计算机组成原理——教学笔记.doc

第二章 计算机组成原理一、教学内容l 研究讨论单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理。l 单台：非多机系统。l 基本：不一定是最高性能、最合理的组成,而是最基础的必要的组成部分。l 完整：计算机整机、全部的硬件功能部件。二、授课过程 1、计算机的发展与应用（1）计算工具的发展工时代十指计数（远古时代起）机械时代算盘（公元前五世纪，中国）和对数计算尺（公元17世纪，欧洲）电子时代电子计算机（2）具体可分为五个发展阶段：第一阶段：电子管计算机（19461959）硬件简单，体积大，只能进行定点算术运算，运算速度慢（几千几万次/秒），编程语言采用机器语言和汇编语言。开始出现高级语言。（电子射线管、磁鼓存储信息）第二阶段：晶体管计算机（19591964）能进行浮点算术运算，运算速度提高到几几十万次/秒，软件采用子程序库、批处理管理程序。高级语言得到迅速发展。（磁芯为主要存储器，；用磁盘和磁鼓为外存）第三阶段：中小规模集成电路计算机(19641975) 采用微程序控制的设计技术、流水线结构以及高速缓冲存储器Cache, 运算速度达到几十万几百万次/秒。软件出现操作系统、虚拟存储系统。（半导体存储器为主存）第四阶段：大规模集成电路计算机（19751990）体积进一步缩小，可靠性进一步提高，出现微型机。运算速度达几百万几千万次/秒。数据库管理系统、分布式处理及网络。第五阶段：新一代计算机（1990现在）采用超大规模集成电路，运算速度达到几亿次/秒，从数值运算过渡到以知识推理为主；计算机语言向自然语言发展，并且可以自动生成程序。1981年10月，日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机。第五代计算机与前四代计算机有本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。据2003年11月26日“中国计算机”报“电脑工程师”专版刊载如下一则新闻：“日本贸易工业部放弃第五代计算机研究计划，准备开发以神经网络为基础的第六代计算机。”1946年第一台电子数字计算机ENIAC（electronic numerical integrator and computer) 在美国宾夕法尼亚大学由John mauchly和J.p Eckert领导的为导弹设计服务小组研制成功后，大约每58年，计算机的运算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，体积可缩小至原来的1/10，成本也降低为原来的1/10。自20世纪70年代以来，计算机的产量以每年25的速度递增。1983年，我国第一台亿次巨型电子计算机“银河”诞生了！1999年，我国“神威”千亿次并行计算机研制成功！（3）计算机的应用：科学计算、过程控制、信息处理、辅助设计和辅助制造、人工智能、现代教育、医疗卫生、家庭办公与娱乐等。 计算机具有存储容量大、处理速度快、工作全自动、可靠性高，同时又具有很强的逻辑推理和判断能力等特点，所以被广泛应用于各种学科领域，并迅速渗透到人类社会的各个方面，同时也进入了家庭。2、计算机的分类 (1)按照使用范围划分：通用计算机（按性能分）：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（个人电脑）、单片机（微处理器和嵌入式计算机）专用计算机：有效、经济、快速专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。这些东西就是再先进，你也不能用它来玩游戏。通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。一般来说，巨型计算机的运算速度很高，可达每秒执行几亿条指令，数据存储容量很大，规模大结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计算。它也是衡量一国科学实力的重要标志之一。单片计算机则只由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单，性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机。它们的性能指标和结构规模则相应的依次递减。（2）按照信息的形式和处理方法分：电子模拟计算机、电子数字计算机和混合机模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的思维方式进行工作，所以又被称为“电脑”。