计算机组成原理 教学课件 张光河 第1章 概述_v1.2

在线教务辅导网 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ 349134187或者直接输入下面地址 第一章计算机组成概述 张光河Email guanghezhang 3 3 大纲 1 0计算机组成1 1计算机的由来1 2计算机的组成1 3计算机发展历程1 4计算机的性能指标1 5计算机的应用 4 4 1 0计算机组成 概念 系统结构的逻辑实现任务 研究各组成部分的内部构造和相互联系 以实现机器指令集的各种功能和特性 设计要素 数据通路宽度 专用部件的设置 各种操作对部件的共享程度 功能部件的并行度等 5 5 大纲 1 0计算机组成1 1计算机的由来1 2计算机的组成1 3计算机发展历程1 4计算机的性能指标1 5计算机的应用 6 6 1 1计算机的由来 1941年12月 第一台可编程计算机 Z3计算机 1943年1月 自动顺序控制计算机MarkI在美国研制成功 1943年4月 密码破译机 HeathRobinson 研制成功 1946年 第一台数字电子计算机ENIAC研制成功 7 7 大纲 1 0引言1 1计算机的由来1 2计算机的组成1 3计算机发展历程1 4计算机的性能指标1 5计算机的应用 8 8 1 2计算机的组成 1 2 0计算机系统的层次结构1 2 1计算机硬件1 2 2计算机软件 9 9 1 2 0计算机系统的层次结构 硬件微程序设计机器语言操作系统汇编语言高级语言 10 10 计算机组成层次结构 汇编语言级 第5层 11 11 各层关系 上层是下层功能的扩展 下层是上层的基础 站在不同的层次观察计算机系统 会得到不同的概念 层次划分不是绝对的 12 12 1 2 1计算机硬件 概念 指计算机系统中由电子 机械和光电源器件等组成的各种物理装置的总称 功能 输入并存储程序和数据 以及执行程序把数据加工成可以利用的形式 13 13 计算机硬件系统基本组成 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 程序 数据结果 数据程序 14 14 五大部件 运算器控制器存储器输入设备输出设备 15 15 运算器 运算器是一个用于信息加工的部件 又称为执行部件 是对数据进行算术运算和逻辑运算 由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成 是字长的主要参考指标 16 16 控制器 控制器把指令逐条从存储器中取出 经译码后向计算机发出各种控制命令 是全机的指挥中心 它使计算机各部件自动协调地工作 实质上是解释程序 中央处理单元 CPU 组成 运算器 控制器以及一些高速存储单元 被称为寄存器 寄存器 处理单元提供操作所需要的数据 17 18 18 存储器 主要功能 存放程序和数据组成 内部存储器和外部存储器内部存储器 存放正在执行的程序和使用的数据 其成本高 容量小 但速度快 外部存储器 长期保存大量程序和数据 其成本低 容量大 但速度较慢 19 19 存储器组成框图 地址译码 地址总线数据总线 0 00 0 01 1 11 读 写控制电路 读 写命令 20 20 输入设备 将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式的设备 例 键盘 鼠标等 21 21 输出设备 将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形式的设备 例 显示器 打印机等 22 22 设置接口的原因 输入 输出设备大多数为机电设备 传送速度远远低于主机 需要接口作数据缓冲信息格式不同 需要接口来转换接口需要向主机报告设备运行的状态 传达主机的命令 计算机硬件的典型结构 单总线结构双总线结构采用通道的大型系统结构 23 单总线结构 概念 用一组系统总线将计算机的各部件连接起来 各部件之间可以通过总线交换信息 优点 易于扩充新的I O设备 并且各种I O设备的寄存器和主存储器可以统一编址 缺点 只能分时使用总线 这限制了信息传送的吞吐量 适用范围 一般用在小型和微型计算机中 24 单总线结构 25 系统总线 CPU 主存 I O接口 I O接口 存储总线 双总线结构 内存和CPU之间设置一组专用的高速存储总线 26 以CPU为中心的双总线结构 优点 控制线路简单 对I O总线的传送速率要求很低缺点 CPU的工作效率很低 27 以CPU为中心的双总线结构 28 输入 输出总线 CPU 主存 I O接口 I O接口 存储总线 以存储器为中心的双总线结构 优点 信息传送速率高缺点 需要增加新的硬件投资 29 以存储器为中心的双总线结构 30 系统总线 CPU 主存 I O接口 I O接口 存储总线 采用通道的大型系统结构 具有较大的扩展余地 减轻了CPU的负担 提高了整个系统的效率 31 32 32 1 2 2计算机软件 计算机系统中的程序及文档 类别 系统软件和应用软件 33 33 五类系统软件 操作系统语言处理程序计算机语言数据库系统其他服务性程序 34 34 操作系统 操作系统是管理计算机软 硬件资源的一个平台 是应用程序和硬件沟通的桥梁 裸机 没有任何软件支持的计算机 常见的操作系统 Windows UNIX Linux OS 2 IOS等 35 35 语言处理程序 任务 汇编程序处理方式 