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了5部分的基本功能。,存储器,输出,输入,运算器,控制器,数据信号,控制信号,地址信号,冯诺依曼型计算机,1.3 计算机的硬件系统组成,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),中央处理单元CPU,1. 运算器,算术运算 逻辑运算 采用二进制数（容易实现） 位数越多，计算精度越高 计算机的运算器长度： 8位、16位、32位或64位,2. 存储器,功能：保存或“记忆”数据和运算过程 存储的是0或1表示的二进制代码 主存采用半导体器件来作为存储器 一个半导体触发器记忆一个二进制位 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 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 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 内存储器（主存）和外存储器（辅存）,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,3. 控制器,控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作 指令有两部分：操作的性质和操作的地址,指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等,y=ax+b-c,电子计算机的设计思想,存储程序，程序控制 “存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序 “程序控制”，是当计算机启动后，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 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,控制器的基本任务,按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推 取指令的一段时间叫做取指周期 执行指令的一段时间叫做执行周期 执行完成指令的时间，称为指令周期,指令字和数据字，指令流和数据流,某字为一条指令，则称为指令字 某字代表要处理的数据，称为数据字 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 时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。 空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动,1.3.5 适配器与输入输出设备,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。 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。 I/O设备通常统称为外围设备。 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收信息。 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。,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。 计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。 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,1.4计算机的软件,计算机软件程序数据文档,软件的发展演变,编程语言的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序 系统软件的发展 操作系统 分布式系统软件,目的程序,早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能执行，所以又叫做目的程序 用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用,汇编程序,为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言。 汇编语言：用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定的格式来表示各种不同的指令。 借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序,高级语言,为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设计语言）。 算法语言是指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。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机。,编译程序,用算法语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言。 通常采用下