第一讲 计算机系统概述

计算机组成原理与汇编语言 第一章绪论第二章数据信息表示第三章数值运算及运算器第四章指令系统第五章中央处理器 CPU 第六章存储系统第七章输入输出系统及外围设备第八章汇编语言 2 课程内容 计算机组成原理 第2版 唐朔飞高等教育出版社2008年 计算机组成原理 蒋本珊清华大学出版社2004年 计算机组成原理与汇编语言程序设计 俸远祯等电子工业出版社1999年 计算机组成和设计硬件 软件接口 第2版 DavidA Patterson等著清华大学出版社2003年 计算机组成与体系结构 第3版网络版 白中英科学出版社2006年 参考教材 第一讲计算机系统概述第二讲计算机性能评价 第一章绪论 什么是计算机 发展历程 5 定义 6 7 计算机的发展 8 计算机体系结构和组织 计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定 其界面之上的是软件的功能 界面之下的是硬件和固件的功能 指令集 instructionset 软件 硬件 存储程序和程序控制 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 9 电子计算机的设计思想 一 硬件系统存储器运算器控制器输入设备输出设备二 软件系统系统软件 OS 语言处理 服务程序 数据库管理系统 用来提高使用效率 发挥和扩大计算机功能和用途的程序 应用软件 工程设计 数据处理 自动控制 企业管理 用户用来解决某些问题而编制的程序 10 计算机组成 冯 诺依曼计算机硬件框图 计算机的基本组成框图 运算器 计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件 存储器 存放程序和数据的部件 R W 控制器 控制计算机有条不紊地执行程序的部件 输入设备 能将人们所熟悉的信息形式变换为计算机内部能接收和识别的二进制信息的设备 输出设备 把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式的设备 13 计算机系统结构 14 输入设备 输出设备 输入输出接口和总线 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机系统结构 计算机的硬件结构 15 运算器 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件 其主要功能包括 1 执行数值数据的算术加减乘除等运算 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算 由一个被称为ALU的线路完成 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承担 3 运算器通常也是数据传输的通路 计算机系统结构 计算机的硬件结构 16 控制器 运算器 控制器是计算机中控制执行指令的部件 一 正确执行每条指令1 首先是取来一条指令 2 接着分析这条指令 3 再按指令格式和功能执行这条指令二 保证指令按规定序列自动连续地执行 三 对各种异常情况和请求及时响应和处理 总结 控制器要向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号 计算机系统结构 计算机的硬件结构 17 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 由高速缓冲存储器 主存储器 外存储器所组成的多级 层 存储器系统 是计算机中用于存储程序和数据的子系统 存储器的功能 存储数据和指令 计算机系统结构 计算机的硬件结构 二进制数 18 控制器 运算器 计算机系统结构 计算机的硬件结构 CPU 19 输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备 通过接口和总线与计算机主机连通 用于人 机交互联系 如计算机键盘和鼠标等 输入设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机系统结构 计算机的硬件结构 20 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备 例如打印机 显示器等 计算机系统结构 计算机的硬件结构 21 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 这些部件和设备通过总线和接口连接在一起 构成计算机整机系统 协同运行 计算机系统结构 计算机的硬件结构 总线的概念 计算机系统中还必须有总线 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 借助于系统总线 计算机在各系统部件之间可以实现地址 数据和控制信息的传送操作 冯 诺依曼式计算机的硬件组成一般包括 运算器 控制器 存储器 输入 输出设备 计算机系统结构 计算机的硬件结构 历史人物 1 现代的计算机模型是1932年由英国的数学家图灵 Turing 提出来的 图灵提出的是一个数学模型 即 从理论上证明了构造计算机的可行性 2 冯 诺依曼 存储程序 思想的提出 即 提出了计算机的组成结构 25 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 如 128KB 64MB 20GB等 存储容量越大 表示计算机记忆储存的信息的能力就越大 地址 存储器中各个存储单元的编号 称为地址 定义 计算机中的 字 指一串由0和1 二进制 数字组成的代码 既可以表示指令 也可以表示数据 最小信息单位 1位二进制代码基本信息单位 常用 字节 B 或 字 W 等来计算 定义 字节 一个 字节 8位二进制代码字长 一个 字 可以由一个或多个字节组成 通常把组成一个字的二进制位数叫做字长 计算机字既可以代表指令 也可以代表数据 代表数据的称为数据字 表示指令的称为指令字 定义 28 指令 让计算机完成某个操作发出的命令 用二进制代码来表示 程序 有序的指令集合 人 定义 问题 所有指令和数据都是二进制数码形式放在内存中 或在机器中传送 那么 计算机如何来加以区分呢 计算机对指令和数据的区分 一般来讲 1 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 2 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 指令流与数据流 当一个取指周期内同时有多条取出的指令时 即内存向控制器送出 指令流 当在一个执行周期内同时处理多个数据时 则形成所谓的 数据流 这种概念常出现在流水线结构或分布式处理计算机的分析与讨论中 定义 y ax b c 31 实例 32 计算机基本工作原理 33 指令的执行 程序的执行 CPU不断地取指令 执行指令 计算机基本工作原理 11 冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中 CPU区分它们的依据是 A 指令操作码的译码结果B 指令和数据的寻址方式C 指令周期的不同阶段D 指令和数据所在的存储单元 例 2009年考题 答案 C考点 冯诺依曼思想的基本概念 总结 计算机的硬件结构 存储程序控制 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 存储程序控制的概念是1946年由数学家冯诺依曼提出的 把编好的程序和原始数据预先存入计算机的主存储器中 使计算机在工作时能够连续 自动 高速地从存储器中取出一条条指令并加以执行 从而自动完成预定的任务 总结 计算机的硬件结构 归纳如下 采用二进制形式表示数据和指令采用存储程序方式由运算器 存储器 控制器 输入设备和输出设备五大部件组成计算机硬件系统 总结 计算机的硬件结构 软件 程序 数据