第1章 计算机系统概述

计算机组成原理 嵌入式系统工程系 主要教学环节 课堂教学 48学时 实验教学 16学时实验内容 数码系统存储器系统指令系统CPU的工作输入与输出 先修课程 C语言程序设计 数字电路 计算机文化基础 教学组织形式 课堂讲授 习题课 实验 课程考核成绩 平时考核成绩 50 期末考核成绩 50 平时考核种类及分数比例 1 考勤 作业 学习态度等 30 迟到 早退一次扣3分 旷课一次扣6分 课堂上玩游戏一次扣3分 本学期作业批三次 每次5分 共15分 其中题目完整 基本正确为A 得5分 题目完整 正确率达到75 以上为B 得4分 题目不完整 正确率达到60 以上为C 得3分 题目不完整 正确率低于60 且高于30 为D 得2分 题目不完整 正确率低于30 为E 不得分 上课积极回答问题且正确加0 5至1分 提问答不上来扣0 5至1分 2 实践 实验 成绩 20 共计5次实验 每次实验4 共20分 其中能独立完成实验 且实验报告清晰完整为A 得5分 能独立完成实验 实验报告不完整为B 得4分 不能独立完成实验 但提交实验报告较清晰完整得C 得3分 不能独立完成实验 且不提交实验报告者本次实验不得分 做实验态度积极认真 对实验环节或者步骤有改进的加5分 3 期末考试 50 期末考试采用闭卷笔试的考试方式 所用时间 120分钟 考核标准 课程简介 课程性质与地位 专业基础必修课程 承上启下 课程目的与任务 建立计算机硬件系统的完整概念 以单机系统为研究对象 阐述计算机系统的硬件组成以及各功能部件在整机中的作用与工作原理 掌握程序和数据在计算机中是如何存储的以及指令在计算机中的执行过程 专业设置与行业需求 嵌入式行业产业链 专业设置 集成电路设计与系统 嵌入式系统工程 微电子制造 摘自国家信息产业科技发展 十一五 规划和2020年中长期规划纲要 博闻强记 多思多问 取法乎上 持之以恒 茅以升 能力目标 1 自学习能力学会学习 学会思考 学会搜集资料 学会记笔记 2 协作交流能力学会分工协作 学会交流 学会资源共享 3 英文阅读能力能较为熟练地阅读相关的专业英文文献 4 建立计算机的整机概念 课程总体目标 概念逻辑图 课程主要内容 1 计算机系统概论2 数码系统3 运算方法与运算器4 存储系统5 指令系统6 中央处理器7 输入输出设备8 输入输出系统 运算器 控制器 教材 白中英 计算机组成原理 第三版 科学出版社石磊裴洪文 计算机组成原理 第二版 清华大学出版社 JohnP Hayes ComputerArchitectureandOrganization McGraw Hill李亚民 计算机组成与系统结构 清华大学出版社 2000年袁开榜 计算机组成原理 高等教育出版社唐朔飞 电子数字计算机原理 哈尔滨工业大学出版社 计算机组成原理实用教程 第二版 清华大学出版社2004幸云辉杨旭东编著 参考教材 第一章绪论 1 3计算机系统的层次结构 1 2计算机的组成 硬件和软件 1 4计算机的工作过程 1 5计算机系统的主要技术指标 1 1计算机的发展与应用 教学重点与难点 冯 诺伊曼体系的硬件结构计算机的性能指标 计算机发展概况 电子模拟计算机 使用连续变化的物理量来表示数值的大小并参加机内运算 其结果也是连续变化的物理量 电子数字计算机 将运算对象数字化成离散的数字量 用数码进行运算 运算结果也是离散的数字信息 它运算速度快 精度高 主要特点是按位运算 并且不连续地跳动计算 第一台电子计算机 ENIAC 第一台电子计算机 通用可编程序 18800电子管30吨150平方米150kw5000次十进制加法 秒 1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndComputer ENIAC ENIAC ENIAC 计算机的发展概况 第一代 1946年 20世纪50年代末期 电子管与继电器第二代 20世纪50年代末期 60年代中期 晶体管时代第三代 20世纪60年代中期 70年代初期 小规模集成电路第四代 20世纪70年代初期开始 大规模集成电路和超大规模集成电路 集成电路的发展 Smallscaleintegration SSI Mediumscaleintegration MSI Largescaleintegration LSI Verylargescaleint VLSI Ultralargescaleint ULSI 0 99 100 999 1000 9999 10000 门数 注 一个逻辑门 4晶体管 摩尔定律 GordonMoore 英特尔的创始人之一 集成度分类 年 70年代中 70年代初 60年代末 60年代初 百万门以上 80 代中 晶体管数大约每1 5年翻一番存储器的容量每3年增长4倍微处理器的速度每1 5年翻一番 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 越来越小 微型计算机 越来越大 小 中 大 巨 巨型机 世界几家公司生产 最快100万亿次 131072个CPU组成的IBM蓝色基因 还有9千个CPU组成的Cray 1 Cray 2 Cray 3 国产银河I 银河II 银河III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 国产太极工作站 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 微处理器的发展 4004 2300 50 m 80088080 8085 8086 808880286 