DJ2 第1章-概论

1 主要内容 计算机的基本概念计算机系统的组织 硬件系统主要部件 软件系统 系统组成的层次结构 计算机的特点与性能指标 第一章概论 2 第一节计算机的基本概念 1 1 1计算机与冯 诺依曼思想 在电子数字计算机出现之前 就已经有了机械式计算机和电子计算机 但它们的工作原理完全不同 1945年美籍匈牙利数学家冯 诺依曼提出了一个新的计算机设计方案 EDVAC 这个设计思想奠定了现代计算机的基本结构 3 1 用二进制代码表示程序和数据 2 计算机采用存储程序的工作方式 3 计算机硬件由存储器 运算器 控制器 输入设备和输出设备等五大部件组成 诺依曼体制的主要思想包括 冯 诺依曼体系结构 工作过程如下 编程 并组织相应数据 存储器 执行程序 程序和数据输入 按地址取第一条指令 指令译码 发出操作命令 根据操作结果设置状态位 如 为01 Z为10 Z为正0 S为负1 S 标志位 取下一条指令 重复上述过程 操作结果 结合框图和工作过程 结论 从体系结构的角度 以存储器为中心的结构 计算机工作原理的实质 从控制的角度 以控制器为中心的结构 符合冯 诺依曼体系结构思想 操作性质和时间关系 信息以电信号形式的流动 流动过程是受控的 受控的表现是 流动方向 流动时机 流动时间 控制过程的实现 电子开关器件 控制的依据 程序中的指令 Intel8086系统的典型结构 10 1 1 2信息的数字化表示 信息的数字化表示包含了两层含义 用数字代码表示各种信息用数字信号表示数字代码 11 1 1 2信息的数字化表示 1 在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码 例1用数字代码表示数值型数据 5 5 表示为0101 表示为1101 12 例2用数字代码表示字符 A B 表示为01000001 表示为01000010 例3用数字代码表示指令 指令代码的组成 操作码和地址码 1 操作码 用一段数字代码表示操作类型 2 地址码 用一段数字代码表示获取操作数的途径 13 例5用数字代码表示图像 声音 例4用数字代码表示设备状态 启动 停止 正在工作 工作结束 表示为00 表示为01 表示为10 表示为11 14 2 在物理机制上用数字信号表示数字代码 数字型电信号 例1用电平信号表示数字代码 高电平 1 低电平 高电平 0 1 例2用脉冲信号表示数字代码 有脉冲 无脉冲 有脉冲 1 0 1 实现并行操作 实现串行操作 15 3 用数字化表示信息的主要优点 1 在物理上容易实现信息的表示与存储 3 数值的表示范围大 表示精度高 2 抗干扰能力强 可靠性高 4 表示的信息类型极其广泛 5 能用数字逻辑技术进行信息处理 16 1 1 3存储程序工作方式 1 事先编制程序 3 自动 连续地执行程序 2 事先存储程序 传统冯 诺依曼机串行执行指令 对传统诺依曼机的改造 增加并行处理功能 17 第二节计算机系统的组织 1 2 1硬件系统 1 CPU 中央处理器 1 功能 加工信息包括算术运算和逻辑运算 2 组成 由运算器 寄存器组和控制器组成 a 运算器 运算器主要包括算术逻辑单元ALU和寄存器组 1 常见计算机硬件系统组成 18 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 19 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 ALU 通过加法器实现运算操作 由全加器求和 由进位链传递进位信号 20 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 通用寄存器组 提供操作数 存放运算结果 21 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 选择器 选择操作数 选择控制条件 实现各种算法 22 移位器 ALU 选择器 通用寄存器组 选择器 移位器 直接或者移位送出运算结果 23 b 控制器1 功能 产生控制命令 微命令 控制全机操作 2 组成 微命令序列 24 微命令产生方式 指令执行控制方式 3 进一步学习内容 组合逻辑控制方式 微程序控制方式 由组合逻辑电路产生微命令 由微指令产生微命令 两种控制器组成原理与控制机制 模型机的数据通路结构和指令执行过程 25 2 存储器 1 功能 存储信息 2 组成 主存储器 26 存储体 存放信息的实体 寻址系统 对地址码译码 选择存储单元 27 读 写线路和数据寄存器 完成读 写操作 暂存读 写数据 控制线路 产生读 写时序 控制读 写操作 3 进一步学习内容存储单元读 写原理 存储器逻辑设计 28 3 输入 输出设备1 功能 转换信息 输入 原始信息 代码 送入主机 输出 处理结果 人或其它设备所能接受的形式 