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- 关 键 词：
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计算机
系统、设计、
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ASP068计算机组成原理教学网站,计算机,系统、设计、
- 内容简介：
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Lecture1 计算机系统概论,计算机组织和结构汇编语言计算机系统的层次结构,2,1.1 组织和结构,计算机结构（Architecture）：对程序员可见的系统属性。属性：指令集、表示各种数据类型的比特数、I/O机制、内存访问技术等对系统程序员所能见到的计算机硬件特性计算机组织（Organization）：实现结构规范的操作单元和它们之间的连接。属性：控制信号、接口、使用的存储技术等。计算机硬件的具体实现,3,1.1 组织和结构,区分：指令系统中的指令有无是结构问题，如何实现则是组织问题。例:有/无乘法指令是结构问题,确定需要乘法指令后,用何种方法进行乘法是组成问题联系：技术的更新不仅影响了组织，还导致了更丰富和更强大的结构。,4,1.2用计算机解决实际问题的过程,人类相互交流信息所用的语言称为自然语言和自然语言接近，并能为计算机接受的语言，称为计算机的高级语言。通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序，而是先将其翻译成机器能执行的语言，称为机器语言(由二进制代码表示的指令组成)，再在机器上运行。用二进制码表示的机器语言编写程序，工作量大，容易出错。出现了符号式程序设计语言，称为汇编语言。用汇编语言编写程序后，依靠计算机将它翻译成机器语言(二进制代码)，然后再在计算机上运行。这个翻译过程是由汇编程序实现的。,5,1.2用计算机解决实际问题的过程,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。数据或指令以二进制代码形式存放在存储器中。存储器分成一个个单元，每个单元有自己的编号，称为该单元的地址。,6,1.2用计算机解决实际问题的过程,程序是由指令组成的，计算机执行程序的过程，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) 。(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。,7,1.3计算机的硬件,中央处理器CPU，分成运算器和控制器两部分。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。各部件间来往的信号可分成三种类型，即地址、数据和控制信号。通常这些信号是通过总线传送的。,8,1.3计算机的硬件,图1.1 以总线连接的计算机框图,9,1.3计算机的硬件,CPU发出的控制信号，经控制总线送到存储器和输入输出设备，控制这些部件完成指定的操作。与此同时，CPU(或其他设备)经地址总线向存储器或输入输出设备发送地址，使得计算机各个部件中的数据能根据需要互相传送。输入输出设备和存储器有时也向CPU送回一些信号，CPU可根据这些信号来调整本身发出的控制信号。现代计算机还允许输入输出设备直接向存储器提出读写要求，控制数据传送。,10,1.4 计算机系统的层次结构,层次结构划分的目的“机器”只对一定的观察者而存在。它的功能体现在广义语言上，能对该语言提供解释手段，如同一个解释器，然后作用在信息处理和控制对象上。在某一层次的观察者看来，他只是通过该层次的语言来了解和使用计算机，不必关心在内层的那些机器是如何工作和如何实现各自功能的。,11,1.4 计算机系统的层次结构,层次划分方法,12,1.4 计算机系统的层次结构,计算机系统的多级层次结构,13,1.5 计算机的发展简史,ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer):1943年启动该项目,1946年建成;是一台十进制而非二进制的机器;运算速度:5000次加法/秒存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数手动编程通过设置开关和插拔电缆实现最初建造的原目的是计算导弹的射程,但第一项任务是用于氢弹的计算表明了其通用性的特点.,14,1.5 计算机的发展简史,John von Neumann,1945年提出了“程序存储概念”,并于1946年提出一种新的程序存储计算机IAS. 虽然到1952年仍未完成,但却是以后的通用计算机的原型.IAS的组成:计算机由运算器,控制器,存储器,输入设备和输出设备组成采用存储程序的方式,程序和数据放在同一个存储器中,指令和数据一样可以送到运算器运算,即由指令组成的程序是可以修改的.能够操纵二进制数的算术逻辑运算单元（ALU）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,一般顺序执行但也可按运算结果或外界条件而改变.机器以运算器为中心(现在以存储器为中心).,15,1.5 计算机的发展简史,IAS计算机的结构：主存储器、运算器、控制器、输入/输出设备,ALU叫运算器，进行算术运算和逻辑运算。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。控制器主要用来实现程序的自动执行。输入设备用来输入原始数据。输出设备用来输出计算机的处理结果。,16,1.5 计算机的发展简史,IAS计算机结构扩展AC:累加器；MQ：乘商寄存器MBR：存储器缓冲寄存器；IBR：指令缓冲寄存器；PC：程序计数器；IR：指令寄存器；MAR：地址寄存器；,17,1.5 计算机的发展简史,IAS指令的执行流图,18,1.5 计算机的发展简史,IAS指令集21条指令数据传输（7条）无条件转移（2条）条件转移（2条）算术运算（8条）地址修改（2条）,19,1.5 计算机的发展简史,晶体管时代1947年 Bell实验室发明了晶体管。NCR和RCA率先生产晶体管计算机，IBM于1962年生产出了第一台晶体管计算机（IBM7090）。DEC（数据设备公司），1957年成立，生产的第一台计算机 PDP-1,20,1.5 计算机的发展简史,IBM 7094计算机结构:采用了数据通道和多路器,21,1.5 计算机的发展简史,集成电路时代,1958年发明了IC，出现了微电子学。摩尔定律：70年代以来，芯片上的晶体管数每18个月翻一番,22,1.5 计算机的发展简史,IBM System/360:1964年，发布IBM System/360 与IBM 7000系列不兼容。System/360系列的关键特征model 30/40/50/65/77相同或相似的指令集相似或相同的OS系列成员指令执行的速度从低到高更多的I/O端口数更大的内存容量成本增加,23,1.5 计算机的发展简史,DEC PDP-8:与IBM System/360同一年发布，但前者的价格为几十万美圆，后者仅为1.6万。PDP-8的系统结构：,24,1.5 计算机的发展简史,Intel Pentium 进展8080:第1个通用微处理机,8位。8086:比8080强大的16位机,支持指令高速缓冲或队列.80286:8086的扩展,寻址达16MB,而不是1MB.80386:32位微处理机,其复杂性和功能可与以前的大型机和小型机相比.80486:采用了复杂切功能强大的高速缓冲技术,以及复杂的指令流水线技术.Pentium:采用了超标量技术,允许多条指令并行执行.Pentium Pro:继续发展Pentium的超标量技术,采用了寄存器重命名、转移预测、数据流分析和推测执行等技术.Pentium :用于有效处理视频、音频和图形数据的Intel MMX技术Pentium :新的浮点指令,以支持三维图形软件Pentium :使用64位组织结构,25,1.5 计算机的发展简史,PowerPC的进展1975年,IBM开始研究 RISC,80年推出了801RISC机(伯克利同时业推出了RISC I).1986年,PC-RT,未在工业界成功.1990年,RISC System/6000类RISC的超标量机.1993年,601(32位):为了尽快推向市场.1994年,603:面向低端台式机和便携机.1994年,604:面向台式机和低端服务器,使用了超标量技术,
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