《计算机系统概述》PPT课件.ppt

1 1 计算机组成原理 课程简介 1 2 计算机组成原理 课程定位 2009年开始计算机专业考研统考 总分150分 计算机网络25 数据传输原理 数据结构45 软件算法基础 操作系统35 操作系统原理 计算机组成45 硬件原理基础 计算机基本知识体系结构 四门基础理论课程 嵌入式开发 软 系统程序开发底层程序开发 嵌入式开发 硬 数字电路分析数字电路设计 完善知识体系结构 后续知识理论基础 软件开发 硬件设计 难 1 3 计算机系统结构 奥组委 完成举办奥运会 系统结构给出一台计算机系统所能实现的所有功能特性 主要研究软件与硬件的功能分配 以及确定软硬件的分界面 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现 建筑设计师 奥运村图 当一个计算机系统把软件和硬件功能划分完以后 组成主要研究计算机各硬部件的组成和它们之间的关系 计算机实现是计算机组成的物理实现 建筑工程队 按设计图施工 研究各硬部件的物理实现技术 概念解释 计算机组成与计算机系统结构 1 4 计算机系统结构ComputerArchitecture是从站在计算机系统外部的角度 来研究计算机的一门学科 从程序员角度 观察到计算机的外特性 概念性的属性和功能 对不同虚拟机层次的程序员 看到计算机的外部特性不完全相同 计算机组成ComputerOrganization 是我们将要学习的 是从站在计算机系统内部的角度 来研究计算机构成的 是从逻辑设计人员的角度 研究计算机各组成部分的构成和互联 研究主要内容 运算方法 CPU组成 存储器 输入设备 输出设备 输入 输出接口等 概念解释 计算机组成与计算机系统结构 1 5 我们将掌握计算机硬件系统的基本组成原理和简单的设计技术 包括 数字化信息编码与数据表示 数据运算算法和运算器部件的知识 指令 指令系统和控制器部件的知识 存储器系统的组成 运行原理 输入输出系统的构成和运行原理 将讲解单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制 单台 讲单个简单的计算机系统 非多计算机系统 非多处理器结构 完整 计算机整机 全部的硬件功能部件 基本 是最基础的最必要的组成部分 不一定是最高性能最合理的组成 计算机组成原理 课程学习目标 1 6 1 计算机系统概论 第1 2章 2 计算机的逻辑部件 数字电路补充课程 3 运算方法和运算部件 第6章 4 存储器系统 第4章 5 指令系统 第7章 6 CPU 第8 9 10章 7 系统总线 第3章 8 输入输出系统 第5章 以课件内容为知识主线 计算机组成原理 授课计划与教材 1 7 课件下载 课程考核 考试70 作业30 100注意 每周第一次课交上周布置的作业 交作业纸 不要交本 班长收齐后再交 本课程特点 作业多 要想考试及格 请认真做作业 公共邮件地址下载 教学课件公共电子邮件地址 zz zuchengyuanli 密码 dsnmysbd通过公共信箱 我们可以相互交流信息 有好的文章大家分享 1 8 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入 输出设备 林楠办公室 211办公电话 0371 63888959电子邮件 linnan 计算机组成原理 第一章计算机系统概论 书上第1 2章 1 9 本章大纲 本章以概念为主 内容较少 计算机的发展历程 冯诺依曼计算机的原理及基本组成 计算机的层次结构 计算机的常用性能指标 吞吐量 响应时间 CPU时钟周期 主频 CPI CPU执行时间 MIPS MFLOPS 第一章计算机系统概论 1 10 第一章计算机系统概论 1 计算机系统的组成2 计算机系统的层次结构3 计算机的发展简史4 计算机的应用范围 略 应用软件系统软件 硬件 1 11 计算机由硬件和软件两大部分组成 统称为计算机系统 即 单有计算机硬件或计算机软件 都不能称为计算机系统 硬件为软件提供服务 其结构和性能对程序处理的速度影响是很大 1 计算机系统的组成 计算机系统 硬件系统 