并输出 代码 2 进一步学习内容显示器的工作原理和信息转换过程 29 4 总线总线是一组能为多个部件分时共享的信息传输线 5 接口 30 2典型的硬件系统结构 1 以总线为基础的系统结构 总线 此结构有3个特点 数据通路结构简洁数据传送控制方便系统扩展易于实现 31 总线的分类 内总线 功能 局部总线 如下图所示 系统总线 外总线 连接CPU内部运算器 寄存器等部件 连接CPU ROM RAM等主板上的部件 连接系统中的各模板 输入输出总线 32 存储器扩展板 图形处理器 I O处理板 外总线 ALU 寄存器组R1 Ri 控制部件 CPU内总线 ROM RAM I O接口 局部总线 系统总线 33 同步总线异步总线 单向总线双向总线 地址总线数据总线控制总线 并行总线串行总线 时序 方向 通信格式 其它分类方式 信息类型 34 a 以CPU为中心的双总线结构 CPU I O总线 M总线 35 b 单总线结构 CPU M 接口 接口 I O I O 系统总线 36 c 以M为中心的双总线结构 M总线 37 d 多级总线结构 CPU RAM ROM 公共接口 总线控制逻辑 M扩展板 I O接口板 局部总线 系统总线 38 2 采用通道或IOP的大型系统结构 a 带通道的系统 b 带IOP的系统 39 3 多机系统 CPU LM 4 进一步学习内容接口 中断接口 DMA接口总线 分类 信号组成 共享存储器 CPU LM I O I O a 紧耦合系统 通过总线或交叉开关矩阵进行多机互连 通过共享主存实现多机之间的信息交换 b 松耦合系统 用通信网络连接各节点 节点之间以中断方式传送信息 40 1 2 2软件系统 1 系统软件 1 操作系统 是软件系统的核心 负责管理和控制计算机的硬件资源 软件资源与运行的程序 它是用户和计算机之间的接口 2 语言处理程序 3 数据库管理系统 4 各种服务性支撑软件 5 各种标准程序库2 应用软件包括科学计算 工程设计 数据处理 信息管理 自动控制等 1 2 3系统组成的层次结构即按照逻辑关系 计算机系统软硬件各个部分之间的关系 1从硬软件组成角度划分的层次结构模型 硬件级 机器指令级 系统软件级 高级语言级 CPU 存储器 I O 系统结构 机器语言程序 汇编语言程序 OS 语言处理程序 软件资源 用户程序 其中 软件资源 编译程序 解释程序 数据库系统各类编辑软件程序调试软件图形处理软件文字处理软件故障诊断程序标准库函数 语言处理程序 本课程的主要内容 上述结构的底层 运算器控制器 中央处理单元 CPU 计算机系统硬件组成 主机 输入设备 存储器 输出设备 CPU 存储器 I O 系统结构 解决容量与速度之间的矛盾 高档处理器内置Cache 一级Cache 图中为二级Cache 三级存储体系结构 目前的存储体系结构 处理器 外存 内存 Cache 研究方向 全Cache结构 计算机总体发展趋势 生物计算机存储容量上的重大突破如 1克DNA 1万亿张光碟容量 光计算机 量子计算机 巨型机 代表国家科学发展水平 微型机 代表国家现代化水平 计算机硬件技术的研究方向 研究重点 智能化计算机 46 1 2 3系统组成的层次结构 2 从语言功能角度划分的层次结构模型 机器语言物理机 实际机器 专用语言虚拟机 高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机 程序 1 2 4硬 软件的功能分配 性能 硬件比例少 硬件比例增加 在完成相同功能的前提下 价格 技术条件要求 性能 价格 技术条件要求 硬件软化 软件完成较复杂功能 以降低硬件开销 软件硬化 硬件完成较复杂功能 以提高处理速度 软件固化 运行微程序实现较复杂功能 以提高性价比 功能分配与设计目标 技术条件有关 关于指令系统的最小功能集合 49 第三节计算机的特点与性能指标 1 3 1数字计算机的特点 自动连续地执行运算速度快运算精度高存储能力强通用性好 50 1 3 2计算机的主要性能指标 1 基本字长 定义一般是指参加一次定点运算的操作数的位数 例如8位 16位 32位或64位 与精度的关系字长越长 精度越高 与速度的关系无直接关系 但间接影响速度 51 2 存储容量 1 主存容量 主存用来存放当前CPU需要执行的程序和需要处理的数据 指存储单元个数 位数 表明寻址范围 决定地址位数 表明编址单位 比如 256个寻址单元 需要8位的地址 28 256 比如 以字节为单位编址 注 主存容量的大小是由地址线的位数决定的 52 2 外存容量 常表示为字节数 外存容量与系统地址总线的位数无关 存放大量不常用程序和数据 常见为磁盘 硬盘等 注 一般不将Cache计入存储容量 透明性原因 53 3 运算速度 速度的基本概念 计算机使用者 三个层次 CPU主机使用者 54 1 CPU时钟频率 MHz 每个时钟周期完成