罗克露计算机组成原理课件-1概论(06级).ppt

主要内容 计算机的基本概念系统硬件组成 主要部件 系统结构 计算机的性能指标 第一章概论 第一节计算机的基本概念 1 1 1冯 诺依曼思想 1 用二进制代码表示程序和数据 2 计算机采用存储程序的工作方式 3 计算机硬件由存储器 运算器 控制 器 输入设备和输出设备组成 计算机的基础理论 1936年 图灵 英国 发表论文 论文中心思想 论应用于决定问题的可计算数字 机器需要 人类的工作可以分解成简单动作 图灵论题 这种理想机器被称为 图灵机 用于贮存计算结果 表示运算和数字 对运算和数字进行识别 计算过程中的下一步做什么 1 存储器 2 一种语言 3 扫描 4 计算意向 5 执行下一步计算 著名的图灵论题 凡可计算的函数都可用这样的机器来实现论题为计算机的产生打下了理论基础 计算机的分类电子计算机从总体上分为两大类 电子模拟计算机和电子数字计算机 数字计算机分为 两类专用计算机和通用计算机 通用计算机分为 六类巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机和单片机 数字计算机和模拟计算机的主要区别 通用计算机分类及比较 单片机微型机小型机中型机大型机巨型机 低 高 高 低 体积功耗数据存储量指令系统价格 简易性 1 1946年美国宾夕法尼亚大学研制成功ENIAC 使用了18000多电子管 占地170平方米 总重量30吨 耗电140千瓦 每秒可以作5千次加减运算 2 在ENIAC计算机研制的同时 冯 若依曼等人合作研制了EDVAC计算机 冯 若依曼结构设计原理和思想在现代计算机中仍在使用 世界第一台电子计算机 ENIAC 1946年2月在美国宾夕法尼亚大学研制成功 电子管 18800多个重量 36吨继电器 1500只电阻器 7000只电容器 10000只功耗 150kW体积 85立方米占地 170平方米 第一代计算机46 2 50年代末第二代50末 60年代初第三代60年代中期 70年代初 从第一台计算机的诞生到现在计算机的发展经历了4个阶段 习惯上称为4代 第四代70年代中期以后大规模超大规模集成电路 第一代计算机 1946 1958 特征 1 以电子管为基本电子器件 2 使用机器语言和汇编语言 3 应用领域主要为科学计算 4 运算速度每秒几千 几万次 5 体积大 功耗大 价格昂贵且可靠性差 第二代计算机 1958 1964 特征 1 晶体管取代电子管 2 软件技术上出现算法语言及操作系统 3 应用领域从科学计算扩展到数据处理 4 运算速度每秒几万 几十万次 5 体积缩小 功耗降低 可靠性提高 第三代计算机 1964 1971 特征 1 采用集成电路 2 运算速度每秒几十万 几百万次 3 体积 功耗显著减小 可靠性大大提高 4 出现向大型和小型化两极发展趋势 5 软件技术与计算机外围设备发展迅速 应用领域不断扩大 第四代计算机 1971至今 特征 1 中 大及超大规模集成电路 VLSI 成为计算机的主要器件 2 运算速度从MIPS级提高到GIPS级乃至TIPS级 3 采用了多机并行处理与网络化技术 4 系统软件的发展正向工程化及智能化发展 计算机的发展经历了五代 第一代 1946年电子管计算机第二代 1958年晶体管计算机第三代 1965年中小规模集成电路计算机 第四代 1971年大规模和超大规模计算机集成电路第五代 1986年巨大规模集成电路计算机 大规模集成电路的迅速发展 使计算机进入大发展时期 通用机 巨型机 小型机 微型机都得到迅速发展 1 通用机这是计算机工业中的重要产品 兼容性是通用机迅速发展的关键 2 巨型机现代科学技术和国防技术发展需要很高的远算速度 很大的存储容量 一般大型通用计算机满足不了这种需求 3 小型机小型机以它成本低 容易维护 容易操作的特点得到广泛使用和迅速推广 4 微型机微型机的出现和发展 掀起了计算机大普及的浪潮 1 1 2信息的数字化表示 1 在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码 例1用数字代码表示数据 5 5 表示为0101 表示为1101 例2用数字代码表示字符 A B 表示为1000001 表示为1000010 例3用数字代码表示命令 状态 启动 停止 正在工作 工作结束 表示为00 表示为01 表示为10 表示为11 2 在物理机制上用数字信号 数字型电信号 例1用电平信号表示数字代码 高电平 1 低电平 高电平 0 1 例2用脉冲信号表示数字代码 有脉冲 无脉冲 有脉冲 1 0 1 表示数字代码 实现并行操作 实现串行操作 1 1 3存储程序工作方式 1 事先编制程序 3 自动 连续地执行程序 2 事先存储程序 传统诺依曼机串行执行指令 对传统诺依曼机的改造 增加并行处理功能 第二节计算机系统的硬件组成 1 2 1主要功能部件 1 CPU由运算器 控制器组成 1 运算器1 功能 加工信息 2 组成 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 ALU 通过加法器实现运算操作 由全加器求和 由进位链传递进位信号 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 通用寄存器组 提供操作数 存放运算结果 