控制器 主机 CPU 内存储器 外设 外存储器 输入设备 输出设备 系统软件 应用软件 运算器 软件系统 软盘 硬盘 光盘 操作系统 网络系统软件 1 12 系统软件包括 1 操作系统2 语言处理程序3 标准库程序4 服务性程序5 数据库管理系统6 计算机网络软件 1 计算机系统的组成 软件系统 计算机软件有两大类 系统软件 直接管理硬件资源 和应用软件 系统软件管理应用软件 1 13 1 计算机系统的组成 软件系统 汇编语言 面向机器机器语言 面向机器汇编语句与机器语句一一对应 通过汇编程序翻译 逻辑功能 0 1机器指令 001 0001汇编语言 ADDr1 r2 1 14 1 计算机系统的组成 软件系统 中间语言 1 15 计算机硬件系统包括 CPU 运算器 控制器 Cache 存储系统 高速缓存 主存储器 外存设备 输入 输出设备等主要组成部分 它们总是通过总线和接口连接在一起 构成一台完整的计算机 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 16 计算机进行解题的过程完全和我们用算盘解题的情况类似 运算器 相当于算盘 具有计算功能的部件 存储器 相当于纸 具有记忆功能的部件 输入设备或者输出设备 相当于笔 把原始解题数据送到计算机或者把运算结果显示出来的设备 控制器 相当于大脑 能够自动控制整个计算过程 和打算盘不同的是 以上这些部分是由电子线路和其他设备进行控制 计算机是死的 人的大脑是灵活的 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 17 运算器 是计算机中进行数据加工的部件 其主要功能包括 1 执行数值数据的加减乘除等算术运算 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算 所有的运算功能由一个被称为ALU 算术逻辑单元 的电路完成 功能强的ALU还能执行 定点运算 浮点运算 向量运算 2 暂时存放参加运算的数据和中间结果 由多个通用寄存器来完成 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 18 控制器 是计算机的管理机构和指挥中心 人的大脑 控制计算机中其他各部件 对运算器 存储器 输入 输出设备等部件发出有关操作命令 功能 1 正确执行每条指令 单个指令 先取一条指令 分析这条指令 再按指令格式和功能执行这条指令 2 保证指令按规定序列自动连续执行 多个指令 3 对异常情况和请求及时响应和处理 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 19 存储器 是存放程序和数据的部件 它具有记忆功能 三级存储系统 高速缓冲存储器 主存储器 辅助存储器 这三级存储器所用的存储介质 半导体材料 磁性材料 工作原理和特性各不相同 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 20 存储器是存储单元的集合 存储器的基本操作 读 写 统称为访问 每个存储单元都有一个编号 称为 地址 存储器的容量 存储器所有存储单元的总数 通常以字节为单位 例如 宾馆的房间号码是地址 每个房间里的床位相当于存储的一位数据 1KB 210字节 1MB 220字节 1GB 230字节 1TB 240字节 存储单元地址 每个存储单元赋予一个地址存储字 存储单元中二进制代码的内容存储字长 存储单元中二进制代码的位数8位 16位 32位 64位 存储单元 房间 存储位 床位 有人 无人 存储器 大楼 地址 1 计算机系统的组成 硬件系统 存储位 存储元件 存储基元 储存元 重点 1 21 P214ASCII字符编码表 表中编码符号的排列次序为b7b6b5b4b3b2b1b0b7恒等于 0 b6b5b4为高位部分 b3b2b1b0为低位部分 1 22 输入设备 向计算机送入程序和数据 具有一定独立功能的设备 它通过接口和总线与计算机连通 用于人机交互联系 把人们所熟悉的某种数据变换成机器内部所能接收和识别的二进制数据 