解释程序和编译程序 36 36 数据库管理系统 实现有组织动态地存储 利用和管理大量的相关数据 方便多用户访问的计算机软硬件资源组成的系统 数据库和数据库管理软件一起 组成了数据库管理系统 SQLServer Oracle 37 37 服务性程序 主要用于检查 诊断计算机的各种故障例 诊断程序 调试程序 QAPLUS PCTOOLS 38 38 计算机语言 机器语言汇编语言高级语言 机器语言 用二进制代码表示的且依赖于硬件的计算机语言 机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言 39 汇编语言 是面向机器的程序设计语言 用助记符代替机器指令的操作码 用地址符号或标号代替指令或操作数的地址 又称为符号语言 40 高级语言 是面向问题的程序设计语言 不能被直接执行 必须将它们翻译成具体的机器语言程序才能执行 41 应用软件 文字处理软件表处理软件数据处理软件专家系统 42 43 43 软硬件关系 计算机的硬件系统与软件系统可以互为转化 互为补充 在微机中采用固件 这是软件硬化 是将程序固化在ROM中组成 44 44 大纲 1 0引言1 1计算机的由来1 2计算机的组成1 3计算机发展历程1 4计算机的性能指标1 5计算机的应用 45 45 1 3计算机的发展历程 第一代计算机 1946 1957 第二代计算机 1958 1964 第三代计算机 1965 1971 第四代计算机 1972 最新发展情况 第一代计算机 主要特点 46 47 47 第二代计算机 主要特点 元件 晶体管存储器 磁芯 主 磁带或磁盘软件 有Fortran Cobol语言 出现了机器内部的管理程序 48 48 第三代计算机 主要特点 元件 中 小规模集成电路 MSI SSI 存储器 半导体软件 操作系统 采用微程序控制技术 出现了Basic FORTRAN 公式翻译 语言 Pascal等 49 49 第四代计算机 主要特点 元件 超大规模集成电路 LSI VLSI 存储器 出现了MOS管为主软件 操作系统更加完善 在语音 图像处理 多媒体技术 网络以及人工智能等有较大的发展在第四代计算机发展过程中出现了今天使用最广的微型计算机 1976年APPLE和1981年的PC机产生 PC微机的发展迅速的主要是CPU主要生产厂家Intel公司和核心软件生产厂家Microsoft公司 最新发展情况 超级计算机量子计算机 50 超级计算机 美国政府制订了 超级计算机与通信 HPC C 的发展计划 日本政府依据此国策制订了为期10年的 真实世界计算机计划 RWC计划 西欧1991年制订了 Tera Flop计划 即研制万亿次量级的大规模并行计算机 旨在5年内推出万亿次量级的超级巨型计算机 51 超级计算机 唯有大规模并行处理机才能实现万亿次量级超级巨型机 52 量子计算机 1994年彼得 秀尔 PeterShor 提出量子质因子分解算法2007年2月 加拿大D Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机2010年3月31日 德国超级计算机成功模拟42位量子计算机2009年11月15日 世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生 53 量子计算机 采用量子逻辑门处理数据 制造量子逻辑门的方法 设计一系列激光脉冲来操纵铍离子进行数据处理 然后再利用另一个激光脉冲来读取计算结果 缺点 激光脉冲的强度不同等因素造成 计算机的准确率下降 54 55 55 计算机的发展显著的特点 体积小重量轻速度快成本低可靠性大 56 56 冯 诺依曼思想 计算机处理采用二进制或二进制代码存储程序硬件五大部分 输入设备 输出设备 存储器 运算器和控制器许多专家认为用冯 诺依曼思想所构成的计算机体系对非数值数据的处理 运算和存储不是很好的方法 特别是在检索速度也是有限的 57 57 大纲 1 0引言1 1计算机的由来1 2计算机的组成1 3计算机发展历程1 4计算机的性能指标1 5计算机的应用 58 58 1 4计算机的性能指标 机器字长存储容量运算速度 59 59 机器字长 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数 整数运算即定点数运算 取决于加法器 或ALU 数据总线以及存储字长的位数 影响计算机的运行速度 60 60 存储容量 指存储器可以容纳的二进制信息量 用字长或字节为单位计算 有的用字长 K M G T 61 61 运算速度 指单位时间内所能执行的指令条数 单位是条 秒 MIPS 微机一般采用主频来描述运算速度 主频越高 运算速度就越快 描述方法 等效指令速度描述法 性价比 性价比即 性能价格比 是用来权衡商品在客观的可买性上所做的量化 反映了单位付出所购得的商品性能 62 63 63 大纲 1 0引言1 1计算机的由来1 2计算机的组成1 3计算机发展历程1 4计算机的性能指标1 5计算机的应用 64 64 计算机的应用 科学计算过程检测与控制信息管理计算机辅助系统人工智能多媒体 65 65 科学技术计算 宇宙飞船运动轨迹和气动干扰问题的计算人造卫星和洲际导弹正确制导入轨的计算高能物理中热核反应控制条件及能量的计算工程设计 地震预测 气象预报 航天技术等 过程检测与控制 智能化仪器仪表 66 67 67 信息管理 企业管