计算机组成与结构第1章-计算机系统概论.ppt

计算机组成原理 马家宇Email majiayu 2 知识与课程结构 3 课程重要性 计算机专业的专业课程 后续课程的知识基础课程 继续深造的必考课程 4 学习目标及方法 学习目标 花时少 效率高 掌握本课程的内容 培养一流的计算机人才 学习方法 学习时 多问几个why 提倡怀疑 听课追随老师的思路 积极思考 温故而知新 5 如何学好本课程 是什么 为什么和怎么样概念的记忆与原理的理解从了解计算机系统的外部特性为出发点 以软件设计过程中必须知道的计算机系统的结构为线索来学习 作业 纪律与考试 第一章计算机系统概论 1 1电子计算机的发展简史 第一代电子管时代 1946 1958 耗电高 体积大 定点计算 机器语言 汇编语言第二代晶体管时代 1958 1965 变集中处理为分级处理 浮点运算 高级语言第三代中小规模集成电路时代 1965 1970 存储容量大 运算速度快 几十至几百万次 秒第四代大规模集成电路时代 1971至今 向大型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向巨型化 微型化 网络化 智能化 多媒体化根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番 今后可再用10年 目前 大规模芯片生产工艺已达到0 25微米 微电子工业发展每下一步的线宽大约是前一步的0 7倍 因而0 25微米的下一步是0 18微米 其后是0 13微米 0 09微米 0 06微米 计算机的六大分类 巨型机 世界几家公司生产 最快1 4万亿次 9千个CPU组成Cray 1 Cray 2 Cray 3 国产银河I 银河II 银河III 目前我国神威号速度达3480亿次 秒 小巨型机 功能同巨型机相近 价格相对便宜 发展十分迅速美国Convex公司的C系列机为其代表产品 大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用 统一调度主机资源 代表产品有IBM360 370 4300等小型机 它可以满足部门性的需求 供小型企事业单位使用 典型产品有IBM AS 400 DEC VAX系列工作站 用于特殊的专业领域 例如图象处理和辅助设计等 典型产品有HP APOLLO SUN工作站等 微型机 个人或家庭使用 PC机 个人计算机 价格低廉 世界上较快的五台超级计算机 1 IBM Seaborg 6080个CPU最大平均速度7 304TF 1012 2 IBM ASCIWhite 8192个CPU最大平均速度7 304TF 1012 世界上较快的五台超级计算机 3 LinuxNetworX MCRLinuxCluster 2304个CPU最大平均速度7 634TF 1012 世界上较快的五台超级计算机 4 HP ASCIQ 4096个CPU最大平均速度13 88TF 1012 世界上较快的五台超级计算机 5 NEC EarthSimulator 5120个CPU最大平均速度35 86TF 1012 世界上较快的五台超级计算机 世界上较快的五台超级计算机 6 IBMBlueGene04年32768个双核嵌入式CPU13w08年122400个CPU1 026PFLops1PF 1000TF 16 2 计算机系统组成 完整的计算机系统由硬件和软件组成 17 计算机系统的内部组成 硬盘 电源 导线和电缆 软驱 内存 微处理器 CPU 扩展卡 主板 扩展槽 软件组成 系统软件 应用软件 操作系统或管理软件汇编程序高级语言的编译或解释程序故障诊断或检验程序系统调试程序数据库管理程序 使用者根据需要采用各类语言编写的各种应用程序 包括各类应用软件包 计算机软件的组成没有配备任何软件的 裸机 无法投入使用 没有配备足够的软件 其功能就不能很好的发挥 计算机软件的分类如下 计算机的语言 自然语言 人类相互交流信息所用的语言 高级语言 由于当前的计算机还不具备理解自然语言的能力 于是人们希望找到一种和自然语言接近并能为计算机接受的语言 这种语言被称为计算机的高级语言 汇编语言 符号式程序设计语言 属于低级语言 机器语言 然而目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序 因而要先将其翻译成机器能执行的语言 这种语言被称为机器语言 由二进制代码表示的指令组成 计算机解题的过程可归结为 1 程序员用高级语言编写程序 2 将程序与数据输入计算机 并由计算机将程序翻译成机器语言程序 保存在计算机的存储器中 3 运行程序 输出结果 在计算机中能执行的程序是由指令组成的 因此计算机执行程序的过程 实际上就是按照给定次序执行一组指令的过程 一条指令通常分成两部分 1 操作码规定该指令执行什么样的运算 或操作 因此被命名为操作码 2 地址码规定对哪些数据进行运算 通常表示的是数据地址 因此被称为地址码 22 计算机硬件系统组成计算机的所有电子元件和机电装置的统称 冯 诺依曼机具有如下基本特点 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五部分组成 采用存储程序的方式 程序和数据放在同一存储器中 由指令组成的程序可以修改 数据以二进制码表示指令由操作码和地址码组成 指令在存储器中按执行顺序存放 由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址 一般按顺序替增 机器以运算器为中心 数据传送都经过运算器 输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序 输出设备用来输出计算机的处理结果 存储器用来存放程序和数据 是计算机各种信息的存储和交流中心 中央处理器又叫CPU 在早期的计算机中分成运算器和控制器两部分 由于电路集成度的提高 现在已把它们集成在一个芯片中 运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件 经常进行的是算术运算和逻辑运算 所以在其内部有一个算术及逻辑运算部件 ALU 控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化 即实现程序的自动执行 25 冯 诺依曼体系结构以二进制表示和存储程序控制为核心 算术运算逻辑运算 存放数据和程序 将信息转换成机器能识别的形式 将结果转换成人们熟悉的形式 指挥程序运行 冯 诺依曼计算机硬件框图 27 存储计算机原理计算机要自动完成解题任务 必须将事先设计好 用以描述计算机解题过程的程序与数据一样 采用二进制形式存储在机器中 计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行 以总线连接的计算机框图 29 总线分类 按功能划分 CPU内部总线 外总线 局部总线 系统总线 按时序划分 同步总线 异步总线 按数据传送方式划分 并行总线 串行总线 按传送方向划分 单向总线 双向总线 按信息类型划分 数据总线 地址总线 控制总线 计算机的解题过程 1 3计算机系统的层次结构 虚拟机 通过配置软件扩展功能后形成的与实际机无关的机器 它将提供给用户的功能抽象出来 脱离了物理机 由于站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性也是个不相同的 虚拟机 通过软件扩充的物理机 目的 摆脱真实机器的束缚 比较 Java虚拟机 高级语言虚拟机器的层次结构 计算机系统的多级层次结构 1 5计算机的应