80386 80486Pentium PentiumPro Pentium Pentium Pentium 4200万 0 13 m 集成电路技术的发展是基础高性能 低能耗 高速度 低成本 Intel4004 Intel8088 IntelPentium IntelPentium 计算机应用 无孔不入 科学计算密码破译 天气预报 地质勘探 卫星轨道计算 过程控制机器人以及各种自动化装备 温度调节 阀门控制 辅助设计 分析 制造 教学机械CAD 建筑CAD CAE CAM CAI 数据处理数据库管理 企业信息管理 统计汇总 办公自动化 企业管理ERP 人事 财务 进销存管理 计算机的组成 硬件和软件 计算机系统 计算机软件 计算机硬件组成部分框图 由五大部分组成程序 数据存放内存采用二进制 控制整个计算机所有部件的工作 执行算术运算和逻辑运算 存放程序和数据 冯 诺依曼思想 1 输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去 并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式 常用的有键盘 鼠标 扫描仪等 2 输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机 常用的有显示器 打印机 绘图仪等 3 存储器存储器是用来存放程序和数据的部件 它是一个记忆装置 也是计算机能够实现 存储程序控制 的基础 4 运算器运算器是对信息进行处理和运算的部件 经常进行的运算是算术运算和逻辑运算 因此运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU 运算器中有若干个寄存器 如累加寄存器 暂存器等 5 控制器控制器是整个计算机的指挥中心 控制器中主要包括时序控制信号形成部件和一些专用的寄存器 总线系统 各部件之间传送信息的通路和器件 计算机硬件系统的基本构成 冯 诺依曼计算机的特点 存储程序控制 是其工作原理 机内是对二进制数据的算术和逻辑运算及存储 程序由指令序列构成 机器以CPU为中心 总线结构 电子计算机的基本概念 电子 指组成它的物质基础主要是电子逻辑部件 具有高速性能 计算机 一种存储事先已经编制好的程序并能连续而自动地取出这些程序来执行 只能对事先已数字化的信息进行算术或逻辑运算的快速工具 对上述定义的理解 算术 逻辑运算 加减乘除 与或非运算 信息的数字化 机器所能听懂的唯一语言 用0 1表示电信号的状态 存贮程序的工作方式 事先编制程序 实现存储程序 自动 连续地执行程序 计算机的组成 硬件和软件 计算机系统 计算机硬件 操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库 MISERPOFFICEOUTLOOK 计算机软件 Software 是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据 以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料 其中文字说明和图表资料又称为文档 程序 数据 文档 计算机硬件 Hardware 是指构成计算机的所有实体部件的集合 通常这些部件由电路 电子元件 机械等物理部件组成 计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体 1 系统软件 为用户便于使用和管理计算机而编制的程序 由系统设计者和厂家提供 面向计算机本身的软件 OS 故障处理程序等面向计算机维护人员的软件 调试 纠错 测试程序等面向用户的软件 汇编 编译和解释程序 DBMS等 2 应用软件 为解决某个应用领域的具体任务而编制的程序 计算机软件 Software lw 15 0 2 lw 16 4 2 sw 16 0 sw 15 4 2 计算机系统的层次结构 temp v k v k v k 1 v k 1 temp 000010011100011010101111010110001010111101011000000010011100011011000110101011110101 高级语言程序设计级 汇编语言程序设计级 操作系统级 微程序设计级 机器语言设计级 应用语言级 程序的执行过程 计算机执行指令和程序的过程 将编制好的程序放在主存中 由控制器控制逐条取出指令执行 以计算a b c 为例加以说明 设a b c为已知的3个数 分别存放在主存的5 7号单元中 结果将存放在主存的8号单元 LOAD005 a a a LOAD005 ADD006 a b a a b a b SUB007 c c a b c STORE008 a b c a b c a b c HALT 计算机的性能指标 主频MHz字长Bit存储容量存储器速度运算速度MIPS可靠性MTBF可维护性MTTR 主频 决定了计算机的运行速度单位为兆赫兹 MHz 目前Pentium 的主频最高为4 2GHz 4 2 109Hz 即时钟频率 指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数 周期 频率的倒数 T 1 f 字长 决定了计算机的运算精度决定了指令直接寻址的能力影响机器的运算速度 指计算机能同时处理的二进制数据的位数 存储容量 存储容量的单位 B 字节 KB 千字节 210 1024 MB 兆字节 220 1048576 GB 吉字节 230 1073