比较内容电子数字计算机电子模拟计算机数据的表示方式数字0和1电压量计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制排题板上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无（3）微型计算机按照CPU芯片分为：286机、386机、486机、Pentium机（80586）、Pentium机、Pentium机、P4机等。3、计算机系统的组成 （冯诺依曼体系结构、非冯诺依曼化、计算机硬件部件）（1）计算机系统概述l 计算机系统（Computer System）由硬件系统（Hardware System）和软件系统（Software System）两部分组成。 l 硬件指的是计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理存在的计算机部件和计算机设备。 如：显示器、机箱、键盘、鼠标、硬盘和打印机等，是计算机工作的物质基础。l 软件是指在硬件基础上所实现的各种程序、数据及有关资料。 l 软件通常分为系统软件和应用软件两大类。 硬件和软件之间的相互关系为：硬件是计算机进行工作的物质基础，也是支撑软件工作的基础。在计算机技术的发展过程中，软件随硬件技术的发展而发展，同时，软件的不断发展和完善又促进硬件的新发展，二者相辅相成，不可分割。 （2）思想：A 冯诺依曼体系结构，即存储程序的概念是由美籍匈牙利数学家冯诺依曼等人在1946年6月首先提出来的。l 采用二进制形式表示数据和指令。 l 采用存储程序方式。这是冯诺依曼思想的核心内容。即将编好的程序的原始数据事先存入存储器中，使计算机在工作时能够自动高速的从存储器中取出指令并加以执行。指令控制器运算器数据l 由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。 输入设备存储器输出设备控制器运算器程序数据数据流控制流处理结果B 非冯诺依曼化传统的冯诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据已经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理，因此，近年来人们在谋求突破传统“冯诺依曼体制”的束缚，这种努力被称为非冯诺依曼化。 （3）基本结构A 计算机系统组成计算机系统硬件软件外存储器输入设备输出设备中央处理器内存储器主机外部设备系统软件应用软件操作系统语言处理程序服务性程序通用软件控制器运算器用户程序B 计算机硬件部件（中央处理单元CPU、内存储器、外部存储器、输入输出设备、总线）存储器运算器控制器适配器输入设备输出设备 C P U外围设备主机1中央处理单元CPU l CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心，在微型计算机中又叫微处理器。CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。 l 运算器 运算器是一个用于信息加工的部件，它用来对二进制的数据进行算术运算和逻辑运算，所以也叫“算术逻辑运算部件”（ALU）。l 控制器 控制器产生各种控制信号，指挥整个计算机有条不紊的工作。2内存储器 l 内存储器又叫主存储器，简称内存。 l 内存储器分为只读存储器ROM（Read Only Memory）、随机存储器RAM（Random Access Memory）和高速缓存（Cache）三大类。只读存储器的内容是出厂时固化好的，只能读出来使用，不能改写或删除，且断电后不会消失；而随机存储器既可以读也可以写，断电后信息全部消失。 3外部存储器 l （1）磁存储原理。无论软盘、硬盘或磁带，都是利用磁存储原理来存储数据的。 l （2）光盘。光盘有许多种，通常使用的是只读光盘，包括CD、VCD、CDROM、LD、DVD等。 4输入输出设备 l （1）输入设备。输入设备是将信息送入计算机的装置。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、调制解调器、模数（A/D）转换器等。 l （2）输出设备。输出设备是计算机将运算结果传送给用户的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、调制解调器、数模（D/A）转换器等。 l （3）终端设备。通过通信线路与主机连接的既可输入又可输出的设备。