例如 键盘 鼠标等 理想的输入设备应是 会看 会听 会看 摄像头 电子扫描笔 会听 麦克风 感知 触摸屏 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 23 输出设备 用于送出计算机内部数据的设备 它把计算机的数据以人们能识别的形式输出 例如 显示器等 理想的输出设备应是 会写 会讲 会写 打印机 绘图仪等 会讲 音响设备等 会动 机器手 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 24 接口 通过接口 主机和外设可以并行协调地工作 输入 输出设备通常称为外围设备 其种类繁多 数据传送方式和速度差异也很大 因此它不能直接与主机相连接 而要通过接口与主机相连接 例如 网卡 声卡 显卡等 系统总线 是构成计算机系统的骨架 是多个系统部件之间进行数据传送的公共通道 借助系统总线的连接 计算机在各系统部件之间实现地址信号 数据信号 控制信号的传送 例如 主板上的传输线路 系统总线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入设备 输出设备 1 计算机系统的组成 硬件系统 1 25 计算机硬件的三个主要性能指标 1 机器字长 CPU一次能处理数据的位数 通常与CPU中寄存器的位数有关 机器字长会影响机器的运算速度 2 运算速度 主频 机器内部主时钟的频率 衡量机器速度的重要参数 它的倒数是CPU时钟周期 MIPS 每秒执行百万条指令MFLOPS 每秒执行百万次浮点运算CPI 执行一条指令所需时钟周期数3 存储容量 存放二进制数据的总位数 通常用字节表示 存储单元个数 一个存储单元位数例如 64K 32位数据通路宽度 数据总线一次并行传送的位数 它关系到数据的传送能力 吞吐量 指数据流入 处理和流出系统的速率 主要取决于主存的存取周期 响应时间 计算机系统对特定事件的响应时间 1 计算机系统的组成 硬件系统 重点 其它性能指标 1 26 16位操作系统Windows1 0 1985 Windows2 0 1987 混合的16 32位操作系统Windows95 1995 1996 1997 Windows98 1998 1999 2000 WindowsME 32位操作系统WindowsNT3 1 1992年 NT3 5 NT3 51 NT4 0 Windows2000 WindowsXP32位WindowsVista WindowsVista同时有32位的x86版本与64位的x64版本 64位操作系统WindowsXP64位版 WindowsServer200364位版 WindowsVista64位版 机器字长一般体现在寄存器的位数 不同字长的计算机安装不同的操作系统 64位电脑可以安装32位操作系统 32位电脑绝对不能安装64位操作系统 扩展知识 机器字长 1 27 第一章计算机系统概论 1 计算机系统的组成2 计算机系统的层次结构3 计算机的发展简史4 计算机的应用范围 略 应用软件系统软件 硬件 计算机系统按功能划分成多级层次 1 28 软件 硬件 2 计算机系统的层次结构 由软件实现的虚拟机器 由硬件实现的实际机器 虚拟机 是一个由软件实现的抽象计算机 不同软件 语言 角度获得不同层次的虚拟机 应用软件 系统软件 硬件构成了计算机系统的三个层次结构 除了硬件系统 其它层次均被称为虚拟机 某一层次的使用者 只通过本层次的语言来了解和使用计算机 而不必关心下几层机器是如何工作的 1 29 第一章计算机系统概论 1 计算机系统的组成2 计算机系统的层次结构3 计算机的发展简史4 计算机的应用范围 略 冯 诺依曼 1 30 当代计算机体系结构的形式 是冯 诺依曼等人提出的计算机设计的一些基本思想 到目前为止大多数计算机仍沿用这一体制 冯 诺依曼体制特点 1 指令和数据均用二进制表示 2 引入存储程序概念 计算机不仅可以存储数据也可以存储程序 将程序事先存入主存储器中 计算机在工作时自动高速从存储器中取出指令加以执行 3 