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 选择器 选择操作数 选择控制条件 实现各种算法 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 移位器 直接或者移位送出运算结果 3 讨论几种典型的运算器组成几种主要的运算方法 定 浮 2 控制器1 功能 产生控制命令 微命令 控制全机操作 2 组成 微命令序列 微命令产生方式 指令执行控制方式 3 讨论两种控制器组成原理与控制机制 模型机的数据通路结构和指令执行过程 组合逻辑控制方式 微程序控制方式 由组合逻辑电路产生微命令 由微指令产生微命令 2 存储器1 功能 存储信息 2 组成 主存储器 存储体 存放信息的实体 寻址系统 对地址码译码 选择存储单元 读 写线路和数据寄存器 完成读 写操作 暂存读 写数据 控制线路 产生读 写时序 控制读 写操作 3 输入 输出设备1 功能 转换信息 输入 原始信息 代码 送入主机 输出 处理结果 人所能接受的形式 并输出 代码 2 讨论显示器的工作原理和信息转换过程 3 讨论存储单元读 写原理 存储器逻辑设计 图1 4硬件系统结构图 计算机的工作过程 1 人们通过输入设备将解题的程序和数据送入主存 形成目标程序 2 控制器根据程序中指令的序列从主存中逐条取出指令 并控制实现指令功能 3 在指令功能实现过程中 由运算器完成对数据的运算处理 4 将运算结果送主存 5 通过输出设备将程序运行的结果反馈给人们 1 2 2硬件系统结构1 以总线为基础的系统结构总线 能为多个部件分时共享的一组信息传送线路 总线 总线 功能内总线局部总线系统总线外总线 信息地址总线数据总线控制总线 时序同步总线异步总线 格式并行总线串行总线 方向单向总线双向总线 1 以CPU为中心的双总线结构 CPU M 接口 接口 I O I O I O总线 M总线 2 单总线结构 CPU M 接口 接口 I O I O 系统总线 3 以M为中心的双总线结构 CPU M 接口 接口 I O I O 系统总线 M总线 4 多级总线结构 CPU RAM ROM 公共接口 总线控制逻辑 M扩展板 I O接口板 局部总线 系统总线 2 采用通道或IOP的大型系统结构 1 带通道的系统 I O控制器 主机 I O 通道 2 带IOP的系统 CPU M 接口 I O IOP LM 接口 I O 系统总线 I O总线 3 模型机系统结构 系统总线 CPU M 公共接口 接口 接口 I O I O 4 讨论接口 中断接口 DMA接口总线 分类 信号组成 计算机能得到广泛的应用与它的特殊性能分不开的 1 快速性 电子计算机采用高速电子器件 采用了存储程序的设计思想 将要解决的问题和解决的方法及步骤预先存入计算机 计算机的特性 2 通用性 计算机处理的信息是 数值数据 和非数值数据 这些非数值数据都可以用数字化编码表示 任何复杂信息都可以分解成基本操作 编制相应的程序 通过执行程序完成任务 3 准确性 一是计算精度高 二是计算方法科学 精度取决于运算中数的位数 位数越多越精确 还与计算方法有关 4 逻辑性 逻辑判断与逻辑运算是计算机的基本功能之一 上述的四大特性是从计算机的外部角度来认识的 它们与计算机内部的固有特点相关 下图给出了两者之间的关系 外部特征内部特征计算机外部特征和内部特点的对应关系 快速性 准确性 数字化信息 通用性 存储程序 逻辑性 逻辑判断 高速电子器件 存储器的单位 210 1KBbit位 最小单位 0 1220 1MBByte字节 八个二进制位 230 1GB240 1TBWord字 计算机一个字与机器字长有关 数字电子计算机的完整定义 数字电子计算机是一种能自动地高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备 自动的含义是指程序执行时 不再需要人的干预 程序能连续发出各种命令 控制计算机完成预定的操作任务 它区别于过去的计算工具 第三节计算机系统的性能指标 1 基本字长指操作数的基本位数 它影响计算精度 指令功能 2 存储容量 1 主存容量指存储单元个数 位数 决定地址位数 表明编址单位 表示为 字数 字长 按字编址 或字节数 按字节编址 2 外存容量常表示为字节数 外存容量与地址码位数无关 3 运算速度 1 定点 浮点四则运算时间 2 每秒平均执行的指令条数 MIPS 3 CPU时钟频率 MHz 总线位数 总线时钟频率8 5 处理功能 1 指令系统功能 寻址方式 指令类型 2 系统软件配置 总线带宽 4 数据传输率 B S 计算机的软件 软件的组成和分类系统软件 用来简化程序设计 简化使用方法 提高计算机的使用效率 发挥和扩大计算机的功能和用途 应用程序 是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序 软件 系统软件分为 六类 1 操作系统 2 语言处理程序 一般分为解释程序与编译程序两类 3 标准库程序 4 服务性程序 提供各种运行所需的服务 是一种辅助计算机工作程序 5 数据库管理系统 用来管理系统中所有的文件 实现数据共享 6 计算机网络软件 是为计算机网络配置的系统软件 计算机系统的功能由硬件或由软件实现 在逻辑功能上是等价的 计算机系统的软件与硬件可以相互转化 互为补充 固件 程序固定在ROM中组成的部件 固件的特点 具有软