5总线 l （1）ISA（Industry Standard Architecture即工业标准结构总线）l （2）EISA（Extended Industry Standard Architecture即扩展工业标准结构总线）l （3）MCA（Micro Channel Architecture即微通道总线结构）l （4） VESA（Video Electronics Standards Association即视频电子标准协会） l （5） PCI（Peripheral Component Interconnect即连接外部设备的计算机内部总线） l （6）AGP（Accelerated Graphics Port，高速图形接口）l （7）USB（Universal Serial Bus即通用串行总线）l （8）Alpha EV6总线l （9）PCI-X局部总线l （10）NGIO（Next Generation Input/Output）总线l （11）Future I/O（将来的输入输出总线）总线结构 4、计算机系统的软件系统程序：就是用来扩大计算机的功能，提高计算机的工作效率以及方便用户使用计算机的软件。如操作系统、数据库管理系统、语言程序、服务性程序等。应用程序：计算机用户为解决某个应用领域中的具体任务而编制的程序。(1)过程：机器语言汇编语言高级语言(2)发展：标准化、积木化、产品化，最终向自然语言发展，并且能自动生成程序。 (3)与软件有关的概念1. 机器语言：机器语言是一种用二进制形式表示的，并且能够直接被计算机硬件识别和执行的语言。2. 汇编语言：是一种将机器语言符号化的语言，它用便于记忆的字母、符号来代替数字编码的机器指令。3. 指令：指挥计算机进行基本操作的命令称为指令。4. 程序：为解决某一问题而设计的一系列有序的指令或语句的集合。5. 高级程序设计语言：是一类面向用户，与特定计算机属性相分离的程序设计语言。6. 语言处理程序：他的作用是将用户利用高级语言编写的语言程序转换为机器语言代码序列，然后由计算机硬件加以执行。7. 语言处理方式：解释、编译 解释方式是对源程序的每条命令边解释边执行，这种语言处理程序称为解释程序。 编译方式是将用户源程序全部编译成机器语言的指令序列，成为目标程序。(3)计算机系统的层次结构微程序直接由硬件执行高级语言级 微程序设计级 1级操作系统 编译程序 汇编程序 汇编语言级 操作系统级 一般机器级 微程序 2级3级4级5级6、计算机的工作过程实质：周而复始地取出指令、解释指令和执行指令的过程7、微型计算机的硬件组成微型机的基本构成都是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有主板、硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器（显示卡）等。（1）微型机系统 主板 主板也叫系统板或母板，其中主要包括：CMOS、基本输入输出系统（BOIS）、高速缓冲存储器、内存储插槽、CPU插槽、键盘接口、软盘驱动器接口、硬盘驱动器接口、总线扩展插槽（ISA、PCI等扩展插槽）、串行接口（COM1、COM2）、并行接口（打印机接口LPT1）等。 中央处理器（CPU） 是一个体积不大而集成度非常高、功能强大的芯片，也称为微处理器，是微型机的核心，中央处理器主要包括运算器和控制器两大部件。计算机的所有操作都受CPU控制，所以它的品质直接影响着整个计算机的系统性能。 内存储器 目前微型机的内存储器有半导体部件构成，由只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）构成。 内存储器的主要技术指标有：存储容量、存取时间、读写时间。 外存 外存用于存储暂时不用的程序和数据。常用的有软盘、光盘和磁带存储器。他们和内存一样，存储容量也是以字节为基本单位。外存储器与内存储器之间频繁交换信息，而不能被系统的其它部件直接访问。 硬盘 、光盘、U盘 微型机的总线系统 微机各功能部件相互传输数据时，需要有连接它们的通道，这些公共通道就称为总线。 总线从功能上分为：数据总线（DB）、地址总线、控制总线。 微型机的接口 通常，我们把两个部件之间的交接部件称为接口，或称为界面。 微处理器：是微型机控制和处理的核心。它包括逻辑部件（ALU）、寄存器、控制部件。 微型机：它是一位处理器为核心，配上外围控制电路、存储模块电路、输入输出接口电路并通过微型机的系统总线的连接就构成了微型机。 微型机系统：微型机系统是在微型机的基础上，配置所需的外部设备、电源和辅助电路，以及系统软件和应用软件而构成的。 键盘 一般可分为机械式、电容式、薄膜式和导电胶皮四种。 鼠标器 按按键的数目可分为两键鼠标、三键鼠标及滚轮鼠标。 按鼠标接口类型可分为PS/2接口的鼠标、串行接口的鼠标、USB接口的鼠标。