计算机系统由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备五大部件组成 4 计算机以运算器为核心的集中式控制 5 指令由操作码和地址码组成 指令在计算机中是顺序执行的 并受控制器的统一控制 3 计算机发展简史 1 31 典型冯 诺依曼计算机结构以运算器为中心 输入输出设备与存储器之间的数据传送都途径运算器 运算器 存储器 输入设备 输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制 3 计算机的发展简史 1 32 现在的计算机结构 冯 诺依曼结构 不改变的 存储程序 冯 诺依曼思想精华 改变的是 以存储器为中心 总线结构 分散控制 3 计算机的发展简史 输入设备 控制器 存储器 输出设备 运算器 地址 指令 数据 结果 反馈信息 操作指令 控制信号 请求信号 控制信号 请求信号 输入程序和数据 1 33 就逻辑器件发展而言 计算机经历了五次更新换代 电子管 继电器存储 晶体管 磁介质存储 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 智能计算机 3 计算机的发展简史 就系统结构的发展而言 计算机经历了 单个CPU单机系统 流水线机 多处理机 大规模的并行处理机就执行技术的发展而言 计算机经历了 变址技术 中断技术 微程序技术 缓冲技术共享 重用技术 虚拟技术 1 34 世界第一台电子计算机 ENIAC埃尼阿克宾夕法尼亚大学摩尔工程学院 莫奇利和埃克特领导的研究小组由程序控制的电子数字计算机 全电子 不存储程序 十进制表示 1946年2月14日18000多个电子管60000多个继电器10000个电容器6000个开关重量30吨占地170平方米耗电140千瓦运算速度5000次加法 秒 3 计算机的发展简史 ENIAC 1 35 从这台计算机问世以来 计算机的发展经历了五代变化 1 第一代电子管计算机时代 1945 1950年后期 采用电子管作为基本部件 体积大 速度慢 可靠性低 确定了程序设计的基本方法 数据处理机 开始得到应用 运算速度 每秒钟几千次 几万次 2 第二代晶体管计算机时代 50年代后期到60年代初期 这个时代的计算机由电子管改为晶体管 大大地缩小了它的体积 降低了功耗 提高了速度和可靠性 价格不断下降 在此期间 工业控制机 开始得到了应用 运算速度 每秒几万次至几十万次 3 计算机的发展简史 1 36 3 计算机的发展简史 第三代中小规模集成电路计算机时代 60年代中期到70年代前期 这个时期的计算机采用集成电路为基本器件 可靠性进一步提高 体积进一步缩小 成本进一步下降 集成电路的出现 形成计算机通用化 生产系列化 使用系统化 这时 小型计算机 开始出现 运算速度 每秒几十万次到几百万次4 第四代超大规模集成电路计算机时代 为1971年开始到如今 可靠性更进一步提高 体积更进一步缩小 成本更进一步降低 由几片大规模集成电路组成的 微型计算机 开始出现 运算速度 每秒几百万次至几千万次 1 37 摩尔定律 Moore sLaw 1964年戈登 摩尔提出摩尔定律 在芯片上所能集成的晶体管数目将会每隔18个月翻一翻 性能每10年提高100倍 但价格基本不变 用同样的价格 五年之后能买到性能高十倍的机器 这一法则适用至今 1979 2011 32年精确符合 再适用十年 3 计算机的发展简史 1 38 有四种飞速发展的实现技术对现代计算机实现的影响最为深远 集成电路逻辑技术 晶体管密度每年以35 增长 4年翻2番 芯片尺寸每年增长10 20 使得每个芯片上晶体管每年增长50 半导体DRAM 其晶体密度每年增长40 60 访问时间平均每十年减少1 3 每片的带宽随着延迟时间缩短而以其2倍的速度增长 磁盘存储技术 存储密度最近每年100 增长 访问时间过去10年缩短了1 3 网络技术 取决于交换和传输系统 延迟和带宽都能改进 发展思路 提高速度 扩大存储容量 降低成本 提高系统可靠性 方便用户的使用 3 计算机的发展简史 1 39 Intel公司部分微处理器的部分工艺参数 3 计算机的发展简史 1 40 Roadrunner IBM制造出全球运算速度最快的超级电脑 每秒运行1 105千万亿次耗资1 33亿美元主要供美国能源部计算核能武器存储量的安全及可靠性 同时提供科学 金融 汽车 及航天工业等领域的运算 3 计算机的发展简史 1 41 计算机的分类 超级计算机用于科学计算领域 Gray 1 银河机大型计算机多用户的通用计算机小型计算机体积小 成本低 通用性强工作站强大的图形功能微型计算机 PC 成本低 应用广嵌入式计算机成为其它设备的一部分 3 计算机的发展简史 1 42 台式电脑拥有最大的市场 价格1000美元左右的个人电脑 10000美元左右的工作站 良好的性价比 服务器 互联网刺激了其发展 需提供可靠有效的服务 可扩展性 升级计算能力 主存容量 存储空间以及I O带宽 目标 吞吐量 单位时间处理请求的数目 嵌入式系统 安装在其它设备中的计算机 是计算机市场增长最快的 微波炉 洗衣机 打印机 网络交换机 汽车 掌上电脑 手机 Smart卡 3 计算机的发展简史 计算机的发展方向 60年代 主要形式是数百万美元的大型机 目前 台式电脑 服务器 嵌入式系统 1 43 嵌入式系统两个关键的特征 最小化存储器和最小化功耗的需求 3 计算机的发展简史 1 44 软硬件比例软件硬件最少硬件目前计算机不可编程 发展 发展趋势 硬件实现的比例越来越高 软件所占的成本上升 硬件实现 速度快 灵活性差 软件实现 速度低 灵活性高 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势 要明确划分计算机系统软 硬件界限已经显得比较困难了 因为任何操作和指令可以由软件来实现 也可以由硬件来实现 采用硬件还是软件方案 取决于价格 速度 可靠性 存储容量 变更周期等因素 3 计算机的发展简史 1 45 云计算 高度可扩展且抽象化的IT资源 通过网络以服务的形式提供给用户的计算形态 高性能PC服务器 刀片服务器 成熟的虚拟化技术 IA服务器的虚拟化技术网格计算 自主计算等技术的引入 奠定了云计算机发展的基础 例如 4核CPU和16GB内存的服务器 可运行12个左右的虚拟机 DELL公司专门面向云计算供应商 提供可定制的高密度 低电耗服务器 安全问题 俄罗斯联邦安全局将Skype Gmail与Hotmail列为 国家安全威胁 并建议予以禁止公有云与私有云IBM私有云 IBMCloudBurst向大型企业提供构架云计算环境所必需的硬件 软件 服务打包的私有云服务 扩展知识 IT即服务 ITasaService 平台 应用软件中的虚拟服务器 存储设备和应用程序的开发 1 46 神马都是浮云 1 47 IaaS InfrastructureasaService基础设施即服务 提供虚拟服务器 存储等硬件A目前最大的的云计算基础服务供应商按小时出租EC2服务PaaS PlatformasaService平台即服务WindowsAzurePlatform云计算中心操作系统GooglePaaS GoogleforAppEngine 奥巴马 从民众问题中选出最希望总统解决的问题 48小时 93000人 10万多个问题 投票360万次 但是网页速度没有减慢一点 SaaS SoftwareasaService软件即服务GoogleGmail Ajax开发 日本尤妮佳公司全面采用Gmail 个人邮箱从300MB到25GB 公司全球统一域名 6800多员工 GoogleDocs S全球最大SAAS 软件即服务 提供商CRM SFAEPRMicrosoftOfficeWebApplicationHaaS HardasaService硬件即服务DaaS DesktopasaService虚拟化服务式桌面系统 扩展 IT即服务 AnythingasaService 1 48 第一章计算机系统概论 1 计算机系统的组成2 计算机系统的层次结构3 计算机的发展简史4 计算机的应用范围 略 1 49 随计算机的迅速发展 它的应用范围也越来越广泛 已经涉及到人类社会的各个领域 例如 教育 文化艺术 生产 家庭 军事 等各个行业 一般计算机应用可以归纳七个方面的内容 1 科学计算早期的计算机一般都应用于科学研究和工程技术计算 例如 数 理 化 生物学等基础科学研究 以及航天飞行 人造卫星 运载火箭轨道等方面的大量的数据运算 利用计算机进行数值计算 可大大节省时间 人力和物力 2 自动控制可以减轻人的劳动强度 提高产品质量 它主要应用于冶金 化工 电力 交通 机械 军事等部门 随着科学的进步 计算机的自动化控制应用越来越广 水泥厂的配料控制 4 计算机的应用范围 1 50 3 测量和测试计算机在测量和测试领域中的应用比较也相当大 例如对高温 低温 有毒气体 辐射环境的测量和测试 核爆炸时数据采集等都必须用自动化的手段才能得到数据 4 信息处理计算机在早期时常用于数值计算 现在发展到非数值计算 可以用来处理文字 图象 声音等多媒体技术 信息处理的范围相当广泛 计算机应用数量较多 应用所占的比例也大 带来的各种效益也十分明显 例如事务处理 商业 银行 邮政业务上的应用 管理应用 人事管理 仓库管理 档案管理等 5 家用电器电子玩具 游戏机 冰箱 洗衣机定时及控制等 4 计算机的应用范围 1 51 6 教育和卫生计算机的辅助教学 远程教学 卫生系统中 各种疾病的电脑诊断系统 例如 心脑电图分析仪 CT图象处理设备 肝病电脑诊治系统等 这些专家系统为诊治疾病发挥了很大的作用 7 人工智能计算机能够模仿人的高级思维 着就是 机器人 目前世界上有数万台 工业机器人 在第一线工作 例如 高温 低温 有毒气体 辐射等环境下工作 比 工业机器人 更高明的 智能机器人 有判断和决策能力 灵活机动地完成控制任务和信息处理任务 4 计算机的应用范围 1 52 认识计算机的基本硬件 自己从网络中查询 补充知识 1 53 1 主板2 北桥芯片3 南桥芯片4 CPU插座5 内存插槽6 PCI插槽7 AGP插槽8 ATA接口 9 软驱接口10 电源插口及主板供电部分11 BIOS及电池12 机箱前置面板接头13 外部接口14 其他主要芯片 补充知识 计算机主板学习 1 54 1 主板一块主板主要由线路板和它上面的各种元器件组成 主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次 主板的性能影响着整个微机系统的性能 例如 ATX板型 便于ATX机箱的风扇对CPU进行散热 而且板上的很多外部端口都被集成在主板上 计算机主板 1 55 芯片组 Chipset 是主板的核心组成部分 按照在主板上的排列位置的不同 通常分为北桥芯片和南桥芯片 2 北桥芯片北桥芯片一般提供对CPU的类型和主频 内存的类型和最大容量 ISA PCI AGP插槽 ECC纠错等支持 通常在主板上接近CPU插槽的位置 由于此类芯片的发热量一般较高 所以在此芯片上装有散热片 3 南桥芯片南桥芯片主要用来与I O设备及ISA设备相连 并负责管理中断及DMA通道 让设备工作得更顺畅 计算机主板 1 56 4 CPU插座CPU插座就是主板上安装处理器的地方 主流的CPU插座主要有 SocketAM2SocketS1SocketFSocket771Socket479Socket775Socket754Socket939Socket940Socket603Socket604Socket478SocketASocket423Socket370SLOT1SLOT2SLOTASocket7 计算机主板 双核 一个CPU芯片有两个内核双路 一台计算机有两个CPU芯片 1 57 5 内存插槽 内存插槽是主板上用来安装内存的地方 不同的内存插槽它们的引脚 电压 性能功能都是不尽相同的 不同的内存在不同的内存插槽上不能互换使用 计算机主板 早期的SIMM单列直插内存模块 SingleInlineMemoryModule 内存条通过金手指与主板连接 内存条正反两面都带有金手指 目前的DIMM双列直插内存模块 DualInlineMemoryModule 与SIMM类似 只是金手指两端不像SIMM那样是互通的 各自独立传输信号满足更多传送需要 1 58 6 PCI插槽 PCI总线插槽 peripheralcom